致小白：详解调幅收音机的原理 #妈妈再也不用担心我不懂收音机啦！
标题：致小白：详解调幅收音机的原理 #妈妈再也不用担心我不懂收音机啦！
作者： Pleiades_Antares
出品： BDF元培调查组-北京市内包小组
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（后期会出收音机制作手册的电子版，喜欢的可以自己去打印，本文仅介绍调幅收音机的原理，其组装、调试以及焊接的全方位指导请参阅《小白手册》）
（原作品为精修小册子+论文，文字精简，请仔细阅读嗷）
收音机的介绍
收音机，是一种由机械器件、电子器件、磁铁等构造而成，用电能将电波信号转换并能收听广播电台发射音频信号的机器。自1904年收音机被发明后，无线电广播成为一种主要的信息传播和宣传方式。它作为无线电传媒的鼻祖，虽然之后又发明了电视等其它媒体，但是直到今天它仍是一种不可或缺的传媒方式，广泛的存在于我们的生活之中。
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广播电台始于20世纪初，最早用于小部分科技迷之间的娱乐，后转为针对大众的新闻传播媒介和娱乐方式。它传播区域广，覆盖面积大。通过广播电台，人们可以听到百里之外甚至千里之外的声音。
目前使用最广泛的广播主要为调幅广播（AM)与调频广播（FM），调幅广播主要分为主要针对中距离的中波和针对远距离的短波广播，调频广播的频率更高，传播距离更短，适于在城市环境使用。下图详细的说明了广播的过程。
图2-1 调幅广播的工作过程示意图
1.广播电台发送声音的流程
广播电台的一大特点便是利用电波信号传输声音，其过程并不复杂。我们听到的声音是通过空气振动进行传播，因此可以通过麦克风（话筒）将这种机械振动转换为电信号，传到远处，再重新通过扬声器（喇叭）转换为机械振动，发出声音。如此一来，如果广播电台与听众之间的距离比较近，可以通过将麦克风产生的电信号用放大器放大之后通过电线使其传到听众处，再使用放大器将信号放大推动扬声器播放即可。这种有线电台还在有些场合使用，例如学校教室的播音系统。
图2-2 有线广播电台工作示意图
但有线电台的缺点为必须通过电线相连。自无线电波被发现后，科学家们就提出了用无线电进行广播的方案。如下图所示，将原来用电线传输的信号转化为电磁波，通过信号塔发送，听众只需安装天线接收电信号即可。
图2-3 无线传输电信号示意图
但这种方式又带来了新的难题，人类听觉范围为20 Hz-20 kHz，多数人声的频率范围在340 Hz到3.4KHz之间。如果都使用这个频率范围传输，就会互相干扰，而且根据理论分析，天线长度与波长成正比，即频率越低，波长越长，则所需的天线越长，发射功率越低。
若想解决这个问题，可将原来的方案进一步改进。将发射的信号的频率调高，就可以用不同频率发射和接收信号，传输多个频道的内容，而且所需天线长度也使人可接受。但是，人耳无法听到高频率的声音，若需使用这些更高频率的电波传输人类所需的音频信息，则需用到调制的办法，在发送信号前将低频的声音信号调制到高频的无线电波（载波）上，然后再发送出去。相应的，听众在收听前再进行“解调”，将低频的声音信号从高频载波上分离出来。调制的办法有“调幅”和“调频”等。
图2-4 高频载波无线传输系统示意图
载波，是一种运载声音信号的高频波，本身不传递有效信息，但频率很高。在调制时将需要调制的信号，也就是广播电台想要发送出去的声音，将其与载波结合在一起，得到的就是已调波。已调波频率高，且包含广播电台的声音内容，此时广播电台将已调波发送出去。而听众接收时，只需要进行解调，即分离载波与广播电台本身的声音信号，再将广播电台的声音信号播放出来即可。
在图2-5中展示了幅度调制即调幅的原理，最上面（a) 是频率较低的声波振动信号，中间（b）是频率较高的载波，二者相乘得到的就是（c）已调波，它主要是快速振动的载波，但载波振动的幅度在随时间变化，载波的包络给出了声音的信息。
收音机的作用即为接收这种信号，并进行解调，还原出声音信号。最简单的收音机是矿石收音机，为了提高接收范围、声音大小和质量，人们又发明了更复杂的收音机。早期的收音机使用电子管，半导体三极管发明后，人们普遍改用了半导体收音机（又称晶体管收音机）。
图2-5 广播电台调幅信号示意图
图2-6 收音机基本架构框图
收音机的基本架构如上图所示，天线接收电波信号，通过输入调谐选出所需的频带。其经过高频放大后，由检波电路分离出音频信号，再经过音频功率放大器进一步放大，驱动喇叭发出声音。2.矿石收音机
矿石收音机是最简单的一种收音机，不需要使用电源，检波器元件可以采用天然矿石，因此得名“矿石收音机”。
图2-7 矿石收音机实装图
图2-8 矿石收音机电路图
矿石收音机是结构最简单的收音机，采用电感电容（LC）谐振电路，先通过天线（大约5-6米甚至可能更长）与线圈接收信号，通过调整可变电容器（调谐电容）改变LC电路的谐振频率以达到“换台”的目的，接着通过矿石做成的二极管来检波，也就是解调。如果直接用高频载波的信号驱动喇叭，由于振荡太快，喇叭几乎没有反应（即使有反应我们的耳朵也听不出来）。因此，检波——也叫解调——这一手段出现了。这一手段主要需要的是一个二极管和一个电容。二极管拥有单向导电的特性，即只允许正方向的振荡电流通过，反方向电流遇到时将会断开，因此加装二极管后电流的下半部分被削去了，只剩下上半部分的载波（见图2-9加二极管时的情形）。检波之后，还要再通过一个旁路电容才能到达扬声器。这个电容的作用就是把波平滑化，滤掉快速变化的载波，这样输出的电压就是音频包络线，驱动扬声器振动发声。
注意这里二极管和电容都是需要的，如果仅有二极管而没有电容，那么振荡频率仍然很高，而且某些地方信号突变，听起来就是一些断断续续的声音。如果仅有电容而没有二极管，由于调幅的载波是以横轴对称的，即上下各有一条相反的音频包络线，那么电容平滑信号后正负对称，A点和B点刚好互相抵消，无法产生所需的音频包络信号。
图2-9 检波工作信号示意图
这就是二极管的检波作用。最初人们发现有些天然的矿石具有单向导电性（比如通常使用的黄铁矿晶体），可以用来充当二极管作检波用，这一类使用天然矿石充当二极管的收音机便被称为“矿石收音机”。不过大部分现在所谓的矿石收音机已经名不副实，大多采用了2AP9，1N60这两种二极管而不是天然矿石。
矿石收音机原理简单，但其声音很小，音质差，处理不稳定，且天线长，一般作为初学者DIY使用。为何处理不稳定？矿石收音机属于直放式收音机，直接放大式收音机电路简单，容易成功。但这种收音机能收到的电台不多，它的灵敏度和选择性都很差。直放式收音机的灵敏度和选择性比较差的症结究竟在什么地方呢？要想提高收音机的灵敏度，就得增加高频放大的级数，或者说增加总的高放增益。可是，高频增益过高，后级输出信号产生的电磁场只要有一点点泄露，被前级接收，就会引起自激。显然频率越高，辐射电磁波的能力就越强，高频放大级的工作就越不容易稳定。选择性的好坏又取决于什么因素？选择电台的任务是由LC谐振回路来完成的，LC回路越多选择性就越好。可增加LC回路带来一个问题，每个回路的工作频率不同，设计的电路很难对不同频率都有良好的工作性能。如果给每个LC回路都单独设计优化一套放大电路，系统又过大且昂贵。为了解决这个问题，大部分商品收音机采用了超外差设计。3.超外差收音机
不论接收什么频率的信号，超外差接收型收音机都首先通过变频把它的频率变换成某一特定的频率，通常把它称为“中频” ，我国的工业标准规定调幅收音机的中频为465kHz。由于中频是固定的，设计具有良好性能的放大电路相对来说就容易多了，而且为了提高选择性完全可以多加几个LC回路，因为被放大的频率是固定不变的，所以LC回路仅仅只需要在装机时一次调准就可以了，以后改换电台时，这个中频是不变的，相应的中频调谐回路也无须重复调整。本次我们将安装的就是一种超外差收音机，下图显示其完整架构。
图2-10 超外差收音机完整功能框图
先看本机振荡与混频器。本机振荡与混频器的目的是将天线接收的信号频率转化为中频。假设接收的信号为cosωt，本振信号为cosω0t，混频器给出二者乘积，根据三角函数乘积定理可得：
**cosω0t * cosωt=[cos(ω0+ω)t+cos(ω0-ω)t]/2**可见，原波（未经处理的频率）与本机振荡通过混频器混合后得到了（ω0+ω）与（ω0-ω）两个频率，一般来说会使用一个滤波器将（ω0+ω）频率过滤掉，剩下的（ω0-ω）频率的信号传输给中频放大电路。通过调整本机振荡频率（ω0）使（ω0-ω）等于ωIF（中频）。
将以上公式改写为中文，为：本机振荡频率-输入信号频率=中频
举个例子，若输入信号的频率（广播电台的频率）是535KHz，那么本振频率就是535KHz+465KHz=1000KHz；输入信号的频率是1605KHz，本振频率就是1605KHz+465KHz=2070KHz。只要保证本机振荡频率始终比接收到的信号频率高一个固定值465KHz（我国工业标准），就可以保证载波信号迁移到一个固定频率。这样，后续电路处理该固定频率的载波信号就会简单很多，极大程度上的的简化了电路。
图2-11 电路图的功能划分示意图
从原理上讲，以上模块已经可以发出声音并比矿石收音机的声音要好一些了，但由于电路要处理不同的频道（换台）、不同的信号强度（距离每个电台的远近）的各种情况，导致了收到的不同电台信号强度差异很大，在有些收音机的实际电路中，还有自动增益控制（AGC）模块，当接收到的信号很弱时，AGC自动提高中频放大电路的增益；相反，当收到的信号很强时，AGC自动降低中频放大电路的增益。从而使得不同电台，不同场景下，电台音量保持稳定。
为了实现上述功能，需要进行电路设计，选择合适的电路元件，优化参数，使其能正常工作。我们选购的一种六管收音机组装套件电路和功能划分如图所示。了解原理后，下一步就是实际组装啦！接下来我们将会带着你一步一步安装这个复杂的收音机~
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