試圖DIY 簡單FM收音機


https://goo.gl/Lwmm0D

偶然看到這個
http://www.electroschematics.com/5923/fm-radio-receiver/
又偶然看到這個FM 收音機

以前玩過 FM BUG, 也修整過27MHZ遙控玩具, 所以對無線電發射和接收有丁點的認知.

再來, 前人說, 無線電訊號的接收和發射, 其實使用同樣的機器, 基本的原理是, 兩個不同頻率的訊號混合後, 比方說, 訊號a的頻率是F1, 訊號b的頻率是F2, 把 a  和 b 混合後, 基本上會得到兩組不同頻率的訊號, 而這兩組訊號的頻率分別是 F1-F2 和 F1+F2.

所謂的訊號的混合, 就是讓兩個電信號疊加在一起 (乘法器), 設法讓這兩個訊號做文章, 就可以達成無線電的發射和接收

準備看看這次玩意會否容易成功。。。

據說, 把 FM BUG 的天線改接音頻放大器, 而聲頻輸入端改成 LC TANK, 就由發射機變成接收機了,所以這次的基礎就是以前玩過的 FM BUG 做為起點, 先溫習舊玩具的設計和原理,
tFM-trans-circuit.jpg
nEO_IMG_DSCN6053.jpg
nEO_IMG_DSCN6054.jpg

為了更好理解人家說的話, 先看看 無線電 (RADIO FREQUENCY, 簡稱RF) 的接收端和發射端的線路是否相同, 重新劃了一下, FM TRANSIMITTER (FREQUENCY MODULATION TRANSIMITTER, 簡稱FM 或調頻發射 ) 有實際裝過發射用的, 試驗也是成功的; 另外 27MHZ 遙控車的RF接收端也追蹤過劃了線路圖, 商用的當然可行, 參考原廠的 DATASHEET, 會看到大同小異的設計圖, 本來這外星人教的設計應該就那個樣. 來比對以下,
nEO_IMG_RF front-end design.jpg

果然, 雖然它們的 LOCAL OSCILLATOR FRQUENCY (老外大多簡稱為 [LO], 祖國比較多稱為 [本地震盪頻率], 簡稱 [本震]), 一個是 103MHZ, 另外的是 27MHZ, 不過看起來就是差不多一模一樣. 利用了一個 TANSISTOR 組成的 3點電容式震盪器, 一組LC TANK, 產生 LO 訊號, 或許稱為 CARRIER FREQUENCY 載波訊號, 然後把音頻訊號(低頻率的訊號20KHZ以下) [疊加] 或 [分離] 出來.

先看發射器, 看來很簡單, 但是據說是因為 TR 射極的電容電壓改變產生震盪, 同時基極的音頻電壓改變會在 TRANSISTOR 形成 [乘法器] 的效果, 有人稱為 MIXER. 因此 F1 和 F2 兩種不同頻率的訊號就被混在一起, 通過天線輻射出去, 完成了那個義大利人發明的無線電傳送. 所以用FM收音機, 可以配合這個發射器作為FM無線咪的廣播系統, 坊間有賣這種FM無線咪.

再來看接收器, 因為前輩都說了, 發射器 和 接收器 都同樣用一種線路, 就是 LO 加上要發送或接收的訊號, 只不過一個送出, 一個接收而已, 看來此話屬實, 就不要懷疑了, 頻率不同只是因為 LO 設計數值各異, 改變 LC TANK 的參數, LO 就可以改變, 重點是, 發送和接收要頻率相同, 才會有共鳴, 才會成功, HARMONY 大概就這意思.

至於那個實際的 [訊號混合] [訊號疊加] 或 [訊號分離], 實際的動作原理其實一直都不完全明白, 只不過外星人教的這玩意, 的確實用的, 就先用著再說. 能力有限, 就此打住不求甚解吧..有機會再深入探討.

繼續探討如何DIY一個簡易FM收音機前,先來看看其他人對DIY簡單的FM收音機的故事,屬真屬假,有做過AM礦石收音機的,曾經搭通過天地綫的玩家,必然能夠分辨出來。這是一個例子,説明礦石收音機不僅適用AM收聽,FM也是可以收到的,http://solomonsmusic.net/FM_CrystalRadio.html,這個網頁記載了一個故事,暫且當成是故事,裏面提到的是關於斜率檢波 slope detector, 這個關於 FM 收音機的解調原理,看來在 GOOGLE 有很多資料是可被查到的,那麽,基本上,成功的機會又大了一些,因爲有更多的前人做過類似的實驗,看起來是成功的。

前面提到兩點, 初步看起來是有點矛盾的,第一點,發送和接收要頻率相同, 才會有共鳴, 才會成功;第二點,斜率檢波,接收頻率必須偏離發射頻率一點點,那意思就是頻率不相同。到底是矛盾。以前修理一個被踩爛的27MHZ遙控車玩具,也曾經發 現了一個現象,接收機調準在27MHZ,遙控距離會縮短很多,大約1米不到,調偏反而讓距離增大,原來可以玩的玩具,因被踩爛需要修整,固然原來的設計和 調整是有道理而且必然是對的,如果這樣看來,它的設計必然是套用了這個斜率檢波方法,因而才需要把接收機頻率調偏一點,完成解碼,因爲遙控車的前後左右, 解碼后是300HZ和900HZ的兩個訊號,都是音頻訊號,達到最遠的遙控距離。

(2015-07-05補充, 老師傳來了一個YOUTUBE, 據說是美軍1944年的訓練教材, 裡面有動畫說明 LO 和 輸入RF 的頻率是故意錯開的, 造就斜率檢波器從RF訊號解調出聲音. 另外也建議看看 balanced slope detector

http://www.daenotes.com/electronics/communication-system/fm-balanced-slope-detector

http://www.crystalradio.cn/thread-188835-1-1.html

注意看時間26:00的位置, Basic Principles of Frequency Modulation 1944 US Army Training Film; Kent Smith, h_ttps://www.youtube.com/watch?v=mu3ASt2kwFo)


時間很快過了, 玩具的進度因為假日有所進展, 這次抄了接收器的線路, 反過來讓她發送, 試驗的結果是可行的, 證明了發射機和接收機的 RF FRONT-END 是一樣的, 它就是一個 OSCILLATOR, 而震盪頻率靠 LC TANK 調定, 用了可變電容(VC), 調整VC就可以選台, 所以L隨便繞好就直接讓她那樣, 用麵包板搭的, 試驗了發射可以, 用 FM 收音機試驗必須避開本地電台, 或者加大發射的功率直接蓋台, 反正實驗用途, FM 收音機就在旁邊.
nEO_IMG_DSCF1743.jpg
線路圖, 等同於 27MHZ 的接收機, 除了 LC 數值不同.
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實物長這樣, VC 的旋鈕居然很難買到, 賣 VC 的店家居然沒有.
nEO_IMG_DSCF1744.jpg

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今晚來看書, 書上面有說的, LO 的震盪頻率, 跟 L x C 有關, 公式是 Frequency = 1 / 2 / (PI) / (L x C)^1/2
具體的數學式表達, 看 WIKI 寫的分數式子時比較好看, https://en.wikipedia.org/wiki/LC_circuit
那一大堆有夠長但是很難心算的公式, 其實簡化來看就是 Frequency = 常數 / (L x C), 她代表的含意是, L 或 C 變大, 頻率就降低, 反之, 頻率升高. 對上幾次的試驗, LO 設在大約 100MHZ -108MHZ 或以上. 按照這個公式, 如過把彈簧線圈加大, L 就會變大, 那 Frequency 就會降低, 因此有隨便用猜的, 繞了另外一個比較大的 L, 無論是直徑或長度, 都比前一個大, 因此, 推論她的電感值也是較大 (其實沒有專業的儀器測量, 純粹猜的). 把這個認為加大的 L 裝到發設機, 替代先前的那個小的, 測試的結果是, 這次LO落在大約88MHZ, 收音機調到FM最底端88MHZ那頭, 結果很容易就響了, 相對比100MHZ以上的, 整個IPOD發送的音響的品質更好, 估計是 F1 + F2 或者 F1 – F2 的斜度 (SLOPE) 變得更趨向水平方向, 因為假設音頻的 F1 除以 LO 的 F2, F1不變, F2變小了, 所以斜度降低了, 發射訊號的放大率提高了20%以上, 猜想這是使聲音變得更好緣故. 這樣得到了另外一個驗證結果, LC TANK 的頻率, 和書上寫的推斷結論一致, 完成另外一項無線電收送的基礎理論, 無線訊號的頻率, 和LO的震盪訊號的頻率高低相關. 錄音了這段測試結果, 作為試驗紀錄, 沒有專業儀器的輔助底下, 依靠一個現成的FM收音機還是不難達成 LC 調諧的目標, 也可以確定以後轉化成收音機時的可調諧範圍. 這樣也就明白了為啥市售的FM收音機或者電視機裡面的TUNER, 裡面都有幾個古怪的銅線彈簧, 多數都只有幾圈, 她們存在的原理或者原因就是這樣.
nEO_IMG_DSCF1756.jpg

h_ttp://youtu.be/uhLRoC-Q_ig

這個片斷, 錄影時有一段大約55秒的歌曲, I love you more than I can say…隔天就收到YOUTUBE警告說侵犯版權, 看來GOOGLE的機器人天天在比對上傳的片段抓盜版. 所以就同意讓她刪除那段音效, 2:10到3:10的聲音就變成怪怪的…….同時發現, 可能是 SD 卡片開始故障了, 錄影的畫面有在閃屏……..

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這個單一晶體管的無線電收發器的前端 (RF-FRONT), 親自動手試驗過了, 無論是接收和發送都適用並成功. 因為邊玩邊學的原因, 粗淺和錯漏是必然的, 那就繼續想像和繼續試圖了解它的原理和操作, 當然, 有部分教科書的學理和網路上的教學影片可以參考. 回顧一下設計電路全圖, 聽說是一個聰明的小日本搞出來的, 沒資料暫時不可考, 不過確定是可用的.
single transistor FM radio.jpg

AC DC modeling
為什麼要了解這個? 為什麼要了解這個? 為什麼要了解這個? 很重要, 所以需要自問三次, 看下面的圖. 原來, 據說所有的電子線路的設計, 放大/震盪/整流(還有一個忘記了, 是衰減??) 是4大元素, 電阻/電容/電感/半導體是4大元件, 這個說法某年在旅途上, 碰到一個在中國做電子貿易的澳洲商人所聽到的, 當時當然不明白, 現在看來, 好像有點明白, 不過還不完全明白.

1) AC MODEL, AC 模型, 電容電感是導通的, 專門通過會變動方向的電流或電壓(訊號, 隨時間變動的電壓).

2) DC MODEL, DC 模型, 電阻是導通的, 控制電流和電壓大小, 唯一目的, 讓半導體晶體管只能活動在開通和關斷之間的區域, 那個叫做放大區 (ACTIVE REGION), 但是不能夠讓她完全開通或者完全關閉.

3) 半導體晶體管, 或三極管, 或原子粒, 或電晶體, 或BIPOLAR TRANSISTOR, 是可以被控制的一個 “特別的可變電阻", 有3個腳, 用其中一個腳控制另外兩個腳之間的 “電組" 的大小, 需要了解的範圍有, LOAD LINE, BIAS, AMPLIFICATION, BASE CURRENT Ib, Vce, ACTIVE REGION…..etc., 人家做的DEMO, 有圖有器材, 不用學生自己來搞..https://www.youtube.com/watch?v=zXh5gMc6kyU
single transistor FM radio DC AC modeling.jpg

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function of this transistor
看下面的圖, 乍看起來, 那個晶體管真的不怎樣, 可是, 嘗試了理解為什麼可以發送和接收無線電訊號的題目以後, 看來這個真的不簡單.

1) 提供了一個乘法器的功能, 讓 LO 和 音頻訊號這兩支 SINE WAVE 訊號混合或疊加了, 產生 (F1+F2) 或 (F1-F2), 有數學教科書說明,  SIN(A) x SIN(B) = F1 + F2 或 F1-F2 的函數, 產生了 FM 的效果; 稱為混頻, MIXER, MODULATOR.

2) 也可以反過來, 把 FM 訊號直接解調, 從接收的 FM 的訊號分離提取音頻訊號 (之前玩27MHZ遙控模型時發現的設計和運作狀況); DE-MODULATOR.

3) 同時, 配合 LC TANK, 自己又產生了 LO 的震盪訊號, OSCILLATOR.

可說是一石三鳥的傑作.
single transistor FM radio detector mixer model.jpg

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其實到現在, 所有的實際試驗, 還是停留在 FM 發送的階段, 本來的目標不是說期望DIY一個簡單的 FM 收音機嗎 ? 沒錯, 那為什麼還沒有實做收音機的部份卻一直在 FM 發射的範圍兜轉呢 ?! 其實, 收音機的部份在不經意的時候已經完成了 !

怎樣說 ? 知道了這個發射機的發射頻率是大約 88MHZ, 因為 IPOD 的音樂確定能夠反覆在收音機播出來, 而且十分穩定, 不管是斷電後, 換電池改變供電電壓或隔天試驗, 收音機都沒調過, 那就是 IPOD 的音樂透過無線電, 傳送到了PANASONIC 的 FM 收音機並且被播出來, 而本地是沒有 88MHZ 電台的. 每當發射機斷電, 音樂就沒了, 這是 88MHZ 的發射機. 而且之前觀察27MHZ的玩具收發機時, 曾經得到結論, 供電電池的電壓下降, LO 頻率可以說沒有變化, 只是震盪的電壓幅度會降低, 經驗就是 – 頻率不變.

偶然用手去摸那個 223P的可變電容VC, 因為人體的電容, 或者那些麵包板的電線, 包括電池的電線, 被移動或改變他們的位置或彎曲的形狀, 居然偶然會聽到其它電台的聲音而不是IPOD播放的歌曲, 那麼就表示這個發射機干擾了 FM 收音機, 使調諧在88MHZ的收音機收到了一些商業廣播電台的聲音而並不是88MHZ發射的, 也不是IPOD的歌曲, 猜想唯一的原因是, 發射機成了另外一個收音機或純粹震盪器干擾了, 使FM收音機收到非88MHZ頻率的電台, 又或者是真的就是同時存在發射88MHZ訊號和接收FM電台的能力. 這個暫時沒能力深入探討, 不過也成為了還沒有實作 [簡單FM收音機] 的主要原因.

RF 的基礎和調諧實踐做過了好幾趟, 也初步掌握的 RF FRONT END 的原理和一些竅門, 發送和接收都初步玩過了, 所以稍微調整一下目標, 看看發送 FM 立體聲 訊號是不是可行的, 原因是還沒做 FM BUG 試驗的良久之前, 就看過了這樣一個網站, http://www.cappels.org/dproj/Home.htm

其主人說DIY也可以輕易用 AVR MCU 發射 FM 立體聲訊號 (有人稱為身歷聲, 有人稱為 stereo, 有人稱為雙聲道), 當時沒有基礎, 也沒有玩過 AVR MCU, 所以只是看看, 並沒有實際想做實驗, 根本原因是能力不遞. 現在, FM 發射也反覆製作成功而且很容易調諧, 那剩下就是抄抄看, 用 AVR MCU 發射 FM 立體聲訊號  , 原理和源碼都有了, 雖然現在階段對她所說的原理只是在囫圇吞棗的狀態, 不過相信親自實驗過後, 會有所得益和明瞭更多的……..待續..

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要聽FM廣播電台, 買個收音機就好了, 搞那麼多DIY, 沒事找碴來這….難道是閒到沒事或者想再次發明輪子? 當然不是.
沖繩美軍基地的跑道(應該是北端)對面, 建了一個休息站, 頂樓有觀景台, 一堆拍友拖了一堆雞絲 (專業的拍攝工具和無線電接收機), 目的就是拍那些進場離場的軍機的雄姿, 賣錢的照片. 為什麼除了照相機還要無線電接收機 ? 原來機場的塔臺和飛機的通訊, 使用FM和固定的頻率, 當你能夠提早知道有哪種飛機何時來到, 就可以提早準備好 [大砲], 移動速度很高的飛機, 鏡頭要100mm以上, 沒準備是拍不好的. 相信各地飛機拍友都使用類似的方式.

參考看看一些機場的通訊頻道的資料, 或者搜尋 [機場 塔台頻率] 等字眼,
HONGKONG

TOKYO

TAIWAN

既然人家買得到聽塔臺和飛機的通訊的接收機, 那買一個就好, 不過, 捨易取難, 除非有愚公移山的愛好, 其實沒啥理由支持DIY的. 又不過, 對於想晉身設計殿堂的人來說, 這樣的機會, DIY一個FM收音機, 除了聽到FM廣播, 還可以了解到更多關於無線電的內容, 算是一種每天學習新知的動力. 有人也提供了類似的資料, 看看DIY的結果如何, 他提供的設計其實也是大同小異. LC TANK 加上 COMMON BASE 的震盪器, 重點是總結了有些普通民眾不太知道的資料, 例如, FM電台和飛機場控制塔電台的關係, 使用FM廣播, 頻率的使用範圍等..
FM廣播電台, 87 – 108MHz
飛機場控制塔電台 104 – 140MHz
http://www.crystalradio.cn/thread-583768-1-1.html

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切記, 記得不要隨便用發射機, 那是犯法的, 也會影響別人, 學術實驗用1.5V或3V電池就好了, 發射距離不會超過20米, 實驗完畢也要記得關電源. 實際裝過和測試了接收機和發射機的 RF-FRONT-END 設計以後, 同樣的線路, FM 訊號傳送接收都成功了. 那進一步看看, 如果發射雙聲道的結果怎樣. 其實很久以前, 已經有人寫了一些典籍, 說明原理和可行性, 而坊間也有人實驗過說可行, 例如這個 http://www.cappels.org/dproj/FM_ … CDER%20CIRCUIT.html

還有, 要追求0-20KHZ的那些金耳朵或者 HI-END / HIFI 的, 希望低音要潛得深, 期盼高音要有清澈透明的, 林林種種的那些所謂的發燒愛好者的術語, 相對FM立體聲廣播電台的音頻訊號, 據說是 0 – 15KHZ (確定嗎?), 可能並不適合用來作盼望, 而且10000元一尺的黃金喇叭線也是白搭.

這份是 TEK 很早期的 APPLICATION NOTE, 它當時的目的是推銷頻譜分析儀, 雖然時間很久了, 不過裡面的內容是可參考的, 說明美國制定立體聲 FM 廣播時候的基礎, 內容不錯看. 再參考這個 http://www.cappels.org/dproj/FM_ … CDER%20CIRCUIT.html, 說明這兩個資料說明是同一原理.

FM_stereo_gen1 FM_stereo_gen2

所以抄了一下那個 DICK CAMPLE的設計, 先做了38KHZ的震盪器, 看看結果. 記得, 接收機和發射機是完全一樣的 (RF的那段)

nEO_IMG_DSCF1760

nEO_IMG_DSCF1761nEO_IMG_DSCF1762

電路圖這樣, FIRMWARE 抄上面人家TINY12的
38KHZ 和 19KHZ 都出來了

nEO_IMG_SWITCHING-TYPE FM Stereo Generator

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星期六的晚飯後, 來試機, FM 立體聲的訊號發射實驗, 算是沒什麼障礙, 順利.

只是會看到發射的訊號會跑頻, 因為手碰到機器或麵包板, 寄生電容到處都有, 影響發射器的震盪頻率.

如何觀察FM 立體聲的訊號發射的成功呢 ? 收音機的 FM ST 指示燈有亮起來就對了.

L – R 的分離度略嫌不夠, 但借此玩具學原理和實驗過程, 算是不錯了. 這個時候, 模擬電路和數字的MCU有混合使用, 好像是神奇的事情, 和 SDR 有共通之處. 那如過把38KHZ提高4倍, 會不會更好呢 ?! 有空再做實驗.

iPOD 的輸出電阻用了 100K, 原來的 1M 電阻因為立體聲的38KHZ的調製後音量偏小, 所以改了100K.

nEO_IMG_DSCF1777 nEO_IMG_DSCF1778

h ttp://youtu.be/z6ueZX46xDs

背景的噪音, 原因是電子式日光燈的震盪輻射干擾FM收音機, 所以聲音不純淨, 接收本地的聲音一樣有同樣的干擾. 試試看關燈或者移到別的地點實驗, 會用不同的體驗.

如果真的很想看看自己的發射頻率和發射距離, 現在最簡便的就是用 MAEMO 手機 (例如 NOKIA N900) 或 ANDROID 手機, 基本上這些手機都內建了 FM 收音機的功能. APPLE 的 IPHONE 就別想了, APPLE 公司好像讓他們的手機在這方面做了太監至今, 據說是技術原因不成, 有 INTERNET 就可以連到網路電台說, 沒有接收 FM 無線電訊號的必要. 其實, 現代的手機的 RF 都是 SDR (軟體定義的無線電), 包括 FM / WIFI / BLUETOOTH / 3G / 4G / GPS 等等您能想到的無線電裝置, 只要願意開啟和給予設定就可以用的. 大概某天以後APPLE或許會改變初衷, 就像當年立體化的圖畫介面, 等到掌舵人死了, 公司策略改變就變改了. 廢話了, 下面的片斷, 說明這個試驗的 FM 發射訊號在 87.1MHZ, 因為收訊最清晰, 有了 ANDROID 手機收聽而顯示的.

h_ttp://youtu.be/bk-TaQFWDoA

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終於可以交功課了.

完畢

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3 thoughts on “試圖DIY 簡單FM收音機

  1. 請問一下是否所有的收音機電路圖都可以這麼做,還是有什麼限制?

  2. 您好,看完您所做的研究後我深感興趣,所以我想自己實做看看,可否請你將您的電路圖寄給我看,好讓我自己來試做

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