無線電接收機

無線電接收機（radio receiver，亦稱receiver、無線電收信機）是一種電子裝置，用於接收無線電波並將其所承載的資訊轉換為可用的形式。它必須與天線配合使用。天線的作用是攔截無線電波（即無線電頻率的電磁波），並將其轉換為微弱的交流電流，再傳送至接收機。接收機則負責從中擷取所需資訊：透過電子濾波器分離出目標的無線電頻率信號，同時排除天線所接收的其他干擾信號；接著利用電子放大器增強信號功率，以便後續處理；最後經由解調，將原始資訊還原出來。

無線電接收機是所有基於無線電技術的系統中不可或缺的核心元件。其輸出的資訊形式多樣，可能為聲音、影像（如電視訊號），或數位訊號。接收機既可以是獨立的電子設備，也可能作為電路模組嵌入於其他裝置。對一般大眾而言，最熟悉的類型為廣播收音機，能將電台傳送的聲音訊號重現。由於廣播收音機是歷史上第一個面向大眾市場的無線電應用，因此「收音機」一詞常被用作無線電接收機的代稱。

隨著技術發展，無線電接收機的應用早已不限於廣播。現代生活中，它廣泛應用於電視、行動電話、行動寬頻數據機、無線電時鐘，以及各類通訊、遙控與無線網路系統。部分新型接收機支援數位音訊介面S/PDIF，甚至能輸出至七個聲道喇叭加一個重低音聲道（7.1聲道），並通常設有耳機插孔以供個人使用。支援立體聲或環繞聲的接收機在市場上價格差異顯著：在美國，高品質機種可能低於200美元即可購得；而在中國，由於市場競爭激烈，部分廠商甚至推出不到10美元的低價機型，具備內建數位解碼與雙聲道輸出，並以AAA電池供電。由於接收機屬於純電子設備，不含唱盤、卡帶機等機械結構，因此通常能長時間穩定運作。

## 原理

無線電接收器需連接天線使用。天線會將傳入無線電波的部分能量轉換為微小的射頻交流電壓，並施加至接收器的輸入端。天線通常由一組金屬導體構成，無線電波的振盪電場與磁場會推動天線內的電子來回運動，從而產生振盪電壓。

天線的形式多樣，可以封裝於接收器外殼內，例如調幅（AM）收音機使用的鐵氧體磁環天線，以及手機所採用的扁平倒F型天線；也可以外接於接收器，例如調頻（FM）收音機使用的鞭狀天線；或是獨立安裝，並透過電纜與接收器連接，如屋頂電視天線與衛星天線。

實際運作的無線電接收器，主要針對來自天線的訊號執行三個基本功能：濾波、放大與解調。

### 接收

無線電波的電信訊號強度會隨著與發射機的距離增加而衰減，因此接收範圍受限於發射機功率、接收器靈敏度、大氣與內部雜訊，以及地理障礙物（如山丘）等因素。AM廣播波段的無線電波以地波形式傳播，能沿著地球表面傳送，使得數百英里外的AM廣播電台仍可穩定接收。相較之下，FM波段的無線電訊號因頻率較高，僅能傳播至視距範圍內，通常限制在約40英里（64公里），且容易受到山丘或障礙物阻擋。不過，FM廣播的優勢在於較不易受到無線電雜訊（如無線電雜訊、地磁擾動、無線電大氣訊號）的影響，並具備更高保真度、更佳的頻率響應，以及較低的音訊失真。因此，在仍保有AM廣播的國家，嚴肅音樂多由FM電台播放，而AM電台則多以新聞廣播、脫口秀電台及體育廣播為主。與FM類似，DAB（數位音訊廣播）訊號同樣透過視線傳播，因此接收範圍也受限於視距，大約為30–40英里（48–64公里）。

### 帶通濾波

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空氣中同時存在來自不同發射器的無線電波，且可同時被天線接收。由於各無線電波頻率不同，因此接收器可利用頻率差異加以分離。為了擷取所需的無線電訊號，接收器會使用帶通濾波器，只允許目標傳輸頻率的訊號通過，並阻擋所有其他頻率的訊號。

帶通濾波器通常由一個或多個調諧電路組成，這些電路連接在天線輸入端與接地之間。當輸入訊號的頻率等於諧振頻率時，電路呈現高阻抗，使所需的電台訊號能通過並送至後級；而在其他頻率下，電路呈現低阻抗，將這些不需要的訊號導向地面排除。

#### 頻寬與選擇性

無線電訊號所攜帶的資訊並非集中在單一頻率上，而是分布於載波頻率（C）兩側的窄頻帶中，稱為邊帶（SB）。因此，濾波器必須允許一整個頻帶通過，而非僅僅一個頻率。接收器所能接收的頻帶稱為通帶（PB），其寬度（以千赫為單位）稱為頻寬（BW）。濾波器的頻寬需要足夠寬，以確保邊帶訊號能完整通過而不失真；但也必須足夠窄，以避免相鄰頻率（如圖中的S2）上的干擾訊號進入。接收器能有效抑制接近目標頻率的干擾電台的能力稱為選擇性，這是接收器的重要性能指標，由濾波器特性所決定。現代接收器常使用石英晶體、陶瓷諧振器或表面聲波濾波器，取代傳統的電感–電容調諧電路，因其具備更佳的選擇性與濾波效果。

#### 調諧

帶通濾波器能夠從天線接收到的所有無線電信號S2、S3……中，篩選出特定的目標信號S1。圖表自上而下依次顯示：加在濾波器輸入端Vin 的天線電壓、濾波器的傳遞函數T，以及濾波器輸出端Vout 的電壓隨頻率f的變化。傳遞函數T表示在不同頻率下信號通過濾波器的程度。$V_\text{out}(f) = \text{T}(f) V_\text{in}(f)$

為了接收特定電台，必須將收音機調諧至目標發射機的頻率。收音機上通常設有刻度盤或數位顯示，用以顯示所調諧的頻率。調諧的實質作用是調整接收器通帶的中心頻率，使之與欲接收的無線電發射器頻率一致。當調諧旋鈕被轉動時，會改變調諧電路的諧振頻率；當其與電台的載波頻率相符時，電路便會產生共振，使訊號順利傳送到接收器後續處理電路。

### 放大

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接收天線所拾取的無線電波功率，會隨著與發射天線距離的平方而急遽減弱。即使廣播電台使用大功率發射機，若接收器距離發射端超過數英里，其天線所能截獲的功率依然極為微弱，往往低至皮瓦（pW）甚至飛瓦（fW）等級。為了使訊號足以被處理，接收器需使用放大器電路，藉由電池或市電供應的能量，將訊號的振幅（電壓或電流）放大。在大多數現代接收器中，實際負責放大功能的電子元件為電晶體。

接收器通常具有多級放大。首先，來自帶通濾波器的無線電訊號會被放大，使其功率足以驅動解調器；接著，解調器輸出的音訊訊號再經進一步放大，使其功率能推動耳機或揚聲器，轉換為可感知的聲音。接收器的放大能力以一個稱為靈敏度的參數衡量。靈敏度定義為：天線端所需的最小訊號強度（以微伏特為單位），足以清晰接收並維持一定的訊噪比。由於訊號在技術上幾乎可以被放大到任意所需的程度，現代接收器靈敏度的實際限制，多半不是放大能力不足，而是源自電路中存在的隨機電子雜訊。這些雜訊可能掩蓋微弱的無線電訊號，使其難以辨識。

### 解調

當無線電訊號經過濾波與放大後，接收器必須將調變後的射頻（RF）載波中的資訊提取出來，這一過程稱為解調（demodulation）。負責解調的電路稱為解調器（或檢波器），不同調變方式需要不同類型的解調器。

- 接收AM（調幅）訊號的接收器，使用AM解調器。
- 接收FM（調頻）訊號的接收器，使用FM解調器。
- 接收FSK（頻率偏移調變）的接收器，使用FSK解調器。

其他調變方式則需對應的特殊解調電路。

解調器的輸出為調變訊號，通常會再經過放大，以提高訊號強度，並透過不同形式的換能器轉換成人類可用的資訊：

音訊訊號（如廣播電台的聲音）會透過耳機或揚聲器轉換為聲波。

視訊訊號（如電視的影像）會透過顯示器轉換為光訊號。

數位資料（如無線數據機傳輸的資訊）則會送入電腦或微處理器，進一步與使用者互動。

#### AM解調

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在各類解調方式中，AM解調是最容易理解的一種，也是AM收音機用來還原音訊調變訊號的核心技術。該音訊訊號代表聲音，最後會由收音機的揚聲器轉換為聲波。

AM解調通常透過一種稱為包絡檢波器的電路實現。其基本構成包括一個二極體D與輸出端的旁路電容C（見電路圖）。

原始訊號（A）：來自調諧電路的AM訊號是一個高速振盪的射頻載波，其波幅隨音訊而變化。這些波幅的緩慢變化即包含了聲音訊號。然而，若將此訊號直接送入揚聲器，由于波形在軸的正負兩側平均為零，揚聲器振膜將不會產生淨運動，因而無法發聲。

二極體整流（B）：當訊號作為輸入VI加至檢波器時，二極體D只允許電流在單一方向通過，並阻擋反向電流，等於將交流訊號整流為單向脈衝直流。經過整流後，加在負載RL上的電壓VO不再平均為零，其峰值大小與音訊訊號的瞬時振幅成正比。

電容濾波（C）：旁路電容C會被二極體導通時的脈衝電流充電，其電壓隨著脈衝峰值變化，等於追隨音訊波形的包絡線。電容同時具備低通濾波的效果，能消除高頻的載波脈衝，僅留下低頻的音訊訊號，並輸出至負載RL。

最終，該音訊訊號會再經過放大，並驅動耳機或揚聲器，使人能聽到廣播的聲音。

### 自動增益控制（AGC）

接收機天線所接收到的無線電訊號強度，會因發射機的距離、發射功率，以及無線電傳播路徑上的環境條件而有顯著差異，強度變化甚至可能橫跨數個數量級。由於無線電波在傳播過程中會受到多重路徑干擾等因素影響，來自同一發射機的訊號強度也會隨時間起伏，這種現象稱為衰落。

在調幅（AM）接收機中，檢波器輸出的音訊訊號振幅與無線電訊號的強度成正比，因此訊號衰落會直接反映為音量的變化。此外，當接收機在強台與弱台之間切換調諧時，揚聲器輸出的音量也會有明顯差異。如果沒有一個自動化的調整系統，AM 接收機就必須頻繁依靠使用者手動調整音量控制。

對於其他調變方式（如FM或FSK），調變振幅雖不會隨著無線電訊號強度而改變，但所有解調器都需要輸入訊號落在一定的幅度範圍內才能正常運作。若輸入幅度過低，解調器會產生明顯雜訊；若幅度過高，則可能導致放大器級過載（飽和），進而造成訊號失真或削波。

因此，幾乎所有現代接收機都會設置自動增益控制（AGC）系統。這是一種回授控制機制，會監控檢波器端無線電訊號的平均電平，並根據此電平調整放大器的增益，以確保解調器接收到的訊號保持在最佳範圍內。AGC的作用可以與人眼的暗適應機制相比：當人進入昏暗環境時，瞳孔會擴張，以增加進入眼睛的光線，相當於提升「增益」。

最簡單的AGC系統由兩部分構成：

- 整流器——將射頻訊號轉換為隨訊號強度變化的直流電平。
- 低通濾波器——對直流電平進行平滑處理，獲得一個穩定的平均控制電壓。

此平均電壓會回授至前級放大器，用以控制其增益。在超外差接收機中，AGC通常施加於中頻放大器，有些設計甚至會設置第二組AGC迴路，以調整射頻放大器的增益，防止其在強信號下過載。

在部分接收機架構中（例如現代數位接收機），還需處理另一個相關問題——訊號直流偏移。這通常也能透過類似的回授系統進行校正。

## 設計

### 調諧射頻設計

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在最簡單的無線電接收機設計中，稱為調諧射頻（TRF）接收機，接收過程依序包含以下幾個步驟：

濾波 —— 從天線接收的混合無線電訊號中，透過帶通濾波器選出所需電台的訊號。

放大 —— 經由射頻放大器將訊號強度提升到足以驅動解調器的水平。

解調 —— 解調器從已調變的載波中還原出調變訊號。在廣播應用中，這通常是對應聲波的音訊訊號。

音訊放大與輸出 —— 將解調後的音訊訊號進一步放大，輸出至揚聲器或耳機，轉換為聲音。

TRF接收機設計雖簡單，但在實際應用上有多項限制，因此僅見於少數場合。其缺點主要源於它需在高頻下直接進行濾波、放大與解調。

頻寬隨頻率變化：濾波器的頻寬會隨中心頻率提高而增大，因此當TRF接收機調諧到不同頻率時，濾波器的頻寬也會改變，導致選台效果不一致。

頻譜擁擠問題：隨著無線電頻譜越來越擁擠，頻道間隔變得極小。要在高頻下設計出能分離這些緊鄰頻道的窄頻寬濾波器，技術上極為困難。

需要多級調諧：為了獲得足夠的選擇性，TRF接收機往往必須使用多個級聯調諧濾波器，且這些濾波器必須同時調諧，非常不便。

正因如此，TRF接收機逐漸被超外差接收機所取代，後者在大多數現代無線電應用中成為主流架構。

### 超外差設計

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超外差接收機由埃德溫·霍華德·阿姆斯特朗於1918年發明，除了少數特殊應用外，幾乎所有現代無線電接收機都採用這種架構。

在超外差接收機中，來自天線的射頻訊號在進入後續處理之前，會先被轉換至一個較低且固定的中頻（IF）。這個轉換過程是透過混頻完成的：射頻訊號與接收機內部的本地振盪器（LO）所產生的未調變訊號相互混合，經由一個稱為混頻器的非線性電路，產生兩個新頻率——分別為兩者頻率的外差。外差即為所需的中頻訊號。這一過程類似於兩個不同頻率的音符同時演奏時，會產生一個拍頻。中頻訊號仍保留原始射頻訊號的調變邊帶，用於承載資訊。接著，中頻訊號會通過濾波器與放大器，最後送至檢波器解調，恢復出原始調變訊號。

超外差設計的最大優勢在於易於調諧。接收不同頻率的電台，只需改變本地振盪器的頻率即可；混頻器之後的所有電路都固定在同一中頻下工作，因此中頻濾波器無需隨頻率改變而調整。這使得現代接收機能利用高精度的石英晶體、陶瓷諧振器或高Q值的表面聲波（SAW）濾波器，在固定中頻下實現極佳的選擇性。

在接收機前端，射頻濾波器的作用是抑制鏡像頻率干擾。若沒有這個濾波器，接收機可能同時對兩個不同的射頻頻率產生響應，其中一個雖非目標訊號，卻可能與所需訊號一同進入混頻器，造成干擾。由於鏡像頻率通常與所需訊號相差較遠，因此只需一個可調式射頻濾波器即可提供足夠的抑制。同時，射頻濾波器還能限制進入射頻放大器的頻寬，避免強大的帶外訊號導致過載。中頻放大器則由多級精確調諧濾波器組成，專門用於抑制與目標頻率相近的干擾訊號。由於中頻固定，這些濾波器不需隨頻率改變而重新調諧，簡化了設計。

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為了獲得更好的鏡像抑制與頻率選擇性，許多現代超外差接收機會採用雙變頻設計（dual conversion）。在此架構中，輸入射頻訊號首先在第一個混頻器中被轉換為較高的第一中頻，以便更有效地濾除鏡像；隨後，該訊號再經第二個混頻器轉換為較低的第二中頻，便於使用帶通濾波器獲得良好的頻寬控制。有些高性能接收機甚至採用三變頻（triple conversion），以進一步提升性能。

雖然超外差架構增加了額外的電路選通級（stage），但其優勢顯而易見。與TRF接收機相比，超外差設計能提供更高的選擇性，並將大部分增益分布於較低頻率的放大器中，只有前端需要在最高頻率下工作，這使設計更容易控制。同時，因調諧過程僅需本地振盪器與前端射頻濾波器進行同步追蹤，相較於多級TRF設計大幅簡化。此外，總放大功率被分配至射頻放大器、中頻放大器與音訊放大器三個不同頻段，減少了多級放大器在同一頻率下工作時可能出現的回授與雜散振盪問題。

最關鍵的優勢在於：在較低的中頻下進行濾波，可以大幅提升選擇性。接收機的重要參數之一是頻寬，即能接收的頻帶範圍。為了有效抑制鄰近電台或雜訊，頻寬必須足夠窄。然而，幾乎所有濾波技術的特性都是——頻寬隨中心頻率增加而擴大。因此，若直接在高射頻下濾波，難以實現窄頻寬；而透過將訊號轉換至較低中頻後進行濾波，便能輕鬆達成更窄的頻寬要求。若沒有超外差設計，現代的調頻廣播、電視、行動通訊以及其他需要窄頻道的應用都難以實現。

## 歷史

無線電波最初由德國物理學家海因里希·赫茲在1887年的一系列實驗中發現，旨在證明詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁理論。赫茲使用火花激發偶極子天線產生電波，並使用連接到偶極和環形天線的微米火花隙來檢測它們。這些早期的無線電接收器是原始設備，更準確地說，是無線電波「感測器」或「檢測器」，因為它們只能在距離發射器約100英尺的範圍內接收無線電波，不用於通信，而是作為科學實驗和工程演示的實驗室儀器。

### 火花時代

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在1887年至1917年無線電最初的三十年中使用的第一批無線電發射器，是火花隙發射器，它們通過電火花放電電容來產生無線電波。每個火花產生一個快速衰減到零的無線電波瞬態脈衝。這些阻尼波無法像現代AM和FM傳輸那樣調變以攜帶聲音。因此，火花隙發射器無法傳輸聲音，而是通過無線電報傳輸資訊。操作員使用電鍵快速打開和關閉發射器，產生不同長度的阻尼無線電波脈衝（「點」和「劃」），以摩斯電碼拼寫文本資訊。

因此，第一批無線電接收器不需要像現代接收器那樣從無線電波中提取音訊信號，而只是檢測無線電信號的存在，並在「點」和「劃」期間產生聲音。執行此操作的設備稱為「檢測器」。由於當時沒有放大設備，接收器的靈敏度主要取決於檢測器。

#### 調諧

最早的無線電接收器沒有調諧電路，它們響應天線接收到的所有無線電信號。這導致了嚴重的干擾問題，因為多個發射器會同時接收到。調諧電路由電容器和電感器組成，它們被調諧到發射器的頻率。這使得接收器能夠選擇所需信號並拒絕其他信號。1892年，威廉·克魯克斯在一次關於無線電的演講中提出，可以利用共振來縮小發射器與接收器的頻寬。如此一來，不同的發射器便能調整至不同的頻率發射訊號，彼此之間就不會互相干擾。接收器同樣配有一個調諧電路，透過將其調整至與發射器相同的頻率，便能接收特定的訊號。此機制原理類似於將樂器調音，使其與另一件樂器產生共振。該系統構成了現代無線電技術的基礎。

### 真空管時代

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1906年，李·德富雷斯特發明了三極體真空管，這是第一個實用的放大裝置，也使得四種新型調變方式成為可能：連續波（CW）無線電報、約在1915年出現的可傳輸音訊的調幅（AM）、大約在1938年問世並大幅改善音質的調頻（FM），以及單邊帶（SSB）。到了20世紀20年代，真空管接收機開始取代礦石收音機。由於真空管能夠放大無線電信號，接收機因此具有更高的靈敏度與選擇性，並能直接驅動揚聲器。不過，相較於礦石收音機，真空管接收機結構更複雜、價格也更昂貴。早期的真空管接收機需要多組電源，通常由獨立電池供應。直到1930年左右，隨著整流管與變壓器電源的發展，接收機才得以直接使用家用電源供電。

埃德溫·霍華德·阿姆斯特朗是無線電接收機歷史上最重要的人物之一，他在此期間發明了至今仍主導無線電通訊的技術他首次正確解釋了李·德富雷斯特三極體的工作原理。他還發明了電子振盪器、再生接收機、超再生接收機、超外差接收機以及現代調頻技術。

### 半導體時代

半導體接收器的發明始於1947年的電晶體，徹底改變了無線電技術。電晶體收音機在1950年代後期變得可行，它們體積小、重量輕、耗電少，並且比真空管收音機更耐用。這使得可攜式收音機的普及成為可能。

#### 數位技術

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積體電路（IC）晶片的出現，在20世紀70年代徹底改變了無線電接收器的發展。IC的應用使得整個接收器可以被整合在單一晶片上，大幅降低了成本與體積。到了1980至1990年代，加州大學洛杉磯分校的阿薩德·阿里·阿比迪率先開發了射頻CMOS晶片，為低功耗無線設備的誕生鋪平了道路。

當前的發展趨勢，是利用晶片上的數位電路取代原本需要被動元件實現的類比功能。在數位接收器中，中頻訊號會先被取樣與數位化，接著由晶片上的數位訊號處理器完成帶通濾波與解調等功能。數位訊號處理器的另一大優勢在於，它能透過軟體靈活調整接收器的通道頻率、頻寬與增益等特性，從而快速響應環境的變化。

## 其它類型的無線電接收機

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- 通訊接收機、礦石收音機、直接轉換接收機、低IF接收機、GPS、Neutrodyne無線電接收機、再生無線電接收機｜、衛星接收機、超外差接收機、遙感接收機、電視機、電晶體收音機、調諧式射頻接收機

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