Modulert frekvens

Modulasjonsteknikker
analog modulasjon
digital modulasjon
  • SPØRRE
  • APSK
  • CPM
  • FSK
  • GMFK
  • GMSK
  • MFSK
  • MSK
  • greit
  • PPM
  • PSK
  • QAM
  • SC-FDMA
  • TCM
  • spredt spekter
  • CSS
  • DSSS
  • FHSS
  • THSS
  • Se også
  • Feiloppdaging og retting
  • demodulasjon
  • online koder
  • Modem
  • PAM
  • PCM
  • PWM
  • ΔΣM
  • OFDM
  • Frekvensmodulasjon ( FM ), [ 1 ] ​eller frekvensmodulasjon , [ 2 ] ​[ 3 ]​ er en vinkelmodulasjonsteknikk [ 4 ] ​[ n 1 ]​ som gjør at informasjon kan overføres gjennom en bærebølge ved å variere frekvensen . . I analoge applikasjoner er den øyeblikkelige frekvensen til det modulerte signalet proporsjonal med den øyeblikkelige verdien til det modulerende signalet. Digitale data kan sendes ved å skifte frekvensbølgeformen mellom et sett med diskrete verdier, modulasjon kjent som frekvensskiftnøkling .

    Frekvensmodulasjon brukes ofte i svært høyfrekvensbånd for musikk- og talekringkasting og lyd i analog TV . Smalbånd eller N-FM (Narrow-FM) overføring brukes til talekommunikasjon i toveisradio, i motsetning til typen som brukes i kommersiell FM-kringkasting som kalles FM bredbånd FM. (fra akronymet på engelsk "Wide-FM"). Dessuten brukes den til å sende signaler til verdensrommet.

    Frekvensmodulering ble også brukt ved mellomfrekvenser i de fleste analoge videosystemer , inkludert VHS -systemet , for å registrere luminansen (signal av svart og hvitt) til videosignalet. Frekvensmodulering er den eneste mulige metoden for å ta opp video og reprodusere magnetbånd uten ekstrem forvrengning, for eksempel videosignaler med et bredt utvalg av frekvenskomponenter, fra noen få hertz til flere megahertz .

    Blant de viktigste fremskrittene som skjer innen kommunikasjon, er en av de viktigste uten tvil forbedringen av et overførings- og mottakssystem i egenskaper som signal-til-støy-forholdet, siden det gir større sikkerhet i dem. Dette er hvordan trinnet fra amplitudemodulasjon (AM) til frekvensmodulasjon (FM) etablerer et viktig fremskritt ikke bare i forbedringen av signal-til-støy-forholdet, men også i den større motstanden mot effekten av fading og interferens. , så vanlig i AM.

    Frekvensmodulasjon brukes også på lydfrekvenser for å syntetisere lyd. Denne teknikken, kjent som FM-syntese, ble populær i de tidlige dagene av digitale synthesizere og ble en standardfunksjon for flere generasjoner av personlige datamaskin -lydkort .

    Terminologi

    Denne teknikken kalles "frekvensmodulasjon", [ 2 ]​ [ 3 ]​ selv om begrepet "frekvensmodulasjon" også brukes, fra det engelske " frekvensmodulasjon ", synonymt med førstnevnte. [ 1 ] Akronymet "FM" brukes som en forkortelse for begge valørene. [ 2 ]

    Matematisk teori

    Grunnleggende [ 4 ]

    Et sinusformet signal uttrykkes vanligvis som:

    ( 1 )

    hvor:

    : amplitude av signalet.

    : øyeblikkelig fase av det sinusformede signalet.

    c : konstant vinkelfrekvens for signalet og

    : faseavvik.

    I vinkelmodulasjon holdes amplituden til et sinusformet signal, kalt bærebølgen, konstant og faseforskyvningen endres kontinuerlig over tid slik at dens øyeblikkelige vinkelfrekvens i et gitt øyeblikk er:

    ( 2 )

    Hvor er det øyeblikkelige frekvensavviket, og derfor er den øyeblikkelige fasen til enhver tid integralet av ligning ( 2 ) med hensyn til tid:

    ( 3 )

    Ved frekvensmodulasjon er det øyeblikkelige frekvensavviket proporsjonalt med den øyeblikkelige verdien til det modulerende signalet . [ 2 ] Proporsjonalitetskonstanten, i dette tilfellet, er . Matematisk uttrykkes dette som:

    ( 4 )

    Derfor har ligning ( 3 ) formen:

    ( 5 )

    Inkludert likhet ( 5 ) inne i ( 1 ) får vi:

    ( 6 )

    hvor er amplituden til bærebølgen og er dens vinkelfrekvens uten modulasjon. Proporsjonalitetsfaktoren er også kjent som frekvensmodulatoravviksfølsomhet hvis enhet er radianer/(V*s).

    Forutsatt at det modulerende signalet er sinusformet, det vil si at uttrykket for ( 6 ) blir:

    ( 7 )

    Uttrykket som følger med sinusfunksjonen i ( 7 ) er modulasjonsindeksen for FM :

    som ikke har noen måleenhet, så ligning ( 7 ) kan skrives om som:

    ( 8 )

    Bessel funksjoner

    I tilfellet ovenfor, der bærebølgen er modulert av en sinusformet bølge, kan det resulterende frekvensspekteret ikke enkelt uttrykkes med Fourier-transformasjonen , men kan beregnes ved å bruke Bessel-funksjonene av den første typen orden n-th , avhengig av antall sidebånd og modulasjonsindeksen m. Bærebølgeamplituder og sidebånd er illustrert for forskjellige modulasjonshastigheter for FM-signaler, og der denne figuren ikke er synlig, er det fordi amplituden til slike bånd er mindre enn 0,01. For visse spesielle verdier av modulasjonsindeksen blir bærebølgeamplituden null og all signaleffekten er i sidebåndene. [ 5 ] Som et eksempel, et 3 kHz avvik forårsaket av en 2 kHz modulerende sinusformet, resulterer i en modulasjonsindeks på 1,5, hvorfra 8 sidebånd kommer ut, på begge sider av bæresignalet. Den vedlagte tabellen viser noen verdier med hensyn til , tatt i betraktning at bare halvparten av sidebåndene vises, siden de andre er like i amplitude:


    Modulasjonsindeks _
    Sidebånds amplitude
    Transportør 1 to 3 4 5 6 7 8 9 10 elleve 12 1. 3 14 femten 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

    Carsons regel

    I en artikkel fra 1922 utviklet den amerikanske ingeniøren og oppfinneren John Renshaw Carson en tommelfingerregel som sier at nesten all kraften (omtrent 98%) til et FM-signal er innenfor en båndbredde på:

    hvor er frekvensavviket og er maksimal modulasjonsfrekvens. Betingelsen for at denne regelen skal gjelde er at det modulerende signalet er sinusformet. Hvis dette ikke er tilfelle, brukes en ligning som ligner på den forrige:

    Igjen, er frekvensforskyvningen, er den maksimale frekvensen til det modulerende signalet, og er offsetforholdet, som er forholdet mellom frekvensforskyvningen og den høyeste frekvensen til det ikke-sinusformede modulerende signalet.

    Applikasjoner i radio

    Den amerikanske ingeniøren og oppfinneren Edwin Armstrong presenterte sin studie A Method of Reducing Radio Nuisance Using a Frequency Modulation System , som først beskrev FM , før New York -delen av Institute of Radio Engineers 6. november 1935. Studien ble publisert i 1935. [ 6 ]

    FM for bredbåndskringkasting (W-FM) krever større båndbredde enn amplitudemodulasjon for det samme modulerende signalet, men gjør igjen signalet mer motstandsdyktig mot støy og forstyrrelser . Frekvensmodulasjon er også mer motstandsdyktig mot fading, noe som er veldig vanlig i AM. Av disse grunnene ble FM valgt som standarden for høykvalitets radiooverføring , noe som resulterte i begrepet " FM Radio " (selv om BBC i mange år kalte det "VHF Radio", siden FM-kringkasting bruker en viktig del av VHF -båndet ).

    FM -radiomottakere bruker en passende detektor for FM-signaler og viser et fenomen som kalles fangsteffekt , der tuneren er i stand til å motta det sterkeste signalet av de som sender på samme frekvens. Imidlertid kan frekvensdrift eller mangel på selektivitet føre til at en stasjon eller signal plutselig blir overtatt av en annen på en tilstøtende kanal . Frekvensdrift har generelt vært et problem i eldre eller billige mottakere, mens utilstrekkelig selektivitet kan påvirke enhver mottaker.

    Et FM-signal kan også brukes til å bære et stereosignal . Dette gjøres imidlertid ved å bruke multipleksing og demultipleksing før og etter FM-prosessen: Et modulerende signal (i baseband ) er bygd opp av summen av de to kanalene (venstre og høyre), og en tone legges til pilot ved 19 kHz ; Et forskjellssignal fra begge kanalene moduleres deretter ved 38 kHz i dobbelt sidebånd og legges til den forrige modulatoren. På denne måten oppnås kompatibilitet med gamle mottakere som ikke er stereofoniske, og også implementeringen av demodulatoren er veldig enkel.

    Høyeffektiv radiofrekvenssvitsjeforsterkning kan brukes til å overføre FM-signaler (og andre signaler med konstant amplitude). For en gitt signalstyrke (målt ved mottakerantennen), bruker bytteforsterkere mindre strøm og koster mindre enn en lineær forsterker. Dette gir FM en annen fordel i forhold til andre modulasjonsskjemaer som krever lineære forsterkere, som AM og QAM.

    Andre applikasjoner

    Frekvensmodulasjon finner anvendelse i et stort antall kommunikasjonssystemer. Skillet mellom to tilstøtende kanaler er 200 kHz og avviket per frekvens er . Bortsett fra FM-kringkasting, mellom 87 og 108 MHz, brukes FM også i følgende applikasjoner:

    Teknologi

    FM-modulator

    Moduleringen av en bærebølge på FM, selv om den kan gjøres på forskjellige måter, er et delikat problem fordi det trengs to motsatte egenskaper: frekvensstabilitet og at det modulerende signalet varierer i frekvens. Derfor er den enkle løsningen med å påføre det modulerende signalet direkte til en spenningsstyrt oscillator (VCO) ikke tilfredsstillende.

    FM-demodulator

    Som i tilfellet med modulatoren, er den også mer kompleks enn AM-en. To metoder brukes hovedsakelig:

    Båndbreddevurdering

    I motsetning til tilfellet med amplitudemodulasjon, som konsentrerer seg om bærefrekvensen og to sidebånd, utvides båndbredden til et FM-signal på ubestemt tid med en standard amplitude eller overføringsområde på 58 kHz med 6 overføringskanaler, og kansellerer bare ved visse diskrete frekvensverdier . Når det modulerende signalet er sinusformet, er det resulterende effektspekteret diskret og symmetrisk med hensyn til bærefrekvensen, og bidraget fra hver frekvens til spekteret til det modulerte signalet har å gjøre med Bessel-funksjoner av den første typen, som vist ovenfor. .

    Notater

    1. Også vinkelmodulasjon kalles eksponentiell modulasjon. (Se "Communication Systems", A. Bruce Carlson, 4. utgave på spansk)

    Se også

    Referanser

    1. a b "frekvensmodulasjon" . Spanish Dictionary of Engineering (1.0-utgave). Royal Academy of Engineering i Spania . 2014 . Hentet 13. november 2014 . 
    2. a b c d "frekvensmodulasjon" . Spanish Dictionary of Engineering (1.0-utgave). Royal Academy of Engineering i Spania . 2014 . Hentet 13. november 2014 . 
    3. a b Royal Spanish Academy og Association of Academy of the Spanish Language. «modulasjon» . Dictionary of the Spanish Language (23. utgave) . Hentet 13. november 2014 . 
    4. ^ a b Tomasi, Wayne (2003). «Kapittel 6. Overføring ved vinkelmodulasjon». I Guillermo Trujano Mendoza, red. Elektroniske kommunikasjonssystemer . Naucalpan de Juarez, Edo. of Mexico, Mexico: Pearson Education of Mexico, SA de CV s. 228-237. ISBN  970-26-0316-1 . 
    5. ^ Frenzel, Louis (2016). «Kapittel 5. Grunnleggende om frekvensmodulering». Prinsipper for elektroniske kommunikasjonssystemer (på engelsk) (4. utgave). New York, USA: McGraw Hill. s. 159. ISBN  978-0-07-337385-0 . 
    6. ^ "En metode for å redusere forstyrrelser i radiosignalering ved hjelp av et system for frekvensmodulering" . Proceedings of the IRE (IRE) 24 (5): 689-740. mai 1936. 

    Eksterne lenker