Frekvenční modulace - Frequency modulation


z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Animace audio, AM a FM signálů
Signál může být nesena AM nebo FM rádiových vln.
FM má lepší šum ( RFI odmítnutí) než dopoledne, jak je uvedeno v této dramatické New Yorku reklamní demonstraci General Electric v roce 1940. Rádio má i AM a FM přijímače. S miliony voltů obloukem jako zdroj rušení za ním, přijímač AM vyrábí jen řev statické, zatímco přijímač FM jasně reprodukovat hudební program z Armstronga experimentální W2XMN FM vysílač v New Jersey.

V telekomunikačním a zpracování signálu , frekvenční modulace ( FM ), je kódování informací v nosné vlně změnou okamžité frekvence vlny.

V analogové frekvenční modulace, jako je FM rozhlasového vysílání zvukového signálu reprezentujícího hlas nebo hudbu, okamžité odchylky frekvence , rozdíl mezi kmitočtem nosné a jeho střední frekvence, je úměrná modulační signál.

Digitální data mohou být kódovány a přenášeny přes FM posunem frekvence dopravce mezi předem definovanou sadu frekvencí, které představují číslice - například jednu frekvenci může představovat binární 1 a druhý může představovat binární 0. Tato modulační technika je známá jako klíčování frekvenčním posuvem (FSK). FSK je široce používán v modemy a faxové modemy , a mohou být také použity k odesílání Morseovy abecedy . Radioteletype také používá FSK.

Frekvenční modulace je široce používán pro FM rádio vysílání . To je také používáno v telemetrii , radar , seismický průzkum a sledování novorozenců k záchvatům pomocí EEG , dvousměrné rádiové systémy, hudební syntéza , magnetické pásky záznamové systémy a některé video přenosové systémy. V radiového přenosu, výhoda frekvenční modulace je to, že má větší poměr signálu k šumu , a proto odmítá vysokofrekvenční rušení větší než rovný výkonu amplitudové modulace (AM) signálu. Z tohoto důvodu většina hudby je vysílán přes FM rádio .

Frekvenční modulace a fázovou modulaci jsou dva komplementární hlavní metody úhlu modulace ; fázová modulace je často používán jako mezistupeň k dosažení frekvenční modulaci. Tyto metody kontrastují s amplitudovou modulací , ve kterém je amplituda nosné vlny se mění, přičemž frekvence a fáze zůstávají konstantní.

Teorie

V případě, že informace, které mají být vysílány (tj signál v základním pásmu ), je a sinusové nosič , kde f c je dopravce základní frekvence, a c je amplituda dopravce, modulátor kombinuje nosič s základního pásma datového signálu získat co vysílaný signál:

kde , je citlivost kmitočtového modulátoru a je amplituda modulačního signálu nebo signálu v základním pásmu.

V této rovnici je okamžitá frekvence oscilátoru a je odchylka kmitočtu , který představuje maximální posun od f c v jednom směru, za předpokladu, že x m ( t ), je omezena na rozmezí ± 1.

Zatímco většina energie signálu je obsažena v f c ± f ó , to může být prokázáno, Fourierova analýza , která je požadována širší rozsah frekvencí, aby přesně reprezentovat FM signálu. Frekvenční spektrum skutečného FM signál má komponenty prodloužení plynule, i když jejich amplituda se snižuje a vyššího řádu komponenty jsou často zanedbávány v praktických konstrukčních problémů.

Sinusový signál v základním pásmu

Matematicky je signál základního pásma modulace může být aproximován sinusovým kontinuální vlny signálu s frekvencí f m . Tato metoda je také jmenován jako single-tón modulace. Integrální takového signálu je:

V tomto případě je výraz pro y (t) nad zjednoduší na:

kde amplituda modulačního sinusoidy je reprezentován odchylkou píku (viz odchylka frekvence ).

Harmonické distribuci sinusového nosič modulovaného takový sinusového signálu může být reprezentován s Bessel funkcemi ; to poskytuje základ pro matematické chápání frekvenční modulace ve frekvenční oblasti.

index modulace

Stejně jako v jiných modulačních systémech modulační index udává, o kolik modulovaný proměnná se pohybuje kolem svého unmodulated úrovni. To se vztahuje na odchylky v nosném kmitočtu :

kde je nejvyšší frekvenční složka přítomna v modulační signál x m ( t ), a je vrchol frekvenční odchylka-tj maximální odchylka od okamžitého kmitočtu od nosné frekvence. Pro sinusového modulace, index modulace je vidět, že je poměr špičkový frekvenční odchylky nosné vlny na frekvenci modulačního sinusové vlny.

Pokud je modulace nazývá úzkopásmové FM (NFM) a jeho šířka pásma je přibližně . Někdy index modulace  radians je považován za NFM, jinak širokopásmové FM (WFM nebo FM).

Pro digitální modulace systémů, například binárního klíčování kmitočtovým posuvem (BFSK), kde binární signál moduluje nosič, index modulace je dána vztahem:

kde je doba symbol, a je používán jako nejvyšší frekvence modulačního binárního průběhu konvencí, přestože by bylo přesnější říci, že je nejvyšší základní of modulační binárního průběhu. V případě digitální modulace, nosič se nikdy předány. Spíše, jeden ze dvou kmitočtů je přenášena, a to buď , nebo , v závislosti na binárním stavu 0 nebo 1 modulačního signálu.

V případě , modulace se nazývá širokopásmové FM a její šířka pásma je přibližně . Zatímco širokopásmové FM využívá větší šířku pásma, může zlepšit poměr signálu k šumu výrazně; například zdvojnásobení hodnoty , při zachování konstantní, vede k osminásobným zlepšení poměru signálu k šumu. (Porovnejte to s chirp rozprostřeného spektra , který využívá extrémně široké frekvenční odchylky, aby se dosáhlo zpracování zisky srovnatelné s tradičními známějších způsobů rozprostřeného spektra).

Na tónovém modulovaný FM vlny, v případě, že modulační frekvence se udržuje konstantní a index modulace se zvýší, (non-zanedbatelný) šířka pásma se zvyšuje FM signál, ale vzdálenost mezi spektry zůstane stejný; některé spektrální složky snížení pevnosti další zvýšení. Pokud je odchylka frekvence se udržuje konstantní a modulační frekvence zvyšuje, mezery mezi zvyšuje spektra.

Frekvenční modulace mohou být klasifikovány jako úzkopásmové v případě, že změna v nosné frekvence je přibližně stejná jako frekvence signálu nebo jako širokopásmový v případě, že změna v nosné frekvence je mnohem vyšší (modulace index> 1), než frekvence signálu. Například úzkopásmové FM (NFM) se používá pro dvousměrné rádiové systémy, jako je Family Radio Service , v němž je dopravce odchýlit pouze 2,5 kHz nad a pod střední frekvence s řečových signálů bez šířky pásma více než 3,5 kHz. Širokopásmový FM je používán pro FM vysílání , ve kterém hudba a řeč se přenášejí až do 75 kHz odchylky od střední frekvence a nést audio až šířkou pásma 20 kHz a subcarriers až 92 kHz.

Besselovy funkce

Frekvenční spektrum a vodopád pozemek o 146,52  nosné MHz, frekvenčně modulované o 1000  Hz sinusoidy. Index modulace byla upravena na přibližně 2,4, takže nosná frekvence má malou amplitudu. Několik silné postranní pásma jsou zřejmé; v zásadě jsou nekonečné množství produkován v FM, ale vyššího řádu, postranní pásma jsou zanedbatelné velikosti.

V případě, že nosič modulovaného jediným sinusové vlny, výsledný frekvenční spektrum lze vypočítat pomocí Besselovy funkce prvního druhu, jako funkci postranního čísla a indexu modulace. Nosné a postranním amplitudy jsou znázorněny pro různé modulace indexy FM signálů. Pro určité hodnoty indexu modulační amplituda nosič se stává nulou a celý výkon signálu je v postranních pásem.

Vzhledem k tomu, postranní pásma na obou stranách nosiče, jejich počet se zdvojnásobí, a pak vynásobí kmitočet modulační najít šířku pásma. Například, 3 kHz odchylka modulován audio tónem 2,2 kHz vytváří modulační index 1,36. Předpokládejme, že se omezíme pouze na ty sidebands, které mají relativní amplitudu alespoň 0,01. Poté zkoumá graf ukazuje, že to modulace index bude vyrábět tři postranní pásma. Tyto tři postranní pásma, když se zdvojnásobil, nám dává (6 x 2,2 kHz) nebo 13,2 kHz požadovanou šířku pásma.

modulace
index
amplituda postranním pásmem
Dopravce 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0.00 1.00
0.25 0.98 0.12
0,5 0,94 0,24 0.03
1.0 0,77 0,44 0.11 0.02
1.5 0,51 0,56 0,23 0.06 0,01
2.0 0.22 0.58 0.35 0.13 0.03
2.41 0.00 0,52 0,43 0.20 0.06 0.02
2.5 -0,05 0.50 0,45 0.22 0.07 0.02 0,01
3.0 -0,26 0.34 0.49 0,31 0.13 0.04 0,01
4.0 -0,40 -0,07 0.36 0,43 0.28 0.13 0,05 0.02
5.0 -0,18 -0,33 0,05 0.36 0.39 0,26 0.13 0,05 0.02
5,53 0.00 -0,34 -0,13 0.25 0.40 0.32 0,19 0.09 0.03 0,01
6.0 0.15 -0,28 -0,24 0.11 0.36 0.36 0.25 0.13 0.06 0.02
7.0 0.30 0.00 -0,30 -0,17 0.16 0.35 0.34 0,23 0.13 0.06 0.02
8.0 0.17 0,23 -0,11 -0,29 -0,10 0,19 0.34 0.32 0.22 0.13 0.06 0.03
8,65 0.00 0,27 0.06 -0,24 -0,23 0.03 0,26 0.34 0.28 0.18 0.10 0,05 0.02
9.0 -0,09 0.25 0.14 -0,18 -0,27 -0,06 0.20 0.33 0,31 0,21 0.12 0.06 0.03 0,01
10.0 -0.25 0.04 0.25 0.06 -0,22 -0,23 -0.01 0.22 0.32 0,29 0,21 0.12 0.06 0.03 0,01
12.0 0,05 -0,22 -0,08 0.20 0.18 -0,07 -0,24 -0,17 0,05 0,23 0.30 0,27 0.20 0.12 0.07 0.03 0,01

Carson pravidlo

Pravidlem , Carson pravidlo uvádí, že téměř všechny (~ 98 procent) o síle signálu frekvenčně modulovaný leží uvnitř pásma z:

kde , jak je definováno výše, je maximální odchylka okamžitého kmitočtu z frekvenci středové nosné , je index modulace, což je poměr frekvence odchylky pro nejvyšší frekvence v modulační signál a je nejvyšší frekvence modulačního signálu. Podmínkou pro uplatnění pravidla Carson je jen sinusové signály.

kde W je nejvyšší frekvence modulačního signálu, ale nesinusového v přírodě a D je poměr odchylka, která je poměr frekvence odchylky nejvyšší frekvencí modulace nesinusový signál.

Redukce hluku

FM poskytuje lepší signál-šum (SNR), ve srovnání například s AM . Ve srovnání s optimálním režimu AM, FM má obvykle horší SNR pod určitou úrovní signálu se nazývá práh hluku, ale především vyšší úrovni - úplné zlepšení nebo úplné prahové uklidňovací - SNR je mnohem lepší než dopoledne. Zlepšení je závislá na úrovni modulace a odchylky. Pro typické hlasových komunikačních kanálů, zlepšení jsou obvykle 5-15 dB. FM vysílání pomocí širšího odchylka může dosáhnout ještě větší zlepšení. Další techniky, jako je například Preemfáze vyšších frekvencí zvuku s odpovídající de-důraz v přijímači, se obvykle používají ke zlepšení celkového SNR FM obvodech. Vzhledem k tomu, FM signály mají konstantní amplitudu, FM přijímače obvykle omezovače, které odstraní hluk AM, další zlepšení SNR.

Implementace

Modulace

FM signály mohou být generovány za použití buď přímý nebo nepřímý frekvenční modulace:

demodulace

Existuje mnoho detektor FM obvody. Běžnou metodou pro získání informačního signálu je přes diskriminátoru Foster Seeley nebo poměr detektoru . Fázového závěsu může být použit jako FM demodulátor. Detekce sklon demoduluje FM signálu s použitím laděný obvod, který má svou rezonanční frekvence poněkud odsazená od nosiče. Jak frekvence stoupá a klesá laděný obvod poskytuje měnící amplitudu odpovědi, převádění FM AM. AM přijímače může odhalit některé FM vysílání tímto způsobem, i když to neposkytuje účinné prostředky detekce pro vysílání v pásmu FM.

Aplikace

Magnetická páska skladování

FM je také používán v mezilehlých frekvencích analogovým VCR systémy (včetně VHS ) pro záznam jasu (černá a bílá) částí obrazového signálu. Běžně se chrominanční složka se zaznamená jako konvenční AM signálu, pomocí FM signál s vyšším kmitočtem jako zkreslení . FM je jediný možný způsob zachycení svítivost ( „černé a bílé“) součást video na (a načítání video z) magnetické pásky bez zkreslení; obrazové signály mají širokou škálu frekvenčních složek - z několika hertzů do několika megahertz , příliš široký pro ekvalizéry pracovat s díky elektronickému rušení nižší než -60  dB . FM také udržuje pásku na úrovni nasycení, působí jako forma snižování hluku ; omezovač mohou maskovat změny v přehrávacím výstupu a zachycení FM efekt odstraní tiskovou-through a pre-echo . Kontinuální pilotní tón, pokud se přidává k signálu - jak bylo provedeno na V2000 a mnoho formátů Hi-band - může udržet mechanické jitter pod kontrolou a pomáhat korekce časové základny .

Tyto FM systémy jsou neobvyklé v tom, že mají poměr nosiče k maximální modulační frekvencí menší než dvě; Porovnejme to s FM zvukové vysílání, ve kterém je poměr se pohybuje kolem 10.000. Uvažujme například, nosič 6 MHz modulovaný při rychlosti 3,5 MHz; podle Bessel analýzy, první postranní pásma jsou o 9,5 a 2,5 MHz a druhé postranní pásma jsou na 13 MHz a -1 MHz. Výsledkem je reverzní fázi postranním pásmem o +1 MHz; na demodulaci, to má za následek nechtěné výstupu na 6-1 = 5 MHz. Systém musí být navržen tak, aby tato nežádoucí výstup je snížena na přijatelnou úroveň.

Zvuk

FM je také používán u zvukových kmitočtů syntetizovat zvuk. Tato technika, známý jako FM syntéza , byl propagován časnými digitální syntezátory a stal se standardní funkce v několika generací osobních počítačů zvukových karet .

Rádio

Američan FM radio vysílač v Buffalu ve státě New York v WEDG

Edwin Howard Armstrong (1890-1954) byl americký elektrotechnik, který vynalezl širokopásmovou frekvenční modulace (FM) rádio. Patentoval regenerační okruh v roce 1914 se superhet v roce 1918 a obvod super-regenerativní v 1922. Armstrong představil svůj papír, „metoda redukčních nepokojů v rozhlasovém signalizování systémem frekvenční modulace“, (která byla poprvé popsána FM rádio ) před části New Yorku z institutu rozhlasových techniků 6. listopadu 1935. článek byl publikován v roce 1936.

Jak název napovídá, širokopásmový FM (WFM) vyžaduje větší šířku pásma signálu než amplitudové modulace ekvivalentním řídicím signálem; to také dělá signál více robustní proti hluku a rušení . Frekvenční modulace je také odolnější proti signál amplitudové úniky jevů. Jako výsledek, FM byl vybrán jako modulační standard pro vysokou frekvenci, s vysokou věrností rádiového přenosu, proto termín „ FM rádio “ (ačkoli na mnoho let BBC volal to „VHF“, protože komerční FM vysílání používá část VHF pásmu -The vysílání FM pásmo ). FM přijímače používají speciální detektor pro FM signálů a vykazují jev známý jako záchytné efekt , ve kterém tuner „zachycuje“ silnější dvou stanic na stejné frekvenci, zatímco zamítnutí druhého (srovnej to s podobnou situací na přijímači AM , kde obě stanice mohou být slyšet současně). Nicméně frekvence drift nebo nedostatek selektivity může způsobit jedna stanice bude předjíždění jiným na sousedním kanále . Frekvence drift byl problém na počátku (nebo levné) přijímače; nedostatečná selektivita může ovlivnit jakoukoliv tuner.

FM signál může také být používán nést stereofonní signál; toto je děláno s multiplexování a demultiplexování před a po procesu FM. Modulace a demodulace proces FM je totožný ve stereo a mono procesů. Vysoce výkonný radiofrekvenční spínací zesilovač může být použit pro vysílání FM signálů (a jiné s konstantní amplitudou signálu ). Pro danou sílu signálu (měřeno na anténě přijímače), spínací zesilovače použít méně energie a obvykle stojí méně než lineární zesilovač . To dává fm další výhodu ve srovnání s jinými způsoby modulace, které vyžadují lineární zesilovače, jako je AM a QAM .

FM je běžně používaný v VHF rádiových kmitočtů pro hi-fi vysílání hudby a řeči . Analogový TV zvuk je také vysílání pomocí FM. Úzkopásmové FM se používá pro hlasovou komunikaci v komerčních i radioamatérské nastavení. V vysílacích služeb, pokud audio věrnost je důležité, širokopásmový FM je obecně používán. V obousměrné rádio , úzkopásmové FM (NBFM) slouží k zachování šířky pásma pro pozemní mobilní, námořní mobil a jiné rozhlasové služby.

Existují zprávy, že dne 5. října 1924, profesor Michail A. Bonch-Bruevich během vědeckého a technického rozhovoru v Nižním Novgorodu Radio Laboratory , informoval o svém novém způsobu telefonování, na základě změny v období oscilací. Demonstrace frekvenční modulace se provádí na laboratorním modelu.

viz též

Reference

Další čtení

  • A. Bruce Carlson. Komunikační systémy, 4. vydání. McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 2001. ISBN  0-07-011127-8 , ISBN  978-0-07-011127-1 .
  • Gary L. Frost. Early FM rádio: Incremental Technology v dvacátého století Americe. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2010. ISBN  0-8018-9440-9 , ISBN  978-0-8018-9440-4 .
  • Ken Seymour, AT & T Wireless (Mobility). Frequency Modulation, The Electronics Handbook, str 1188-1200, 1. vydání, 1996. 2. vydání, 2005 CRC Press, Inc., ISBN  0-8493-8345-5 (první vydání).