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无线电接收机
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无线电接收机（英语：radio receiver，亦称receiver、无线电收信机）是一种电子装置，用于接收无线电波并将其所承载的资讯转换为可用的形式。它必须与天线配合使用。天线的作用是拦截无线电波（即无线电频率的电磁波），并将其转换为微弱的交流电流，再传送至接收机[1]。接收机则负责从中撷取所需资讯：透过电子滤波器分离出目标的无线电频率信号，同时排除天线所接收的其他干扰信号；接着利用电子放大器增强信号功率，以便后续处理；最后经由解调，将原始资讯还原出来。
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无线电接收机是所有基于无线电技术的系统中不可或缺的核心元件。其输出的资讯形式多样，可能为声音、影像（如电视讯号），或数字信号[2]。接收机既可以是独立的电子设备，也可能作为电路模组嵌入于其他装置。对一般大众而言，最熟悉的类型为广播收音机，能将电台传送的声音讯号重现。由于广播收音机是历史上第一个面向大众市场的无线电应用，因此“收音机”一词常被用作无线电接收机的代称。
随着技术发展，无线电接收机的应用早已不限于广播。现代生活中，它广泛应用于电视、行动电话、行动宽频数据机、无线电时钟，以及各类通讯、遥控与无线网路系统。部分新型接收机支援数位音讯界面S/PDIF[3]，甚至能输出至七个声道喇叭加一个重低音声道（7.1声道）[4]，并通常设有耳机插孔以供个人使用。支援立体声或环绕声的接收机在市场上价格差异显著：在美国，高品质机种可能低于200美元即可购得；而在中国，由于市场竞争激烈，部分厂商甚至推出不到10美元的低价机型，具备内建数位解码与双声道输出，并以AAA电池供电。由于接收机属于纯电子设备，不含唱盘、卡带机等机械结构，因此通常能长时间稳定运作。
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原理
无线电接收器需连接天线使用。天线会将传入无线电波的部分能量转换为微小的射频交流电压，并施加至接收器的输入端。天线通常由一组金属导体构成，无线电波的振荡电场与磁场会推动天线内的电子来回运动，从而产生振荡电压。
天线的形式多样，可以封装于接收器外壳内，例如调幅（AM）收音机使用的铁氧体磁环天线[5]，以及手机所采用的扁平倒F型天线；也可以外接于接收器，例如调频（FM）收音机使用的鞭状天线；或是独立安装，并透过电缆与接收器连接，如屋顶电视天线与卫星天线。
无线电波的讯号强度会随着与发射机的距离增加而衰减[7]，因此接收范围受限于发射机功率、接收器灵敏度、大气与内部杂讯，以及地理障碍物（如山丘）等因素。AM广播波段的无线电波以地波形式传播，能沿着地球表面传送，使得数百英里外的AM广播电台仍可稳定接收。相较之下，FM波段的无线电讯号因频率较高，仅能传播至视距范围内，通常限制在约40英里（64公里），且容易受到山丘或障碍物阻挡。不过，FM广播的优势在于较不易受到无线电杂讯（如射频干扰、地磁扰动、闪电干扰）的影响[8]，并具备更高保真度、更佳的频率响应，以及较低的音频失真。因此，在仍保有AM广播的国家，严肃音乐多由FM电台播放，而AM电台则多以新闻、谈话节目及体育赛事为主。与FM类似，DAB（数位音讯广播）讯号同样透过视线传播，因此接收范围也受限于视距，大约为30–40英里（48–64公里）。
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空气中同时存在来自不同发射器的无线电波，且可同时被天线接收。由于各无线电波频率不同，因此接收器可利用频率差异加以分离。为了撷取所需的无线电讯号，接收器会使用带通滤波器，只允许目标传输频率的讯号通过，并阻挡所有其他频率的讯号[9]。
带通滤波器通常由一个或多个调谐电路组成，这些电路连接在天线输入端与接地之间[10]。当输入讯号的频率等于谐振频率时，电路呈现高阻抗，使所需的电台讯号能通过并送至后级；而在其他频率下，电路呈现低阻抗，将这些不需要的讯号导向地面排除。
无线电讯号所携带的资讯并非集中在单一频率上，而是分布于载波频率（C）两侧的窄频带中，称为边带（SB）[11]。因此，滤波器必须允许一整个频带通过，而非仅仅一个频率。接收器所能接收的频带称为通带（PB），其宽度（以千赫为单位）称为频宽（BW）[12]。滤波器的频宽需要足够宽，以确保边带讯号能完整通过而不失真；但也必须足够窄，以避免相邻频率（如图中的S2）上的干扰讯号进入。接收器能有效抑制接近目标频率的干扰电台的能力称为选择性，这是接收器的重要性能指标，由滤波器特性所决定。现代接收器常使用石英晶体、陶瓷谐振器或表面声波滤波器，取代传统的电感–电容调谐电路，因其具备更佳的选择性与滤波效果。
典型的AM或FM无线电发射信号的频谱由位于载波频率fC 的分量C，以及分布在载波上下两侧窄带中的调变信号（称为边带）共同构成。
带通滤波器能够从天线接收到的所有无线电信号S2、S3……中，筛选出特定的目标信号S1。图表自上而下依次显示：加在滤波器输入端Vin 的天线电压、滤波器的传递函数T，以及滤波器输出端Vout 的电压随频率f的变化。传递函数T表示在不同频率下信号通过滤波器的程度。
为了接收特定电台，必须将收音机调谐至目标发射机的频率。收音机上通常设有刻度盘或数位显示，用以显示所调谐的频率。调谐的实质作用是调整接收器通带的中心频率，使之与欲接收的无线电发射器频率一致。当调谐旋钮被转动时，会改变调谐电路的谐振频率；当其与电台的载波频率相符时，电路便会产生共振，使讯号顺利传送到接收器后续处理电路。
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接收天线所拾取的无线电波功率，会随着与发射天线距离的平方而急遽减弱。即使广播电台使用大功率发射机，若接收器距离发射端超过数英里，其天线所能截获的功率依然极为微弱，往往低至皮瓦（pW）甚至飞瓦（fW）等级。为了使讯号足以被处理，接收器需使用放大器电路，借由电池或市电供应的能量，将讯号的振幅（电压或电流）放大。在大多数现代接收器中，实际负责放大功能的电子元件为电晶体。
接收器通常具有多级放大[13][14][15]。首先，来自带通滤波器的无线电讯号会被放大，使其功率足以驱动解调器；接着，解调器输出的音讯讯号再经进一步放大，使其功率能推动耳机或扬声器，转换为可感知的声音。接收器的放大能力以一个称为灵敏度的参数衡量。灵敏度定义为：天线端所需的最小讯号强度（以微伏特为单位），足以清晰接收并维持一定的讯噪比。由于讯号在技术上几乎可以被放大到任意所需的程度，现代接收器灵敏度的实际限制，多半不是放大能力不足，而是源自电路中存在的随机电子杂讯。这些杂讯可能掩盖微弱的无线电讯号，使其难以辨识。
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当无线电讯号经过滤波与放大后，接收器必须将调变后的射频（RF）载波中的资讯提取出来[16]，这一过程称为解调（demodulation）。负责解调的电路称为解调器（或检波器），不同调变方式需要不同类型的解调器[17]。
其他调变方式则需对应的特殊解调电路。
解调器的输出为调变讯号，通常会再经过放大，以提高讯号强度，并透过不同形式的换能器转换成人类可用的资讯[18]：
音讯讯号（如广播电台的声音）会透过耳机或扬声器转换为声波。
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在各类解调方式中，AM解调是最容易理解的一种，也是AM收音机用来还原音讯调变讯号的核心技术。该音讯讯号代表声音，最后会由收音机的扬声器转换为声波。
AM解调通常透过一种称为包络检波器的电路实现。其基本构成包括一个二极体D与输出端的旁路电容C（见电路图）。[19][20]
原始讯号（A）：来自调谐电路的AM讯号是一个高速振荡的射频载波，其波幅随音讯而变化。这些波幅的缓慢变化即包含了声音讯号。然而，若将此讯号直接送入扬声器，由于波形在轴的正负两侧平均为零，扬声器振膜将不会产生净运动，因而无法发声。
二极体整流（B）：当讯号作为输入VI加至检波器时，二极体D只允许电流在单一方向通过，并阻挡反向电流，等于将交流讯号整流为单向脉冲直流。经过整流后，加在负载RL上的电压VO不再平均为零，其峰值大小与音讯讯号的瞬时振幅成正比。
电容滤波（C）：旁路电容C会被二极体导通时的脉冲电流充电，其电压随着脉冲峰值变化，等于追随音讯波形的包络线。电容同时具备低通滤波的效果，能消除高频的载波脉冲，仅留下低频的音讯讯号，并输出至负载RL。
最终，该音讯讯号会再经过放大，并驱动耳机或扬声器，使人能听到广播的声音。
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接收机天线所接收到的无线电讯号强度，会因发射机的距离、发射功率，以及传播路径上的环境条件而有显著差异，强度变化甚至可能横跨数个数量级[21]。由于无线电波在传播过程中会受到多重路径干扰等因素影响，来自同一发射机的讯号强度也会随时间起伏，这种现象称为衰落[21][22]。
在调幅（AM）接收机中，检波器输出的音讯讯号振幅与无线电讯号的强度成正比，因此讯号衰落会直接反映为音量的变化。此外，当接收机在强台与弱台之间切换调谐时，扬声器输出的音量也会有明显差异。如果没有一个自动化的调整系统，AM 接收机就必须频繁依靠使用者手动调整音量控制。
对于其他调变方式（如FM或FSK），调变振幅虽不会随着无线电讯号强度而改变，但所有解调器都需要输入讯号落在一定的幅度范围内才能正常运作[22][23]。若输入幅度过低，解调器会产生明显杂讯；若幅度过高，则可能导致放大器级过载（饱和），进而造成讯号失真或削波。
因此，几乎所有现代接收机都会设置自动增益控制（AGC）系统。这是一种回授控制机制，会监控检波器端无线电讯号的平均电平，并根据此电平调整放大器的增益，以确保解调器接收到的讯号保持在最佳范围内[21][22][23]。AGC的作用可以与人眼的暗适应机制相比：当人进入昏暗环境时，瞳孔会扩张，以增加进入眼睛的光线，相当于提升“增益”[21]。
最简单的AGC系统由两部分构成[23]：
- 整流器——将射频讯号转换为随讯号强度变化的直流电平。
- 低通滤波器——对直流电平进行平滑处理，获得一个稳定的平均控制电压。
此平均电压会回授至前级放大器，用以控制其增益。在超外差接收机中，AGC通常施加于中频放大器，有些设计甚至会设置第二组AGC回路，以调整射频放大器的增益，防止其在强信号下过载。
在部分接收机架构中（例如现代数位接收机），还需处理另一个相关问题——讯号直流偏移。这通常也能透过类似的回授系统进行校正。
设计
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在最简单的无线电接收机设计中，称为调谐射频（TRF）接收机，接收过程依序包含以下几个步骤[22]：
- 滤波 —— 从天线接收的混合无线电讯号中，透过带通滤波器选出所需电台的讯号。
- 放大 —— 经由射频放大器将讯号强度提升到足以驱动解调器的水平。
- 音频放大与输出 —— 将解调后的音频讯号进一步放大，输出至扬声器或耳机，转换为声音。
TRF接收机设计虽简单，但在实际应用上有多项限制，因此仅见于少数场合[22]。其缺点主要源于它需在高频下直接进行滤波、放大与解调。
- 频宽随频率变化：滤波器的频宽会随中心频率提高而增大，因此当TRF接收机调谐到不同频率时，滤波器的频宽也会改变，导致选台效果不一致。
- 需要多级调谐：为了获得足够的选择性，TRF接收机往往必须使用多个级联调谐滤波器，且这些滤波器必须同时调谐，非常不便。
正因如此，TRF接收机逐渐被超外差接收机所取代，后者在大多数现代无线电应用中成为主流架构。
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超外差接收机由埃德温·霍华德·阿姆斯特朗于1918年发明[24]，除了少数特殊应用外，几乎所有现代无线电接收机都采用这种架构[22][25][26][27]。
在超外差接收机中，来自天线的射频讯号在进入后续处理之前，会先被转换至一个较低且固定的中频（IF）[28][29][30][31]。这个转换过程是透过混频完成的：射频讯号与接收机内部的本地振荡器（LO）所产生的未调变讯号相互混合，经由一个称为混频器的非线性电路，产生两个新频率——分别为两者频率的外差。外差即为所需的中频讯号。这一过程类似于两个不同频率的音符同时演奏时，会产生一个拍频。中频讯号仍保留原始射频讯号的调变边带，用于承载资讯。接着，中频讯号会通过滤波器与放大器，最后送至检波器解调，恢复出原始调变讯号[26]。
超外差设计的最大优势在于易于调谐。接收不同频率的电台，只需改变本地振荡器的频率即可；混频器之后的所有电路都固定在同一中频下工作，因此中频滤波器无需随频率改变而调整。这使得现代接收机能利用高精度的石英晶体、陶瓷谐振器或高Q值的表面声波（SAW）滤波器，在固定中频下实现极佳的选择性。
在接收机前端，射频滤波器的作用是抑制镜像频率干扰。若没有这个滤波器，接收机可能同时对两个不同的射频频率产生响应，其中一个虽非目标讯号，却可能与所需讯号一同进入混频器，造成干扰[27][31][32][33]。由于镜像频率通常与所需讯号相差较远，因此只需一个可调式射频滤波器即可提供足够的抑制。同时，射频滤波器还能限制进入射频放大器的频宽，避免强大的带外讯号导致过载。中频放大器则由多级精确调谐滤波器组成，专门用于抑制与目标频率相近的干扰讯号[27]。由于中频固定，这些滤波器不需随频率改变而重新调谐，简化了设计。
为了获得更好的镜像抑制与频率选择性，许多现代超外差接收机会采用双变频设计（dual conversion）[22]。在此架构中，输入射频讯号首先在第一个混频器中被转换为较高的第一中频，以便更有效地滤除镜像；随后，该讯号再经第二个混频器转换为较低的第二中频，便于使用带通滤波器获得良好的频宽控制。有些高性能接收机甚至采用三变频（triple conversion），以进一步提升性能。
虽然超外差架构增加了额外的电路选通级（stage），但其优势显而易见。与TRF接收机相比，超外差设计能提供更高的选择性，并将大部分增益分布于较低频率的放大器中，只有前端需要在最高频率下工作，这使设计更容易控制。同时，因调谐过程仅需本地振荡器与前端射频滤波器进行同步追踪，相较于多级TRF设计大幅简化。此外，总放大功率被分配至射频放大器、中频放大器与音频放大器三个不同频段，减少了多级放大器在同一频率下工作时可能出现的回授与杂散振荡问题[34]。
最关键的优势在于：在较低的中频下进行滤波，可以大幅提升选择性[22][26][34]。接收机的重要参数之一是频宽，即能接收的频带范围。为了有效抑制邻近电台或杂讯，频宽必须足够窄。然而，几乎所有滤波技术的特性都是——频宽随中心频率增加而扩大。因此，若直接在高射频下滤波，难以实现窄频宽；而透过将讯号转换至较低中频后进行滤波，便能轻松达成更窄的频宽要求。若没有超外差设计，现代的调频广播、电视、行动通讯以及其他需要窄频道的应用都难以实现[26]。
历史
无线电波最初由德国物理学家海因里希·赫兹在1887年的一系列实验中发现，旨在证明詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁理论。赫兹使用火花激发偶极子天线产生电波，并使用连接到偶极和环形天线的微米火花隙来检测它们[35][36][37]。这些早期的无线电接收器是原始设备，更准确地说，是无线电波“感测器”或“检测器”，因为它们只能在距离发射器约100英尺的范围内接收无线电波，不用于通信，而是作为科学实验和工程演示的实验室仪器。
在1887年至1917年无线电最初的三十年中使用的第一批无线电发射器，是火花隙发射器，它们通过电火花放电电容来产生无线电波[39][40][41]。每个火花产生一个快速衰减到零的无线电波瞬态脉冲[35][37]。这些阻尼波无法像现代AM和FM传输那样调变以携带声音。因此，火花隙发射器无法传输声音，而是通过无线电报传输信息。操作员使用电键快速打开和关闭发射器，产生不同长度的阻尼无线电波脉冲（“点”和“划”），以摩斯电码拼写文本信息[37][40]。
因此，第一批无线电接收器不需要像现代接收器那样从无线电波中提取音频信号，而只是检测无线电信号的存在，并在“点”和“划”期间产生声音[37]。执行此操作的设备称为“检测器”。由于当时没有放大设备，接收器的灵敏度主要取决于检测器。
最早的无线电接收器没有调谐电路，它们响应天线接收到的所有无线电信号[41][42][43][44]。这导致了严重的干扰问题，因为多个发射器会同时接收到。调谐电路由电容器和电感器组成，它们被调谐到发射器的频率。这使得接收器能够选择所需信号并拒绝其他信号[41][44][45]。1892年，威廉·克鲁克斯在一次关于无线电的演讲中提出[46]，可以利用共振来缩小发射器与接收器的频宽。如此一来，不同的发射器便能调整至不同的频率发射讯号，彼此之间就不会互相干扰[47][48][49]。接收器同样配有一个调谐电路，透过将其调整至与发射器相同的频率，便能接收特定的讯号。此机制原理类似于将乐器调音，使其与另一件乐器产生共振。该系统构成了现代无线电技术的基础。
1906年，李·德富雷斯特发明了三极体真空管，这是第一个实用的放大装置[50]，也使得四种新型调变方式成为可能：连续波（CW）无线电报、约在1915年出现的可传输音频的调幅（AM）、大约在1938年问世并大幅改善音质的调频（FM），以及单边带（SSB）。到了20世纪20年代，真空管接收机开始取代矿石收音机。由于真空管能够放大无线电信号，接收机因此具有更高的灵敏度与选择性，并能直接驱动扬声器。不过，相较于矿石收音机，真空管接收机结构更复杂、价格也更昂贵[51][52]。早期的真空管接收机需要多组电源，通常由独立电池供应。直到1930年左右，随着整流管与变压器电源的发展，接收机才得以直接使用家用电源供电[51][53]。
埃德温·霍华德·阿姆斯特朗是无线电接收机历史上最重要的人物之一，他在此期间发明了至今仍主导无线电通讯的技术他首次正确解释了李·德富雷斯特三极管的工作原理[54]。他还发明了电子振荡器、再生接收机、超再生接收机、超外差接收机以及现代调频技术。
半导体接收器的发明始于1947年的晶体管，彻底改变了无线电技术。晶体管收音机在1950年代后期变得可行，它们体积小、重量轻、耗电少，并且比真空管收音机更耐用。这使得便携式收音机的普及成为可能。
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积体电路（IC）芯片的出现，在20世纪70年代彻底改变了无线电接收器的发展。 IC的应用使得整个接收器可以被整合在单一芯片上，大幅降低了成本与体积[35]。到了1980至1990年代，加州大学洛杉矶分校的阿萨德·阿里·阿比迪率先开发了射频CMOS芯片，为低功耗无线设备的诞生铺平了道路[56]。
当前的发展趋势，是利用芯片上的数位电路取代原本需要被动元件实现的类比功能。在数位接收器中，中频讯号会先被取样与数位化，接着由芯片上的数位讯号处理器完成带通滤波与解调等功能。数位讯号处理器的另一大优势在于，它能透过软体灵活调整接收器的通道频率、频宽与增益等特性，从而快速响应环境的变化。
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