FM广播是一种使用调频(FM)技术的无线电广播方法。宽带FM由美国工程师埃德温·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)于1933年发明,在世界范围内被用来为广播电台提供高保真的声音。FM广播比AM广播(在正常收听条件下)有更好的音质,AM广播是主要的竞争无线电广播技术,因此大多数音乐广播采用FM广播。理论上,如果接收条件理想,宽带AM可以提供同样好的音质。FM电台使用甚高频频率。术语“FM频带”描述了给定国家中专用于FM广播的频带。
在世界各地,FM广播频带属于无线电频谱的甚高频部分。通常使用87.5至108.0 MHz,[1] 或其某一部分,除了以下几个少数的特例:
FM广播电台的频率(更严格地说是其指定的标称中心频率)通常是100kHz的精确倍数。在韩国、美洲、菲律宾和加勒比海的大部分地区,只使用奇数倍数。在欧洲、格陵兰岛和非洲的一些地方,只使用偶数倍数。在英国,奇数或偶数倍数都会使用。在意大利,使用的则是50kHz的倍数。在大多数国家,规定了最大允许频率误差,未调制载波应在指定频率的2000赫兹以内。[2][3]
在一些国家还有其他不同寻常和过时的FM广播标准,包括1kHz、10kHz、30kHz、74kHz、500kHz和300kHz。然而,为了最小化信道间干扰,即使在技术上允许更近的频率间隔时,从相同或地理上接近的发射机站点运行的站也倾向于保持至少500kHz的频率间隔,距离更远的发射机可以预留更近的调谐频率间隔,因为潜在的干扰信号已经衰减地更小了,因此对相邻频率的影响较小。
FM是一种通过改变载波频率来传递信息的调制形式;更古老的AM则是改变载波的振幅,其频率保持不变。对于
FM,任何时刻与指定载波频率的频率偏差都与输入信号的幅度成正比,从而决定了发射信号的瞬时频率。因为发送的FM信号比AM信号使用更多的带宽,所以这种调制形式通常用于电视、FM广播频带和陆地移动无线电系统使用的较高频率(甚高频或超高频)。载波的最大频率偏差通常由每个国家的许可机构规定和调节。对于立体声广播,最大允许载波偏差总是±75kHz,但在使用SCA系统时,美国允许载波偏差稍高一些。对于单声道广播,最常见的允许最大偏差还是±75kHz。然而,有些国家规定的单声道广播最大允许偏差值较低,如±50kHz。
随机噪声在FM系统中具有三角形频谱分布的特点,其效果是噪声主要出现在基带内的最高音频频率。这可以通过在发射前提高高频并在接收机中将其降低相应的量来在有限的程度上抵消。降低接收器中的高频音频也会降低高频噪声。这些提高和降低特定频率的过程分别称为预加重和去加重。
预加重和去加重的使用量由简单的RC滤波器电路的时间常数来定义。在世界上大多数地方,使用50µs作为时间常数。在美洲和韩国,使用75µs。这适用于单声道和立体声传输。对于立体声,在多路复用之前对左右声道进行预加重。
因为许多形式的当代音乐比FM广播诞生时流行的音乐风格包含更多的高频能量,使得使用预加重成为一个问题。预加重这些高频声音会导致FM载波的过度偏离。调制控制(限制器)设备用于防止这种情况。比FM广播更现代的系统倾向于使用依赖于程序的可变预加重;例如BTSC电视声音系统中的dbx,或者根本没有预加重。
早在考虑FM立体声传输之前,人们就已经试验了其他类型音频电平信息的FM多路复用。[4] 发明FM的埃德温·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)是第一个尝试多路复用的人,他在纽约帝国大厦85层的实验性41MHz站W2XDG进行了试验。
这些FM多路传输始于1934年11月,由主频道音频节目和三个副载波组成:传真节目、传真节目的同步信号和电报“订购”频道。这些原始FM多路复用副载波是调幅的。
两个音乐节目,包括美国国家广播公司无线电网络的红色和蓝色网络节目源,同时使用同一个副载波调制系统作为演播室至发射机链接系统的一部分进行传输。1935年4月,AM副载波被FM副载波取代,结果有了很大改善。
新泽西州阿尔卑斯山的Major Armstrong实验站KE2XCC在1948年进行了第一个FM副载波的传输。这些传输包括双通道音频节目,双耳音频节目和传真节目。KE2XCC使用的原始副载波频率为27.5kHz。中频带宽是±5kHz,因为当时的唯一目标是中继AM无线电质量的音频。该传输系统特别使用了75微秒音频预加重,这是一项技术创新,成为最初FM立体声多路复用标准的一部分。
在20世纪50年代末,联邦通信委员会(FCC)考虑了几种给FM收音机增加立体声的系统。包括来自14个支持者的系统,这些支持者包括Crosby、Halstead、Electrical and Musical Industries、Ltd(EMI)、Zenith和General Electric。在宾夕法尼亚州Uniontown的现场测试中,使用匹兹堡的KDKA-FM作为始发站,对各个系统的优缺点进行了评估。Crosby系统被FCC拒绝,因为它与使用包括41和67kHz在内的各种副载波频率的现有辅助通信授权(SCA)服务不兼容。许多收入匮乏的FM电台使用SCA进行“商业音乐广播”和其他非广播目的。Halstead系统因缺乏高频立体声分离和主通道信噪比降低而遭到拒绝。GE和Zenith系统非常相似,理论上被认为是完全相同的,于1961年4月被联邦通信委员会正式批准为美国的标准立体声FM广播方法,后来被大多数其他国家采用。[5][6] 立体声广播必须与单声道接收机兼容。因此,左(L)和右(R)通道用代数编码成和(L+R)和差(L-R)信号。单声道接收器将仅使用L+R信号,因此听众将通过单个扬声器听到两个声道。立体声接收机将差值信号加到和信号上以恢复左声道,并将差值信号从和中减去以恢复右声道。
(L+R)主通道信号作为基带音频传输,其频率限制在30Hz到15kHz之间。(L−R)信号振幅调制到一个38kHz的双边带抑制载波(DSB-SC)信号上,占用23至53kHz的基带范围。还产生一个19kHz±2Hz导频音[7] ,正好是38kHz副载波频率的一半,并且具有精确的相位关系,如下式所定义。该信号以总调制电平的8–10%传输,由接收器用来识别立体声传输,并以正确的相位再生38kHz副载波。来自立体声发生器的最终多路复用信号包含主通道(L + R)、导频音和子通道(L-R)。该复合信号与任何其他副载波一起调制FM发射机。
立体声音频和导频音(10%调制)导致的发射机载波频率的瞬时偏差为
其中,A和B是预加重的左和右音频信号, 是导频音的频率。在存在其他副载波的情况下或由于本地规定的原因,峰值偏差可能会有轻微变化。
观察所得信号的另一种方式是,它在38kHz左右交替,相位由19kHz导频信号决定。[10] 大多数立体声编码器使用这种开关技术来产生38kHz的副载波,但是实际的编码器设计需要结合电路来处理开关谐波。由立体声接收机中内置的解码器将多路复用信号转换回左、右音频信号。同样,解码器可以使用开关技术来恢复左声道和右声道。
此外,对于接收机的给定射频电平,立体声信号的信噪比和多径失真将比单声道接收机更严重。[11] 由于这个原因,许多立体声FM接收机有一个立体声/单声道开关,当接收条件不理想时,可以用单声道收听,大多数车载收音机被设置为当信噪比恶化时减少分离,最终变为单声道,同时仍然指示正在接收立体声信号。如同单声道传输一样,通常的做法是在编码前对左右声道进行预加重,在解码后对接收机进行去加重。
在美国,大约从2010年开始,有人提出使用单边带副载波实现立体声。[12][13] 理论上讲,它更节能,接收器噪音更小。全国有几家广播电台正以这种方式播放立体声。它可能与非常旧的接收机不兼容,但据称大多数较新的接收机无法区分。
1969年,路易斯·多伦(Louis Dorren)发明了单站、分立、兼容四频道FM广播的Quadraplex系统。Quadraplex系统中有两个额外的副载波,补充了标准立体声FM中使用的单个子载波。基带布局如下:
正常的立体声信号可以认为是在38kHz左右声道之间切换的,但有适当的频带限制。四声道信号可以认为是在76kHz 的LF、LR、RF、RR之间循环。[14]
早期传输离散四声道音乐需要使用两个FM电台;一个传输前声道,另一个传输后声道。1970年,旧金山的KIOI (K-101)在联邦通信委员会的特别临时授权下,使用Quadraplex系统成功地从一个FM电台传输了真正的四声道声音,这是一个突破。在这个实验之后,提出了一个长期的测试周期,允许美国前25个无线电市场中的每一个市场都有一个FM电台在Quadraplex进行传输。测试结果有望向联邦通信委员会证明,该系统与现有的双通道立体声传输和接收兼容,并且不会干扰相邻的电台。
GE、Zenith、RCA、和 Denon提交了该系统的多种变体,供联邦通信委员会国家四声道无线电委员会现场试验期间测试和考虑。最初的多伦四声道FM广播系统(Dorren Quadraplex System)超越所有其他系统,被选为美国四声道FM广播的国家标准。在总工程师布莱恩·杰弗里·布朗(Brian Jeffrey Brown)的指导下,密歇根州安阿伯/盐水市的WIQB(现称WWWW-FM台)是首个广播四声道节目内容的商业FM台。[15]
在20世纪70年代和80年代,人们进行了各种尝试,在FM广播中加入模拟降噪:
杜比FM是20世纪70年代末在一些国家与FM收音机一起使用的一种商业上不成功的降噪系统,它与杜比B相似[16] ,但使用了经过修改的25 µs预加重时间常数和频率选择性压扩装置来降低噪声。预加重变化补偿了多余的高音响应,否则会使没有杜比解码器的人难以收听。
IRT于1979年7月至1981年12月在德国测试了一种类似的系统,名为High Com FM。它基于Telefunken High Com宽带压缩扩展器系统,但从未在FM广播中商业应用。[17]
另一个系统是20世纪80年代在美国一些广播电台实施的基于CX的降噪系统FMX。
FM广播自成立以来就包括了辅助通信授权(SCA)服务能力,因为它被视为授权商可以用来创造额外收入的另一项服务。[18] SCA的使用在美国特别受欢迎,但在其他地方就不那么受欢迎了。这些副载波的用途包括盲人无线电阅读服务(这种服务已经变得普遍并至今仍是),[19] 私人数据传输服务(例如向股票经纪人发送股票市场信息或向商店发送被盗信用卡号码黑名单)、商店订阅商业免费背景音乐服务、寻呼(“bp机”)服务、非母语编程以及为AM/FM电台的AM发射机提供节目馈送。SCA副载波通常为67kHz和92kHz。最初,SCA服务的用户是可以在内部使用或租赁的私有模拟音频通道,例如Muzak类型的服务。人们进行了四声道声音的实验。如果一个电台没有立体声广播,则23kHz以上的任何频段都可以用于其他服务。必须保证19kHz(±4kHz)左右的保护频带,以免触发接收机上的立体声解码器。如果有立体声,则在DSBSC立体声信号的上限(53kHz)和任何其他副载波的下限之间通常会有一个保护频带。
现在也有数字服务。57kHz的副载波(锁相到立体声导频音的三次谐波)用于传输低带宽数字无线电数据系统信号,提供额外的功能,例如电台名称、替代频率(AF)、商用全球定位系统接收机[20] 的交通数据和无线电文本(RT)。该窄带信号仅以每秒1,187.5比特的速度运行,因此仅适用于文本。一些专有系统用于私人通信。无线电数据系统(RDS)的一个变体是北美RBDS或“智能无线电”系统。在德国,在RDS之前使用模拟ARI系统来提醒驾车者正在广播交通公告(而不打扰其他听众)。计划将ARI用于其他欧洲国家使得RDS发展成为了一个更强大的系统。尽管使用相同的子载波频率,RDS仍然设计成能够与ARI一起使用。
在美国和加拿大,数字无线电服务正在FM波段内部署,而不是使用Eureka147或日本标准ISDB。与所有数字无线电技术一样,这种带内同频道方法利用了先进的压缩音频。专有的iBiquity系统,标称为“高清无线电”,目前被授权为“混合”模式操作,其中包括传统的模拟FM载波和数字边带副载波的传输。最终,假设高清无线电接收机得到广泛部署,模拟服务理论上可能会中断,FM波段将全部数字化。
甚高频无线电波不会传播到视野之外很远的地方,因此FM电台的接收距离通常限制在30-40英里(50-65公里)。它们也可能被山丘或建筑物阻挡。
刀口效应可以允许电磁波在广播公司和接收机之间没有直接视线的地方进行接收。接收距离因位置不同而差别巨大。一个例子是Učka山脉,尽管距离超过200公里,但它使克罗地亚里耶卡的大部分地区能够不断接收来自Veneto 和 Marche的意大利信号。其他无线电传播效应,如对流层管道和散射E,偶尔会允许远距离电台间歇接收,但不能用于商业广播目的。
这仍然小于AM无线电波的范围,因为AM无线电波的频率较低,可以作为地波传播或从电离层反射出去,所以可以在数百英里(有时数千英里)范围内接收AM无线电台。这是载波典型频率(和功率)的特性,而不是调制模式。
FM传输的范围与发射机的射频功率、天线增益和天线高度有关。在某些地方,来自其他电台的干扰也是一个因素。在美国,FCC发布的曲线有助于计算作为接收位置信号强度函数的最大距离。在世界各地,计算机建模更是常用于此。
许多FM电台,尤其是那些位于严重多径区域的FM电台,使用额外的音频压缩/处理来保持基本声音高于听众的背景噪声,有时会以整体感知声音质量为代价。然而,在这种情况下,这种技术在增加电台的有用范围方面往往出人意料地有效。
FM广播始于20世纪30年代末,当时由少数早期的先锋电台发起,包括W8HK,位于纽约布法罗(现在的WTSS);W1XJ/WGTR和W1XTG/WSRS,均从马萨诸塞州帕克斯顿(现列为马萨诸塞州伍斯特)发送;康涅狄格州梅里登市W1XL/W1Xpw/WDRC-FM台(现为WHCN);新泽西州阿尔卑斯山的W2XMN/KE2XCC/WFMN(埃德温·阿姆斯特朗本人所有,1954年阿姆斯特朗去世后关闭);纽约,W2Xqr/WQXQ/WQXR-FM;田纳西州纳什维尔W47nv(1951年签署);W1XER/W39B/WMNE,其工作室位于波士顿,但其发射机位于美国东北部最高的山峰,新罕布什尔州华盛顿山(1948年关闭);威斯康星州密尔沃基W9XAO(后来的WTMJ-FM,1950年停播,1959年以另一频率返回)。同样值得注意的是通用电气公司的W2XDA Schenectady和W2XOY纽约新苏格兰站——两个48.5MHz的实验FM发射机——于1939年签约。1940年11月20日,这两个电台使用W2XOY呼号合并成一个电台,几年后该电台接收WGFM呼号,当FM波段重新定位到无线电频谱的88-108MHz部分时,该电台移动到99.5MHz。通用电气公司在20世纪80年代卖掉了这个电台,今天这个电台被称为WRVE。
WEFM (在芝加哥地区)和WGFM(在纽约斯克内克塔迪)被认为是第一个立体声电台。[21]
第一个商业FM广播电台在美国,但最初它们主要用于联播与它们同类型的的AM姐妹电台,为商店和办公室播放丰富的管弦乐,向城市地区的高端听众播放古典音乐,或用于教育节目。[22] 到了20世纪60年代末,FM已经被用于立体声广播“A.O.R.——面向专辑的摇滚”格式,但直到1978年,FM电台的听众人数才超过北美AM电台。在20世纪80年代和90年代,前40家音乐电台,甚至后来的乡村音乐电台,大部分都放弃AM,转而使用FM。今天AM主要是谈话广播、新闻、体育、宗教节目、少数民族(少数民族语言)广播和一些少数民族感兴趣的音乐的保留地。这种转变把AM变成了FM曾经的“替代频带”。(一些AM电台已经开始联播或切换到FM信号,以吸引年轻听众,并帮助解决建筑物、雷暴期间和高压线附近的接收问题。其中一些电台现在强调他们在FM拨号上的存在。)
在西欧,中波带(由于大多数使用幅度调制的电台称为AM带)过于拥挤,导致干扰问题,因此,许多中波(MW)频率仅适用于语音广播。
比利时、荷兰、丹麦,特别是德国是最早大规模采用FM广播的国家之一。原因如下:
爱尔兰和澳大利亚的公共服务广播公司采用FM广播比北美或欧洲大陆慢得多。
英国
在英国,英国广播公司于1955年开始FM广播,有三个国家网络: Light Programme、Third Programme和Home Service。这三个网络使用88.0–94.6 MHz的子频带。子频带94.6–97.6MHz后来用于英国广播公司和当地商业服务。
然而,直到1973年商业广播引入英国,FM广播才在英国普及。1980年至1995年期间,随着其他用户(特别是警察、消防和救护车等公共服务)的逐渐许可以及FM波段扩展到108.0MHz,FM在整个不列颠群岛迅速扩展,并有效地取代了长波和中波,成为固定和便携式家用和车载接收机的首选传送平台。此外,英国Ofcom(以前的无线电管理局)在FM和AM(中波)上发布按需受限服务许可证,用于短期本地覆盖广播,该许可证对任何没有禁令的人开放,并且可以收取适当的许可证和使用费。2010年,发放了大约450份此类许可证。
当英国广播公司的无线电网络在1967年分别更名为第二、第三和第四电台以配合第一电台的推出时,新电台是四个主要电台中唯一一个没有分配FM频率的电台,这种情况持续了21年。相反,第一电台在周六下午、周日晚上、工作日晚上(晚上10点到午夜)和银行假日与第二FM电台共享广播时间。最终在1987年,当警察中继发射器从100 MHz频率移开时,给新电台分配了97.6-99.8 MHz的频率范围,从伦敦开始,然后在1989年全面完成。[23]
意大利
意大利在20世纪70年代早期广泛采用FM广播,但意大利广播电视公司(RAI)进行的第一次试验可追溯到1950年,[24] 当时由所谓的“海盗”发起的“自由无线电运动”和“广播发射机等自由无线电媒体”的使用迫使人们承认言论自由权,并将此案提交意大利宪法法院。法院最终决定支持自由电台。就在法院做出最终裁决的几周之后,全国各地的小型私营广播电台出现了“FM广播热潮”。到20世纪70年代中期,意大利的每个城市都有拥挤的FM无线电频谱。
希腊
希腊是另一个欧洲国家,在20世纪70年代中期,在任何国家电台开始使用它之前,FM无线电频谱首先被所谓的“海盗”(雅典和塞萨洛尼基,希腊的两个主要城市)使用;有许多AM电台因此出现。在1977年底之前,国家公共服务广播公司EIRT(后来也被称为ERT)在首都雅典投入使用其第一台FM发射机。到20世纪70年代末,希腊大部分领土被三个国家FM节目覆盖,每个城市都有许多FM“海盗”。私营商业电台FM波段的改编要晚得多,是在1987年。
FM广播于1947年开始在澳大利亚首都城市进行“试验性”广播,使用主要由古典音乐和议会组成的澳大利亚广播公司(ABC)国家网络作为节目来源。它的观众非常少,并于1961年被关闭,表面上是为了清理电视频带:电视频道5 (102.250视频载波)如果被分配,将属于甚高频FM频带(98-108MHz)。当时官方对FM的政策是最终在另一个频带推出它,这将需要为澳大利亚定制FM调谐器。这一政策最终被推翻,1975年,在少数几个占用的电视台搬迁后,FM广播使用甚高频波段重新开放。随后,由于其卓越的音质和较低的运营成本,它一直稳步发展,直到20世纪80年代,许多AM电台都转移到FM电台。今天,和发达国家的其他地方一样,大多数澳大利亚城市广播都是FM的,尽管AM广播仍然非常受欢迎。由于广播方法提供了额外的范围,地区广播公司仍然普遍经营AM电台。主要区域中心的一些电台在AM和FM波段联播。使用DAB+标准的数字收音机已经在首都推出。
像澳大利亚一样,新西兰采用FM格式相对较晚。就像20世纪60年代末私人拥有的AM广播一样,自20世纪70年代中期开始,经过至少五年的消费者运动,特别是在奥克兰,许多“盗版”广播公司才说服了一个以控制为导向、反对技术的政府允许FM广播的引入。1982年初,在Whakatane广播了一个试验性FM电台,FM90.7。那年晚些时候,惠灵顿维多利亚大学的活跃电台开始全天FM广播。商业FM执照终于在1983年获得批准,总部位于奥克兰的91FM和89FM是第一批接受这一提议的公司。[1]。广播在1989年解除管制。
特立尼达和多巴哥的第一个FM广播电台是95.1FM,现更名为951Remix,由TBC广播网于1976年3月推出。
在土耳其,FM广播始于20世纪60年代末,从AM频率(在土耳其也称为中波)转移过来的ONE电视网播放了几个节目。在随后的几年里,越来越多的中波电台被慢慢转移到FM,到20世纪70年代末,大多数以前在中波的广播电台已经转移到FM台,尽管有许多谈话、新闻和体育节目,但主要是宗教节目,仍然保留在中波台。
大多数其他国家在20世纪60年代实施FM广播,并在20世纪90年代扩大了FM广播的使用。因为覆盖一个地理上很大的国家需要大量的FM发射台,特别是在有地形困难的地方,FM比国家网络更适合本地广播。在这些国家,特别是存在经济或基础设施问题的国家,“推出”一个覆盖大多数人口的国家FM广播网络可能是一个缓慢而昂贵的过程。尽管如此,大多数东欧国家还是在20世纪60年代末和70年代建立了国家FM广播网络。在除东德以外的所有苏联依赖国,都使用OIRT波段。最初限制在68-73MHz,信道间隔为100kHz,然后在20世纪70年代,最终扩展到65.84-74.00MHz,信道间隔为30kHz。[25]
FM可用频率由国际电联的一些重要会议决定。这些会议的里程碑是38个国家1961年的斯德哥尔摩协定。[26] 1984年在日内瓦举行的一次会议对最初的斯德哥尔摩协议做了一些修改,特别是在100MHz以上的频率范围内。
在一些国家,可以使用小型(美国术语第15部分)发射机,将信号从音频设备(通常是MP3播放器或类似设备)传
输到标准FM收音机;这种设备从用于传送音频的小型设备到没有音频输入功能的车载收音机(通常以前由盒式音频卡带的专用适配器提供,这在车载收音机设计中变得越来越不常见),再到可用于在整个物业中传输音频的全尺寸、接近专业水平的广播系统。大多数这样的设备都是全立体声传输的,尽管一些为初学者设计的型号可能不是。卫星无线电接收机和一些玩具中经常包含类似的发射器。这些装置的合法性因国家而异。美国联邦通信委员会和加拿大工业部允许他们这样做。从2006年10月1日开始,这些装置在欧洲联盟的大多数国家成为合法装置。2006年12月8日,符合欧洲统一规范的设备在英国成为合法设备。[27]
FM广播频带也被一些廉价的无线话筒用作卡拉ok或类似用途的玩具,允许用户使用FM收音机作为输出,而不是专用放大器和扬声器。专业级无线话筒通常使用UHF区域的频段,因此它们可以在专用设备上运行,而不会受到广播干扰。
一些无线耳机在FM广播频带中传输,耳机仅可调谐到广播频带的一个子集。高质量无线耳机使用红外传输或超高频ISM频段,如315MHz、863MHz、915MHz或2.4GHz,而不是FM广播频段。
像上面提到的那些低功率发射机有时也用于社区或校园无线电台,尽管校园无线电台经常在载波电流上运行。这通常被认为是微型广播的一种形式。一般来说,[vague] 由于捕获效应等问题,对低功率FM电台的执行比AM电台更严格,因此FM微型广播电台通常无法达到其AM竞争对手的水平。
FM发射机已被用于制造微型无线麦克风,用于间谍和监视目的(秘密监听设备或所谓的“窃听器”);使用FM广播波段进行这种操作的优点是接收设备不会被认为特别可疑。通常的做法是将窃听器的发射机从广播频带的末端调谐到美国的电视频道6 (<87.9MHz)或航空导航频率(> 107.9 MHz);大多数带模拟调谐器的FM收音机有足够的覆盖能力来接收这些稍微超出最外面的频率,尽管许多数字调谐收音机没有。
对于电子爱好者来说,构建一个窃听器是一个常见的早期项目,用于此项目的装备可以从各种来源获得。然而,所制造的装置通常太大,屏蔽不好,无法用于秘密活动。
此外,许多海盗电台的活动都是在FM范围内播放,因为该频段的清晰度和收听率更高,规模更小,设备成本更低。
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