广播技术的发展

广播技术的发展

无线电广播技术是在无线电报及无线电话的基础上发展起来的。各种功能的电子管的发明和应用加速了无线电广播的发展。无线电广播自发明以来已经进行了三次重大的技术革新。

从长波到短波

无线电频段是宝贵的资源，常用的无线电频段有：

长波，波长1000～10000米，频率3～300千赫（kHz），称为低频。

中波，波长100～1000米，频率300～3000千赫（kHz），称为中频。

短波，波长10～1000米，频率3～30兆赫（MHz），称为高频。

无线电广播常用的频段：中波100～1500千赫（kHz），中短波1．5～6兆赫（MHz），短波6～30兆赫（MHz）。

电磁波的传播有两种形式，一种是沿地球表面传播的地波，另一种是沿空中传播的天波。物理学家首先认识的是地波传播。1918年英国物理学家沃斯顿在长期研究中，提出地波传播理论。他指出，电磁波是沿着地球表面绕射传播，路线呈弯曲状。但大地对电磁波有吸收作用，电磁波在传播途中，波的强度将随距离而衰减。他特别指出，波长越短，这种衰减程度就越强。在这种理论的指导下，20世纪20年代，即无线电广播创建初期，使用的是长波和中波。英国于1925年建立功率为25千瓦的第一个长波电台，使用波长为1500米的长波。美国的早期广播主要使用300～500米的中波。然而，由于长波和中波的传播距离有限，例如用功率为3千瓦的发射机，传播距离仅有40千米左右，这样就得增设许多中继站才能将长波或中波传播到较远的地方。

在广播早期，人们根据沃斯顿的地波理论，把200米以上的中长波作为国家、大城市建台使用，片面地认为200米以下的中短波传播距离太短，无商业价值，将这些频段划给业余无戴电爱好者使用。由于发射中长波要建立功率强大的发射机，需要国家投资，而短波却只需小功率的发射机就可以了，因此业余无线电爱好者力所能及，都乐意使用短波。

在无线电广播的实践中，不少业余无线电爱好者发现，短波也可以传播到远方，于是，天波理论诞生了。

无线电报发明家马可尼在无线电发射实验中，推测空中有能够反射电磁波的电离层存在。后来，人们发现在离地面50～400千米的高空的确存在电离层，证实了马可尼的推测。1912年，英国的物理学家埃克耳斯从理论上论证了电离层对电磁波的折射作用。1924年，拉摩经过研究确定，电离层中存在大量的电子，揭示了电离层折射电磁波的原因。随后，查普曼研究指出，电离层可分为D、E、F层，各层对不同波长的电磁波的反射效果不一样，对短波的反射效果最好。查普曼还指出，只有频率大于30兆赫的电磁波才可以穿透电离层。这为以后的远距离微波通信（如人造卫星的通信）作了理论准备。

早期的无线电收音机

短波可以通过电离层的反射作用传播到远方。这一发现为无线电广播的发展开创了新的天地。当时，所有的长波和中波频段很快被各国的电台占满，原来认为没有多大作用的短波，成了无线电广播求之不得的新频段。

短波的优点是：它的方向性好，适合作远距离定向广播；用较低的发射功率就可以传播到远方，建台成本低。1921年12月，美国在试验广播中，利用200米的中短波向英国广播，获得成功。1925年4月，荷兰的青年工程师冯·贝茨利尔建造了波长为30米的短波发射机，5月13日，将无线电信号传播到了印度尼西亚。经过技术改进，短波发射机可以向世界范围发射无线电广播信号。1927年6月1日，荷兰女王通过短波，向东、西印度群岛发表广播讲话。随后不久，在远距离的广播中，短波电台逐步取代了长波电台。

无线电广播研究人员还发现，长波和中波主要靠地面传播，但中波也有一部分经过天波传播。因此，到了夜间，由于空中的电离层升高，在同样的反射角度下，人们可以收听到白天收不到的远方中波电台的广播。

随着大量短波电台的出现，接收技术也得到相应改进。广播初期的收音机主要是为收听长波设计的，要想收听短波广播就要配制专门的装置。为了解决这个矛盾，费森登于1912年提出了“超外差原理”，将长波和短波都转换成中频，使一个收音机既可收听长波，又可收听短波。1919年，美国的物理学家阿姆斯特朗（1890～1954），根据费森登的原理，研制成功超外差收音机。

自从1965年第一颗地球同步静止轨道卫星发射成功后，无线电广播开始用同步卫星传播到世界各地，再也不受地波和天波的限制了。

从调幅到调频

无线电广播是利用电磁波传播声音信息的。传播的技术很复杂，但大体可分为两步，第一步是把语言、音乐等声音信号变成低频的电信号，这种信号不能发射。第二步是把低频的电信号变成高频的电磁波，通过天线从空中发射出去。将低频的电信号转变成高频电磁波，这个过程就叫调制。没有经过调制的高频电磁波叫做载波，它可以“运载”带有声音信息的低频电信号，经过调制后的高频电磁波叫调制波。如果把带有声音信息的低频电信号比作单车，那么，没有经过调制的高频电磁波就如一架飞机，调制波就像载满了单车的飞机。每个载波都有一定振幅和频率。电磁波是一种横波，振幅又叫波幅，是从波峰或者波谷到横坐标轴的距离。频率又叫周率，电磁波每秒钟振动的次数，单位是“赫兹”，简称“赫”。在无线电广播发射技术中，调制载波的振幅叫做调幅广播，调制载波的频率叫调频广播。

初期的无线电广播发射技术采用的是调幅（AM）制，这是使载波的振幅按照所需传送信号的变化规律而调制的方法。用调幅器将载波调制成调幅波，这种技术在无线电广播及其他的无线电通信中常为应用。调幅用于长波、中波和短波广播，它的优点是占用频带较窄，一般不大于20千赫，因此在较窄的中、短波频带内，可以容纳数量众多的广播电台。而且收听调幅的收音机结构简单，造价较低。

但是，调幅广播的抗干扰性能差，收音时噪音大。美国的物理学家阿姆斯特朗针对调幅广播的缺点，提出了调频（FM）广播理论。这是使载波的瞬时频率按照所需传送信号的变化规律而变化的调制方法，用调频器将载波调制成调频波。调频技术在无线电广播、电视伴音及无线电通信中广为应用。1933年，阿姆斯特朗创建第一座调频广播电台，克服了邻近电台干扰和雷电干扰的现象，可以使声音保持极高的保真度。调频广播与调幅广播相比，调频广播的抗干扰能力强，音质优美动听，覆盖面积大。第二次世界大战后，调频广播得到迅速发展。但调频广播的技术较复杂，建台成本高，所占的频带较宽，而且要用调频收音机才可以收马可尼听。这项广播技术一般只用于超短波的发射。

电视伴音使用的也是调频广播技术，但是由于电视的伴音与广播的频率不一样，所以调频收音机收不到电视的伴音。

从单声道到立体声

无线电广播早期，传播的声音是单声道，即单源音。单声道的录制、发射、接收技术较为容易，但单声道缺乏方位感和层次分明的立体感，尤其是一些立体感很强的音乐节目，从收音机里听起来就有些乏味了。为了增强广播的听觉效果，在单声道调频广播的基础上，发展了双声道调频广播，也叫立体声调频广播。

立体的听觉原理与立体的视觉原理相似。人们用两只眼睛看物体比用一只眼睛看更能准确地判断物体远近及方位；用两只耳朵听声音，更能感受到声音的方位和立体感。

在无线电广播发明之前，人们就认识了立体声。1881年的圣诞节那天，法国巴黎歌剧院演出精彩的节目。法国工程师克莱蒙特在舞台左右各安装一台电话机，分别与家里的两台电话机连接。表演开始了，他坐在远离剧院的家里同时抓起两个听筒，两耳同时收听。惊奇的现象出现了，他听到了舞台那身临其境的立体声。克莱蒙特发明的立体声技术获得了专利。这一年，他在巴黎博览会上，用自己的发明设备，直接转播巴黎歌剧院的现场演出，让参加博览会的顾客第一次欣赏到了立体声。

意大利科学家马可尼

克莱蒙特的发明，引起了许多物理学家研究立体声的兴趣。在第一次世界大战期间，军事科学家们根据克莱蒙特的发明研制成了“双耳接收喇叭”，用来判断敌方飞机的方位。1931年，英国工程师布龙莱茵研究制成了双声立体声唱片。1933年4月27日，美国的贝尔电话实验室利用电话线路，向华盛顿传送在费城举行交响乐的立体声。1941年，立体声电影问世。1954年，美国生产出双迹磁带立体声录音机。1957年，英、美两国分别生产首批商业用立体声唱片。1977年，日本研究制成脉码调制的立体声数字录音机。

立体声在广播电台的应用，最早是1925年，由美国康涅狄格州纽黑文的无线电广播电台播出。当时用的是调幅广播，立体声的双声道分别用两个不同的波长传播，每个听众要用两台收音机的耳机同时收听。调频广播普及后，立体声调频广播便陆续出现了。

我国的立体声广播始于1979年。当年9月26日，黑龙江省广播事业局研制成我国第一台立体声调制器。12月，黑龙江人民广播电台用这台调制器开始了立体声广播。中央人民广播电台从1982年10月1日开始，在第三套节目中播出立体声节目。