Tuner－调频接收机中的皇帝
Tuner 准确的含义是广播调谐器，国人称收音头。它是广播接收机中的高端产品，一般只包含用 FM/AM两个波段，最吸引人的当然是调频波段，厂家也使出全身解数把调频波段做到最好。上世纪六十到八十年代是调频广播最兴盛的时期，这个时期没有互联网，也没有数字音源，典型的家庭音乐中心的配置是调谐器、动铁唱机和杜比降噪卡座。六十年代初，调频广播处于单声向立体声过渡阶段，调谐器就是在这个时期诞生的，电路以电子管或晶体管分立元件组成，音质比黑胶和磁带差。到了七十年代，调频广播全部实现了立体声，优秀的立体声激励器使广播质量大踏步提高，调谐器设计技术也取得长足的进步，优秀集成电路和固体滤波器（晶体声表和陶瓷）的大量使用，使调频立体声的音质超过了 Dolby B 卡带，接近黑胶唱片。
八十年代是调频广播的黄金时代，电台普遍用 DAT 和 CD 作声源。微处理器引入调谐器，电路设计追求创新。优秀调谐器纷纷面世，单声失真度达到了 0.003%，立体声 0.01%。音质超过动铁唱机，比 Dolby C 卡座流畅。Dolby C 由于有喘息效应听起来没有 FM 优美。这一时期，日本和欧洲的广播爱好者对高级调谐器的推崇达到狂热状态，大家急切地等待着新机型号的公布，新机上市后争先购买，然后比较性能和和发表评论，忙得不亦乐乎。同一时期的《电波科学》、《无线与实验》等杂志上刊有许多介绍调谐器新技术的文章，对爱好者的诱惑力就象磁石吸铁一样，看了以后谁能忍心三两日，不作破斋人。
九十年代数字音源的普及，CD 几乎取代了所有的音源，黑胶和卡座很快退出了历史舞台，FM 调谐器开始失宠。数字广播的开播，原来的 FM/AM 调谐器演变成了现在的 DAB/FM 调谐器和 HD Audio/FM 调谐器， FM 在调谐器中沦为附属地位。
上世纪调频广播的辉煌历史为调谐器收藏家留下了一笔丰盛的遗产，当年全世界有六十五家电子企业共生产了两千多种型号的调谐器，其中最著名的 18 种调谐器见表 1。中国的广播爱好者过去没有机会接触这些贵族设备，今天却能偶尔在北京、上海和广州等地的电子垃圾市场上觅到它们的踪迹。
解决互调和假响应从高频头入手
调频调谐器中有一个用铁皮屏蔽的高频电路称高频头，它包含高放、混频、振荡和调谐电路。高频头处于信号处理的最前端，其质量直接决定了接收机的灵敏度、互调假响应等指标。六十年代由于一个地区的调频电台不多，高频头设计的很简单，双调谐就能很好地接收。七十年大城市的调频台密集，为了提高选择性，把高频头设计成多连调谐，最多的高达 13 连。采用多连结构后选择性确实提高了，但跟踪误差也增大了，群时延特性变坏，音质变劣了。
当时由于没有高质量的声源，人们并没有明显觉察到音质的变化。八十年代调谐器进入高保真设备行列，音质成了第一重要的指标，人们认识到要提高音质必须先消除互调引起的假响应，高频头义不容辞担负起了这个责任。产生假响应的数目与电台的数目有关，设电台的台数为 n，则假响应数为 (n-1)n。目前我国沿海和东部的大城市一般能接收到 30 多个调频台，那么假响应数就多达 870 个，可见问题是多么严重。因此一个城市在设置调频电台频率的时候，会仔细计算，使落入接收频带的假响应数减到最少。假响应在表面上引起可接收的电台增多，但调谐到假响应频率时会伴随着嘶、嘶、嘶和啾、啾、啾的声音。
由于混频是依靠器件的非线性特性实现的，而非线性是产生互调的根源，因而从原理上讲超外差接收机的假响应不可能完全消除，于是线性优良、动态范围大的器件成了提高高频头性能的利器。从互调和交叉调制指标看，双极晶体管最差，结型场效应管稍好，MOS 场效应管较好，砷化钾场效应管最好。由于砷化钾单晶极容易破碎，制造困难，售价昂贵。耗尽型双栅硅 MOS 管相当于共源－共栅串接放大器，它的动态范围大、密勒电容小、稳定性好，线性优于六管平衡模拟乘法器，是高放和混频的理想器件。
调谐器到底用多少连好？单从选择性考虑，连数越多越好；但从线性化群时延特性，提高音质出发，连数越少越好。为了兼顾音质和选择性，选择 4～5 连较好。下一个问题是调谐器件用空气可变电容器还是变容二极管？七十年代中期以前的调谐器全部使用空气可变电容器，自 1974 年第一台频率合成调谐器ST-910 面世后，各个厂家纷纷仿制。日本是世界上生产调谐器最多的国家，1983 年阿尔卑斯停产了最后一只空气多连，从此给可变电容调谐器画上了句号。从插入损耗和电容-频率特性看，空气可变电容器明显优于变容二极管。为了提高变容二极管的 Q 值，可以把两个变容管做成背靠背的孪生管形式，性能接近于空气可变电容器。5 对变容二极管调谐系统与空气 4 连的性能相当，使用变容管的最大优点是能实现数字调谐和多点统调，摆脱手动调谐的麻烦。
多径信号是噗声干扰的祸首
我们接收调频广播时，除了能接收发射天线直接抵达接收机的直射波外还同时会接收到从高山、建筑物和地面反射形成的反射波。从使用室内天线时电视机上的重影能直接感受到反射波的危害。不过接收调频广播时重影的形式是以噗、噗声和嘶、嘶声的形式出现的。当你移动收音机的位置和天线的方向时，时断时续的广播声夹杂着噗、噗声和嘶、嘶声，这就是多径干扰的效果。多径干扰对调频接收的危害最大，又很难消除。因为这种制式本身不具备抗多径的能力。由于危害严重，调频广播不适于移动接收。
在固定接收条件下，多径信号的时延和幅度是固定的，移动天线的位置和转动方向，总能找到多径干扰小的点。但要消除汽车和空中飞机引起的多径干扰，只有用强指向的天线才能奏效。国外 FM 爱好者的经验是架设 4 个 5 单元八木天线阵列，能获得 18 度左右的主瓣，在天线旁瓣的方向设置镶嵌铁氧体的多径信号吸收墙，消弱反射波的强度，可以显著降低多径引起的非线性失真，获得优良的音质。但这种天线造价昂贵，收听广播的成本太高了，只有极少数的烧友才会去做。
自适应横向滤波器是从电路上消除多径干扰的有效武器，过去实验室的试验结果是令人振奋的。在高楼林立的城市里，只用拉杆天线就能获得优良的音质，甚至在移动条件下只要车速不超过 60 公里，也能得到良好的接收效果。这种滤波器由于结构复杂，调谐过程中需要高速处理器实时判决多径信号的幅度和时延，自动切换到最佳的抵消节点，造价比较昂贵，一直未能在消费电子产品实现，铸成了几代广播爱好者的遗憾。
如今软件无线电为解决这一顽症提供了简单廉价的手段，用 C 代码描述的改进型抗多径横向滤波器在时钟频率 700MHz 的 DSP 中能实时检测微秒级的反射信号，自动选择合适的延迟节数和衰减系数，完全抵消多径信号。可惜这个迟到的技术错过了在调频调谐器上应用的机会，你如果淘到了一个优良的调谐器，架一个室外定向天线是抗拒多径干扰和提高音质最简单而有效的办法。
中频放大器是失真之源
中放是调频接收机的核心，灵敏度、信噪比、俘获比、失真度和选择性等指标都直接与中放的性能有关，调频中放是应用新器件和新技术最集中的地方，调谐器上曾经使用的技术如下：
1）超线性固体滤波器：中放中曾用过 LC 中周、石英晶体、多模陶瓷和声表面波四种滤波器。LC 中周是最古老和经典的器件，4～6 个回路组合起来可以把幅频特性设计成巴特沃斯或高斯型。早年为了提高选择性多用巴特沃斯型，由于群时延特性不好，后来在重视音质的机器中流行群时延特性好的高斯型。晶体滤波器具有最好的矩形系数，但群时延特性差。陶瓷滤波器体积小、价格低，早期的产品群时延特性很差，后来的产品有了较大的改进，一跃成为中频滤波器的主流。
缺点是中心频率参差性大，需要选择配对。声表面波滤波器的幅频特性和相频特性可以分别设计，群时延特性可以做得很好，但有旁瓣相应。为了兼顾选择性和失真度，调谐器中一般采用多种滤波器组合使用。例如窄带状态用晶体和陶瓷滤波器优先保证选择性，普通状态用陶瓷滤波器和声表面波滤波器兼顾音质和选择性，宽带状态用 LC 滤波器保证音质和俘获比。
2）频率负反馈和变参数中放：频率负反馈的想法是用减小频偏以缩小调频波边带的分布宽度，频带窄了就可以利用陶瓷滤波器中心频率处群时延特性最平直的一段曲线，使失真最低。而且能使百分之百的边带通过滤波器，做到全频谱传输。降低频偏后高频信噪比会下降，故在滤波器之后再用频率正反馈把频偏恢复到 75KHz。这一技术最早出现在 Onkyo 公司的 T-727 调谐器上，它只采用了 6 分贝的频率负反馈，失真度达到了 0.1%。之后，Kenwood 公司在此基础上发明了无频谱技术，把频偏压缩到几乎为零，这一技术应用在历史上著名的 L-02T 调谐器上，使该机的失真降到了 0.003%。频率负反馈是用改变频偏参数提高线性的，还可以用改变频偏的方法提高信噪比。
因为调频波的信噪比与频偏成正比，用简单的倍频器就可以成倍地提高频偏。频偏每提高一倍，信噪比就增加 6 分贝。如果用 5 倍频，频偏可提高到 375 KHz，信噪比可提高30 分贝。设 75 KHz 频偏时的信噪比是 65 分贝，5 倍频后就是 95 分贝，和 CD 的指标相同。频偏增大后对鉴频器的线性范围要求也增大了，因而倍频倍数不要超过 5 倍。另一个可改变的参数是相对频偏，改变它可提高鉴频灵敏度。它是用二次变频实现的，降低中频频率相对频偏就增大了。宽线性鉴频器的灵敏度往往较低，用这种方法可提高鉴频器的输出幅度。
3）信号变换：改变频偏后的调频中频经过降频和限幅以后就变成了稀疏不等的脉冲，用简单的数字电路就可以变换成脉冲宽度调制（PWM）信号，这与 CD 和数字功放中的一比特量化信号相同，不过调制信号不是音频，而是 MPX 信号。如果采用数字鉴频器，中频信号就要进行这一变换。在软件无线电中，10.7MHz的中频直接进入 ADC 采样后用 DSP 处理，过去中放、鉴频和解码中的新技术都可以用软件算法实现。
鉴频器的关键是线性和带宽
鉴频器是调频接收机中的第二大失真源，从表 2 看出鉴频器对音质的影响高于高频头和解码器。在一台调谐器中，中放和鉴频器共同决定了它的性能，因此受到生产厂商的格外重视。为了在市场上一争高低，在历史上曾经使用过 11 种鉴频器，它们是比例鉴频器、相位鉴频器、移相乘积鉴频器、PLL 鉴频器、相位跟踪鉴频器、脉冲计数鉴频器、延迟线鉴频器、微分鉴频器、PWM 鉴频器、数字参量鉴频器和 DSP 鉴频器。
厂家和设计者大肆渲染自家鉴频器的优点，有的电路被吹捧的天花乱坠。NHK 为了评估这些鉴频器的性能，曾经用 12KHz 的音频以 5～10Hz 的频偏调频，对鉴频器的通频带进行扫描来检查它们的线性，结果发现根本谈不上哪种鉴频器更好，因为无论什么电路形式的鉴频器，只要线性和带宽达到要求，微分增益是一条水平线，就能得到良好的音质。
到底多宽的频带和多好的线性才能满足高传真的要求呢？为了防止温度和偏调误差引起的中频失谐，普通收音机中，鉴频器的线性带宽应高于中频带宽 100KHz，在调谐器中应高于 200KHz.。如果调谐器中设有带宽选择，宽带一般是 400 KHz，窄带一般是 200 KHz，故鉴频器的线性带宽需要达到 600KHz。在 10.7MHz中心频率的模拟电路鉴频器中，比例和相位鉴频器必须用双调谐回路才能达到要求。
也有用跟踪技术产生线性带宽的，例如相位跟踪鉴频器是把调频波变成调相波，在鉴相器中解调出 MPX 信号，鉴相器的参考信号用锁相环再生。由于电路比较复杂，日立公司把它做成了集成电路 HA11211。JVC 公司最青睐这种电路，在他们的中高档调谐器上经常能见到它，如 T7070、JT－V77 等。
在变参量中放电路中情况就比较复杂，要针对所改变的参数具体对待。当频偏被改变后，鉴频器的带宽就要跟着改变，如果频偏变为 150 KHz、225 KHz、300 KHz、375 KHz 后，根据日本副岛末好的计算法，对应的线性带宽是 800KHz、1.2 MHz、1.6 MHz、2MHz。模拟鉴频器电路很难做到 600 KHz 以上的线性带宽，于是改用数字方式实现。最简单的数字方式是把正弦波调频信号变换成宽度调制脉冲，用低通滤波器还原出 MPX 信号，例如脉冲计数鉴频器和 PWM 鉴频器。
这种鉴频器 70 年代初出现在美国 Heathkit 公司的 AJ510 调谐器上，1976 年 Trio 公司学会后，用在自己所有的高档调谐器上。另一种数字处理方法是把调频中频下变频成 2MHz 以下的脉冲，通过两路延迟时间不同的 CMOS 门，用异或门器解调出 MPX 信号。数字鉴频算法在 DSP 中实现非常简单，用正交信号乘法器就可完成，而且不存在线性和带宽问题。现在DAB/FM 调谐器上，鉴频和解码就是在 DSP 中用软件算法实现的。
中放和鉴频器曾经是广播爱好者 DIY 的乐园，有许多构思巧妙、性能优良的经典电路，今天许多爱好者讨论起来仍然津津乐道。
