Модуляция фм: теория, временная и частотная области

Содержание

теория, временная и частотная области

Добавлено 10 июня 2018 в 17:37

Сохранить или поделиться

Фазовая модуляция (ФМ, англ. PM) похожа на частотную модуляцию и является важной технологией в цифровых системах связи.

Все мы слышали об AM радио и FM радио. Но фазовая модуляция, видимо, относится к другой категории – «PM радио» ни в коем случае не является распространенным термином. Оказывается, что фазовая модуляция более актуальна в контексте цифровой радиосвязи. Тем не менее, мы можем сказать, что PM радио так же распространено, как FM радио, просто потому, что между фазовой модуляцией и частотной модуляцией мало различий. ЧМ и ФМ лучше всего рассматривать как два тесно связанных варианта угловой модуляции, где «угол» относится к модификации величины, передаваемой функции синуса или косинуса.

Математика

В предыдущей статье мы видели, что частотная модуляция достигается путем добавления интеграла низкочастотного модулирующего сигнала к аргументу функции синуса или косинуса (где функция синуса или косинуса представляет собой сигнал несущей):

\[x_{чм}(t)=\sin \left( \omega_{нес}t+\int_{-\infty}^{t} x_{нч}(t)dt \right) \]

Однако вы вспомните, что мы перешли к частотной модуляции, сначала обсуждая фазовую модуляцию: добавление самого низкочастотного модулирующего сигнала, а не его интеграла, заставляет фазу меняться в соответствии с амплитудой модулирующего сигнала. Таким образом, фазовая модуляция на самом деле немного проще частотной.

\[x_{фм}(t)=\sin \left( \omega_{нес}t+x_{нч}(t) \right) \]

Как и в случае частотной модуляции, мы можем использовать индекс модуляции, чтобы сделать изменения фазы более чувствительными к изменениям амплитуды низкочастотного модулирующего сигнала:

\[x_{фм}(t)=\sin \left( \omega_{нес}t+mx_{нч}(t) \right) \]

Сходство между фазовой и частотной модуляциями становится более явным, если мы рассмотрим низкочастотный модулирующий сигнал, состоящий из одной частоты. Предположим, что x_нч(t) = sin(ω_нчt). Интеграл синуса равен отрицательному косинусу (плюс константа, которую мы можем здесь игнорировать) – другими словами, интеграл представляет собой просто сдвинутую по времени версию исходного сигнала. Таким образом, если мы выполняем фазовую модуляцию и частотную модуляцию с помощью этого низкочастотного модулирующего сигнала, единственной разницей в модулированных сигналах будет выравнивание между амплитудой низкочастотного модулирующего сигнала и изменениями в сигнале несущей; сами изменения будут одинаковы. Это будет понятно в следующем разделе, где мы рассмотрим некоторые временны́е графики.

Важно иметь в виду, что мы имеем дело с мгновенной фазой, так же как частотная модуляция основана на концепции мгновенной частоты. Термин «фаза» довольно расплывчатый. Одно знакомое значение относится к начальному состоянию синусоиды; например «обычная» синусоида начинается со значения нуля и затем увеличивается в сторону своего максимального значения. Синусоида, которая начинается в другой точке своего периода, имеет сдвиг фазы. Мы можем также думать о фазе как о конкретной части полного периода сигнала, например, в фазе π/2 синусоида завершила одну четверть своего периода.

Эти интерпретации «фазы» нам не очень помогают, когда мы имеем дело с фазой, которая постоянно изменяется в зависимости от формы низкочастотного модулирующего сигнала. Скорее мы используем концепцию мгновенной фазы, т.е. фазы в заданный момент времени, которая соответствует значению, переданному (в заданный момент) тригонометрической функции. Мы можем думать об этих непрерывных изменениях в мгновенной фазе как о «толкании» значения несущей дальше или ближе к предыдущему состоянию формы волны.

Еще одна вещь, о которой нужно помнить: тригонометрические функции, включая синус и косинус, работают с углами. Изменение аргумента тригонометрической функции эквивалентно изменению угла, а это объясняет, почему и частотная, и фазовая модуляции описываются как угловая модуляция.

Временна́я область

Мы будем использовать те же сигналы, которые использовали при обсуждении FM, то есть несущую 10 МГц и низкочастотный модулирующий сигнал синусоиды 1 МГц:

Несущая частотаНизкочастотный сигнал

Ниже показан частотно-модулированный сигнал (с m=4), который мы видели в предыдущей статье:

Частотная модуляция (m=4)

Мы можем рассчитать форму волны фазомодулированного сигнала, используя следующую формулу, где сигнал, добавленный к аргументу волны сигнала несущей, использует положительный синус (т.е. исходный сигнал) вместо отрицательного косинуса (т.6\times2\pi t) \right) \]

Ниже показан график сигнала с фазовой модуляцией:

Фазовая модуляция (m=4)

Прежде чем обсудить его, давайте посмотрим на диаграмму, которая одновременно показывает формы частотно-модулированного сигнала и фазомодулированного сигнала:

Сравнение сигналов с частотной и фазовой модуляциями

Первое, что здесь приходит в голову, это то, что с визуальной точки зрения частотная модуляция более интуитивно понятна по сравнению с фазовой модуляцией; существует четкая визуальная связь между участками с более высокой и низкой частотой и более высокими и более низкими уровнями низкочастотного модулирующего сигнала. В фазовой модуляции связь между низкочастотным модулирующим сигналом и поведением несущей, возможно, не сразу очевидна. Однако после небольшого осмотра мы видим, что частота несущей в фазовой модуляции соответствует наклону формы волны модулирующего сигнала, наиболее высокочастотные участки соответствуют времени самого крутого положительного наклона x_нч, а наиболее низкочастотные участки соответствуют времени самого крутого отрицательного наклона.

Это имеет смысл. Напомним, что частота (как функция времени) является производно фазы (как функции времени). При фазовой модуляции наклон формы низкочастотного модулирующего сигнала определяет, как быстро изменяется фаза, и скорость изменения фазы эквивалентна частоте. Поэтому в фазомодулированном сигнале высокий наклон модулирующего сигнала соответствует высокой частоте, а низкий наклон модулирующего сигнала соответствует низкой частоте. В частотной модуляции мы используем интеграл от x_нч, который приводит к сдвигу высокочастотных (или низкочастотных) участков несущей к значениям модулирующего сигнала, следующих после высоких (или низких) наклонных участков формы низкочастотного модулирующего сигнала.

Частотная область

Предыдущие графики во временной области демонстрируют сказанное ранее: частотная модуляция и фазовая модуляция очень похожи. Поэтому неудивительно, что эффект от фазовой модуляции в частотной области аналогичен эффекту от частотной модуляции. Ниже представлены спектры сигналов с фазовой модуляцией с использованием сигнала несущей и низкочастотного модулирующего сигнала, используемых выше:

Спектр фазомодулированного сигнала при m=1Спектр фазомодулированного сигнала при m=4

Резюме

Фазовая модуляция рассчитывается путем добавления низкочастотного модулирующего сигнала к аргументу функции синуса или косинуса, которая представляет собой сигнал несущей.
Индекс модуляции делает изменения фазы более или менее чувствительными к поведению модулирующего сигнала.
Эффекты от фазовой модуляции в частотной области похожи на эффекты от частотной модуляции.
Аналоговая фазовая модуляция не распространена, однако цифровая фазовая модуляция используется широко.

Оригинал статьи:

PM и FM модуляция

Содержание

Обнаружили ошибку? Выделите ее мышью и нажмите

Введение

При рассмотрении полосовых радиосигналов было введено понятие полосового сигнала в виде

(1)

где — комплексный сигнал, — комплексная огибающая радиосигнала. Также было показано, что при управлении в соответствии с модулирующим сигналом амплитудой полосового радиосигнала получим различные разновидности амплитудной модуляции при неизменной . В данной статье мы рассмотрим класс сигналов с угловой модуляцией, у которых будет изменятся фаза радиосигнала, а амплитуда остается постоянной.

Полная фаза и мгновенная частота. Сигналы с угловой модуляцией

Для начала вспомним понятие полной фазы радиосигнала

(2)

а также понятие мгновенной частоты радиосигнала, как производной от полной фазы:

(3)

Сигналы, у которых изменяется полная фаза в соответствии с модулирующим сигналом называются сигналами с угловой модуляцией.

Для начала рассмотрим сигналы с фазовой модуляцией (phase modulation PM). У сигналов с PM полная фаза изменяется в соответствии с модулирующим сигналом:

(4)

где называется индексом фазовой модуляции или девиацией фазы, а модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицы

Тогда комплексная огибающая PM сигнала имеет вид:

(5)

а сам радиосигнал может быть представлен следующим образом:

(6)

Теперь рассмотрим сигнал с частотной модуляцией (frequency modulation FM). В отличии от PM при частотной модуляции происходит изменение мгновенной частоты радиосигнала:

(7)

где называется индексом частотной модуляции или девиацией частоты, а модулирующий сигнал по модулю не превосходит единицы Тогда полную фазу радиосигнала можно рассчитать как интеграл от мгновенной частоты:

(8)

Сигнал с FM имеет вид:

(9)

где — произвольная постоянная интегрирования полной фазы (8). Обратите внимание, что абсолютно не верно подставлять выражение для мгновенной частоты вместо несущей частоты в выражение для полосового сигнала:

(10)

так как Правильным является выражение (9)!

Девиация частоты и фазы

Поясним смысл девиации частоты и фазы. При PM задается девиация фазы, которая показывает максимальное фазовое отклонение модулированного сигнала относительно несущего колебания при этом при PM отклонение мгновенной частоты от несущей частоты не регулируется, а определяется частотой модулирующего сигнала. При FM задается девиация частоты, то есть максимальное отклонение мгновенной частоты от частоты сигнала вне зависимости от частоты модулирующего сигнала. Отклонения фазы при этом будут такие, какие необходимы для заданной девиации частоты. Рассмотрим вышесказанное на примере однотональной угловой модуляции при , где - частота модулирующего сигнала, — начальная фаза модулирующего сигнала. Заметим, что . Тогда сигнал с фазовой модуляцией:

(11)

А сигнал с однотональной частотной модуляцией имеет вид

(12)

Тогда сравнивая (11) и (12) учтя что при соответствующих значениях может переходить в косинус, можно сделать вывод, что при однотональной угловой модуляции девиация частоты и фазы связаны соотношением:

(13)

Можно сделать вывод: при FM, когда задана девиация частоты , девиация фазы будет тем больше чем меньше частота модулирующего колебания. И наоборот при PM и фиксированной девиации фазы , девиация частоты будет тем больше, чем больше . Рассмотрим это на примере. Пусть сигнал с FM и задана девиация частоты , частота модулирующего сигнала , тогда девиация фазы при заданных частотах будет равна Теперь уменьшим частоту модулирующего сигнала в 10 раз до , тогда при той же заданной частоте девиации девиация фазы увеличится в 10 раз до значения Таким образом, при фиксированной девиации частоты, девиация фазы увеличивается с уменьшением частоты модулирующего сигнала. Увеличение девиации фазы можно пояснить так: частота сигнала уменьшилась, а требуемое частотное отклонение осталось неизменным и для того чтобы получить тоже частотное отклонение необходимо поворачивать фазу несущего колебания на бОльший угол. Пусть теперь сигнал с PM и уже задана девиация фазы , тогда при получим девиацию частоты , но при увеличении частоты модулирующего сигнала в 10 раз получим увеличение девиации частоты в 10 раз до . Думаю, данный пример понятен. Если остались вопросы по вышесказанному, прошу на форум . Мы же перейдем к схемам формирования сигналов с угловой модуляцией.

Структурные схемы PM и FM модуляторов

Для этого рассмотрим комплексные огибающие сигналов PM и FM и воспользуемся универсальным квадратурным модулятором. Комплексная огибающая сигналов c PM представлена выражением (5), из которого следуют следующие квадратурные составляющие:

(14)

Тогда PM модулятор на базе универсального квадратурного модулятора может быть представлен следующим образом (рисунок 1).

Рисунок 1: Структурная схема PM модулятора

На вход подается модулирующий сигнал, который нормируется по амплитуде, так чтобы амплитуда не превышала единицы. Затем сигнал усиливается в раз, тем самым задается девиация фазы, затем формируется комплексная огибающая согласно выражению (14), и наконец квадратурный модулятор формирует радиосигнал. Усилитель — вынесен на выход, он усиливает радиосигнал до нужного уровня.

Комплексная огибающая FM имеет вид:

(15)

Тогда

(16)

Схема FM модулятора (рисунок 2) очень похожа на схему PM модулятора (рисунок 1):

Рисунок 2: Структурная схема FM модулятора

Отличие схемы FM модулятора от схемы PM заключается в том, что нормированный модулирующий сигнал интегрируется, и усилитель задает не девиацию фазы , а девиацию частоты . Если модулирующий сигнал нормирован по амплитуде тогда формировать PM сигнал можно при помощи FM модулятора, а FM сигнал при помощи PM модулятора, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Формирование FM при помощи PM и PM при помощи FM

Рассмотрим формирование FM сигнала при помощи PM модулятора. Входной сигнал нормируется потом интегрируется, затем подается на вход PM модулятора, выделенного желтым на рисунке 1. В качестве девиации фазы в PM модулятор вводится значение девиации частоты и на выходе будет FM сигнал. Теперь рассмотрим формирование PM сигнала при помощи FM модулятора. В FM модуляторе нормированный сигнал интегрируется, однако этого не требуется в PM модуляторе. Поэтому предварительно нормированный модулирующий сигнал дифференцируется. Таким образом, последовательное дифференцирование и интегрирование не изменяют нормированный модулирующий сигнал. В качестве девиации частоты в FM модулятор вводится девиация фазы .

Векторное представление комплексной огибающей сигналов с угловой модуляцией

Рассмотрим теперь векторное представление комплексной огибающей сигналов с угловой модуляцией. Из выражения (5) комплексной огибающей PM сигнала следует, что вектор имеет постоянную амплитуду, и изменяет свой угол поворота в соответствии с модулирующим сигналом. Поскольку сигнал нормирован, то есть или то можно сказать, что модуль максимального угла отклонения вектора комплексной огибающей равен девиации фазы . При вектор вычерчивает дугу (рисунок 4 а). При вектор вычерчивает окружность (рисунок 4 б), а при вектор может делать несколько оборотов (рисунок 4 в).

Рисунок 4: Векторная диаграмма комплексной огибающей PM сигнала

Скорость вращения вектора задается модулирующим сигналом. Векторная диаграмма комплексной огибающей FM сигнала качественно не отличается от векторной диаграммы комплексной огибающей PM сигнала. Отличие заключается в том что максимальный угол поворота вектора равный девиации фазы изменяется в зависимости от частоты входного сигнала согласно выражению (13). При низкочастотном входном сигнале, когда , согласно (13) и вектор комплексной огибающей FM сигнала отклоняется на угол , совершая при этом множество оборотов.

В конце приведем осциллограммы PM и FM сигналов (рисунок 5).

Рисунок 5: Осциллограммы PM и FM сигналов

Из рисунка 5 следует, что максимальная частота несущего колебания при PM будет при максимальной производной модулирующего сигнала (в районе 75 и 175 мкс), а минимальная частота сигнала с PM будет при минимальной отрицательной производной модулирующего сигнала (в районе 25, 125 и 225 мкс). При FM максимальная частота сигнала соответствует максимальному значению модулирующего сигнала (в районе 100 и 200 мкс), а минимальная частота будет при минимальном отрицательном значении модулирующего сигнала (в районе 50 и 150 мкс).

Выводы

Таким образом, мы рассмотрели фазовую PM и частотную FM модуляции, показали их взаимосвязь. Получены выражения для комплексной огибающей PM и FM. Рассмотрены параметры угловой модуляции девиация частоты и фазы и показана их взаимосвязь. Приведены структурные схемы PM и FM модуляторов на базе универсального квадратурного модулятора.

Информация была полезна? Поделитесь с друзьями!

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Список литературы

[1] Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Москва, ЛЕНАНД, 2016, 528 c. ISBN 978-5-9710-2464-4

[2] Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы Москва, Советское радио, 1977, 608 c.

[3] Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов СПб, Питер, 2002.

Последнее изменение страницы: 07.02.2021 (14:13:21)

Страница создана Latex to HTML translator ver. 5.20.11.14

Модуляция

Модуляция сигнала — процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.

В анализе сигналов рассматривают три основных вида модуляции:

Амплитудная модуляция – АМ (Amplitude Modulation — АМ)
Частотная модуляция – ЧМ (Frequency Modulation – FM)
Фазовая модуляция – ФМ (Phase Modulation – PM)

В цифровой сотовой связи известна также квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature Phase Shift Keying — QPSK), минимальная манипуляция (Minimum Shift Keying – MSK) и т.п.

Это разновидности фазовой или частотной модуляций, предназначенные для передачи дискретных (цифровых) сигналов, и английский термин Shift Keying, переводимый обычно как манипуляция, в буквальном смысле означает переключение сдвигом или переключение скачком, т.е. дискретное переключение.

Дискретная модуляция (модуляция дискретными сигналами) имеет свою специфику и во многом отличается от модуляции непрерывными сигналами.

В качестве требований для методов модуляции указывают:

высокую спектральную эффективность,
низкий уровень помех по смежным частотным каналам
низкую частоту битовой ошибки (Bit Error Rate — BER)
экономичность (эффективность использования энергии источника питания, что особенно актуально для подвижной станции)
простоту реализации.

В стандарте D-AMPS используется дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом ( Differential Quadrature Phase Shift Keying — QPSK),

В стандарте GSM используется гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying — GMSK). Несущая частота дискретно – через интервалы времени, кратные периоду битовой модулирующей последовательности, — принимает значения

Или

Где:

— центральная частота используемого частотного канала,

— частота битовой последовательности.

Разнос частот — минимально возможный, при котором обеспечивается ортогональность колебаний частот и набегает разность фаз, равная .

Термин “минимальный сдвиг” относится к сдвигу частоты.

Поскольку модулирующая частота в этом случае равна , а девиация частоты , индекс частотной модуляции составляет .

Термин “гауссовская” соответствует дополнительной фильтрации модулирующей битовой последовательности относительно узкополосным гауссовским фильтром.

Это отличает метод GMSK от метода MSK.

Метод MSK иногда рассматривают как метод квадратурной фазовой манипуляции со смещением, но с заменой прямоугольных модулирующих импульсов длительности полуволновыми отрезками синусоид и косинусоид.

В методе MSK входная последовательность битовых импульсов модулятора разбивается на две последовательности, состоящие соответственно из нечетных и четных импульсов, и модулированный сигнал (выходной сигнал модулятора) на протяжении очередного -ого бита определяется выражением, зависящим от состояния текущего -го бита и предшествующего -го бита:

В начало

Содержание портала

Радиофизика

История предприятия

В связи с интенсивным развитием в конце 50-х годов стратегических наступательных вооружений, а также воздушно-космических средств ведения разведки, Правительство страны приняло решение о создании самостоятельной научно-технической и производственной базы по разработке и внедрению специальной антенной техники для нужд радиолокации и связи.

С этой целью Распоряжением Мосгорсовнархоза СССР в составе Машиностроительного завода им. М. В. Хруничева 31 декабря 1960 года образовано СКБ № 38.

Приказом Государственного Комитета Совета Министров СССР по радиоэлектронике 03 декабря 1962г. СКВ № 38 передано Тушинскому машиностроительному заводу.

В 1960-62 г. г. коллектив предприятия в содружестве с ЦКБ «Алмаз» занимался внедрением в серийное производство на авиа-заводе им. М. В. Хруничева системы С-75. Участвовал в разработке конструкции АФУ систем С-125 и С-200, внедрял в серийное производство на заводе им. М. В. Хруничева, затем на Тушинском машиностроительном заводе и на Горьковском авиа-заводе. Принимал непосредственное участие в разработке новых технологических процессов на этих заводах.
Продолжить чтение

Радиофизика сегодня

Деятельность предприятия носит прикладной характер, результатом которой являются высокотехнологичные, наукоемкие продукты и решения, реализуемые в крупных проектах по созданию новейшей радиоэлектронной аппаратуры, как в интересах народного хозяйства, так и в целях укрепления обороноспособности страны.

Приоритетными направлениями деятельности предприятия является создание радиотехнических комплексов морского, воздушного и космического базирования, а также системы цифровой фиксированной спутниковой связи в интересах управления воздушным движением России.

Высокий технический и технологический уровень разработок опирается на опытный и высококвалифицированный коллектив специалистов, хорошо оснащенную экспериментально-измерительную базу, имеющую в своём составе обрабатывающее и технологическое оборудование, а так же измерительные комплексы лучших мировых производителей.
В последние годы основные усилия разработчиков сосредоточены в области создания многоканальных цифровых активных фазированных антенных решеток (АФАР) и радиосистем на их основе в различных частотных диапазонах. Полученные результаты опираются на созданную технологию серийного производства многоканальных приемопередающих модулей (ППМ) на основе бескорпусных монолитных интегральных схем (МИС) и собственных микросборок на их основе.

Продолжить чтение

Фазовая модуляция — Физическая энциклопедия

ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ФМ) — целенаправленное изменение фазы колебат. процесса во времени (см. Колебания). Широко используется для передачи информации путём установления соответствия передаваемой информации с фазой колебат. процесса. Для электрич. колебаний

где U₀-амплитуда модулированного колебания; y(t)- полная фаза колебаний; w₀— частота несущей; Ф₀ — нач. фаза; Ф(t)-составляющая полной фазы колебаний, изменяющаяся в процессе модуляции. Мгновенная частота модулированного по фазе колебания w(t) является производной по времени полной фазы колебаний:

При модуляции гармоническим сигналом с частотой W

Амплитуда изменения фазы т наз. индексом угл. модуляции или д е в и а ц и е й ф а з ы. Макс. отклонение частоты, определяемое из (2) и (3) как Dw=mW наз. д е в и а ц и е й ч а с т о т ы. При гармонической модуляции фазомодулиро-ванное колебание с индексом модуляции т полностью совпадает с частотно-модулированным колебанием с девиацией частоты Dw=mW. Различие между фазовой и частотной модуляцией обнаруживается при модуляции спектром частот. При фазовой модуляции индекс модуляции не зависит от частоты модуляции (т = const), а девиация частоты пропорц. частоте модуляции (Dw=mW). При частотной модуляции девиация частоты не зависит от частоты модуляции (Dw=const) , а индекс модуляции обратно пропорц. частоте модуляции m=Dw/W

Спектр фазомодулированного колебания даже при модуляции гармоническим сигналом состоит из бесконечного числа боковых составляющих, симметрично отстоящих от частоты несущей w₀ на величины, кратные частоте модуляции W. Амплитуды боковых составляющих А_п выражаются через Бесселя функции первого рода n-го порядка (см. Цилиндрические функции):

где А₀ — амплитуда немодулированного колебания. Следовательно, сигнал при ФМ занимает бесконечную полосу частот. Большая часть энергии спектра фазомодулированного колебания сосредоточена в ограниченной полосе частот. При малых индексах модуляции (m<<1) осн. энергия спектра сосредоточена в полосе частот 2W_B, где W_B — наивысшая частота спектра ф-ции изменения фазы (модулирующей ф-ции). При больших индексах модуляции (m<<1) ширина спектра фазомодулированного сигнала близка к удвоенной девиации частоты.

Для передачи информации, заданной в цифровой форме, могут использоваться разл. методы ФМ. К простейшим из них относится дискретная ФМ, или фазовая манипуляция (ФМн), при к-рой производится дискретное переключение фазы колебат. процесса. Составляющая полной фазы колебаний в (1) в этом случае периодически через каждые Т секунд переключается в соответствии с передаваемым цифровым сигналом. Тактовый интервал Т определяет скорость передачи информации. Внутри тактового интервала Ф(t)=const. Кол-во допустимых фазовых состояний п определяет позиционность ФМн. Мин. фазовый сдвиг при п-позиционной ФМн составляет Ф=2p/n рад. При двухпози-ционной ФМн (n = 2) фаза несущего колебания принимает одно из двух значений (0° или 180°) и соответствует передаваемому биту информации. При четырёхпозиционной ФМн (n = 4) фаза несущего колебания принимает одно из четырёх возможных значений, отстоящих друг от друга на 90°. При этом каждое из фазовых состояний соответствует двум битам передаваемой информации.

Разновидностями ФМн являются абсолютная и относительная ФМн. При абс. ФМн передаваемой информации ставится в соответствие абс. фаза ВЧ-сигнала. Для выделения информации на приёмной стороне должна быть известна нач. фаза ВЧ-сигнала Ф₀. При относит. ФМн передаваемой информации ставится в соответствие изменение фазы ВЧ-сигнала относительно фазы предыдущей посылки. На приёмной стороне информация выделяется путём сравнения фаз двух соседних посылок.

Осн. характеристики метода модуляции-энергетические и спектральные. Энергетич. характеристикой метода модуляции является его помехоустойчивость, определяющаяся минимально необходимым отношением ср. энергии сигнала в одном бите информации E_бит к спектральной плотности мощности шума на входе приёмного устройства при к-ром обеспечивается приём информации с заданной достоверностью. К спектральным характеристикам метода модуляции относятся минимально необходимая полоса пропускания, требуемая для передачи информации с заданной скоростью, и уровень излучения вне этой полосы. Первая характеристика определяет «компактность» спектра модулированного сигнала, вторая — характеризует его эл—магн. совместимость (ЭМС).

Дискретная ФМ, и в особенности двухпозиционная ФМн, обладают высокой помехоустойчивостью, что объясняется существенным различием сигналов в двух возможных состояниях (рис. 1).

Рис. 1. Векторные диаграммы сигналов и помех для двухпозиционной (а) и четырёхпозиционной ( б)ФМн: -векторы напряжений сигналов при передаче информационных символов 0 и 1 соответственно; — векторы напряжений сигналов при передаче комбинаций из двух информационных символов 00, 01, 10, 11 соответственно; U_П — вектор напряжения помехи; U_S— вектор суммы напряжений сигнала и помехи. Штриховкой отмечены области, в которых сигнал с наложенной помехой может быть правильно принят приёмным устройством.

Особенностью ФМн является наличие скачков фазы на границах тактовых интервалов, к-рые могут достигать 180°. Скачки фазы — причина расширения спектра ВЧ-сигнала. Медленное спадание спектра ФМ сигнала ухудшает его спектральные характеристики. Улучшенные характеристики ЭМС достигаются при использовании методов модуляции со сдвигом (офсетные методы модуляции). Эти методы основаны на квадратурном способе получения модуляции. Фазоманипулированный сигнал (1) может быть представлен в виде суммы двух квадратурных составляющих:

Следовательно, для получения ФМн сигнала может использоваться схема, в к-рой производится суммирование двух квадратурных сигналов. В ФМн со сдвигом переключение фазы в одном из квадратурных каналов задерживается на половину тактового интервала (Т/2). В четырёхпозиционной ФМн со сдвигом фаза результирующего сигнала изменяется не более чем на 90°, но переключения фазы имеют место каждые Т/2 секунд. Исключение скачков фазы на 180° приводит к более резкому спаданию спектра за пределами необходимой полосы пропускания. Дополнит. улучшение спектральных характеристик может быть достигнуто путём полного исключения любых разрывов фазы. Существует целый класс видов модуляции с непрерывной фазой. В этих видах модуляции фаза колебания внутри тактового интервала не остаётся постоянной, а плавно изменяется, причём нач. значение фазы на k-ом тактовом интервале совпадает с конечным значением фазы на (k— 1)-ом тактовом интервале. Если внутри тактового интервала фаза изменяется по линейному закону, то частота колебаний на каждом тактовом интервале остаётся постоянной. Изменение частоты в этом случае может иметь место только на границах тактовых интервалов, причём в момент скачкообразного изменения частоты разрыва фазы не происходит. Этот вид ФМ наз. частотной модуляцией с непрерывной фазой (ЧМНФ). Составляющая полной фазы колебаний Ф(t) в (1) для сигнала ЧМНФ имеет вид

где Т-длительность тактового интервала; D=DfT -индекс манипуляции; Df-отклонение частоты, соответствующее передаче разл. информац. символов; b_k=+1 — последовательность информац. символов. При D = 0,5 относит. набег фазы за время одного символа равен 90°. Такая модуляция наз. манипуляцией с мин. сдвигом (ММС). «Дерево» возможных изменений относит. набега фазы бинарного ЧМНФ сигнала для случая линейного изменения фазы внутри тактового интервала показано на рис. 2. На границах тактовых интервалов может иметь место разрыв производной фазы (скачок частоты). Скорость спа-дания спектральной плотности ср. мощности (СПМ) для достаточно больших отстроек относительно центр. частоты тем выше, чем большее кол-во непрерывных производных имеет ф-ция изменения фазы. Для увеличения скорости спадания СПМ выбирается такая форма изменения набега фазы, при к-рой обеспечивается непрерывность изменения производных этой ф-ции как внутри тактового интервала, так и на его границах. Сглаживание фазовой характеристики по к—л. закону осуществляется при помощи соответствующей фильтрации.

Рис. 2. «Дерево» возможных изменений относительного набега фазы при линейном изменении фазы внутри тактового интервала.

Существенно более высокая скорость спадания СПМ обеспечивается в случае задания фазовой характеристики на основе кодирования информац. цифровой последовательности. Напр., фазовая характеристика может быть задана законом

Этот вид модуляции наз. управляемой частотной модуляцией (УЧМ). На рис. 3 показано изменение фазы Ф(t) при передаче нек-рой информац. цифровой последовательности при использовании модуляции типов ММС, ММС с синусоидальным сглаживанием и УЧМ. На рис. 4 приведены СПМ при передаче последовательности случайных независимых равновероятных двоичных символов этими видами модуляции.

Рис.3. Изменение фазы Ф(t) при модуляции ММС ( штриховая линия), ММС с синусоидальным сглаживанием (пунктирная линия) и УЧМ (сплошная линия).

Рис. 4. Спектральная плотность средней мощности при передаче последовательности случайных независимых символов модуляцией ММС (штриховая линия), ММС с синусоидальным сглаживанием (пунктирная линия) и УЧМ (сплошная линия).

Лит.: 1) Говоровский И. С., Демин М. П., Радиотехнические цепи и сигналы, 5 изд., М., 1994; 2) Соколинский В. Г., Шейнкман В. Г., Частотные и фазовые модуляторы и манипуляторы, М., 1983; 3) Gronemeyer S. A., McBride A. L., MSK and Offset QPSK modulation, «IEEE Trans. on Commun.», 1976, v. СОМ-24, № 8, p. 809; 4) De Jager F., Dekker С. В., Tamed frequency modulation. A Novel method to achieve spectrum economy in digital transmission, «IEEE Trans. on Commun.», 1978, v. COM-26, № 5, p. 534. В. Г. Шейнкман.

Предметный указатель >>

5.2.1 Технологии беспроводной связи

В случае беспроводной связи передача данных происходит посредством электромагнитных волн в радиоэфире. Для беспроводной связи используются частоты простирающиеся в область ультравысоких частот (UHF — Ultra High Frequencies), в диапозоне 300 — 3000 MHz и и с длиной волны 1-10 дм. Это область дециметровых волн, в которой работают мобильные телефоны, устройства беспроводной связи, телевизионные передатчики, а также микроволновые печи.

Для передачи информации модулируют несущие сигналы. Методами модуляции являются:

Амплитудная модуляция (AM), в случае которой амплитуда несущего сигнала варьируется в соответствии с сигналами данных
Частотная модуляция (FM), в случае которой частота несущего сигнала изменяется в соответствии с сигналами данных
Фазовая модуляция (PM), в случае которой фаза несущего сигнала изменяется в соответствии с передаваемыми сигналами данных.

При передачи данных через радиоэфир биты кодируются в символы. Andmete ülekandmisel üle raadioeetri kodeeritakse bitid sümboliteks. Для этого связывают значения битов в соответствие фазовому сдвигу в радиосигнале. Зная, что всего возможно 360 градусов для сдвига по фазе, можем закодировать ряд битов в один символ.

Цифровая фазовая модуляция (PSK - Phase-Shift Keying) есть метод модуляции по фазе, прстейшим вариантом из которых является бинарная фазовая модуляция, при которой у фазы передающей волны возможно только 2 значения: 0 и 180 градусов. В случае бинарной фазовой модуляции каждым символом передаётся один бит.

Рисунок 5‑4. Бинарная фазовая модуляция (Q — квадратурная составлящая;I — синфазная составляющая)

В случае квадратурной фазовой модуляции у фазы передающей волны может быть 4 различные значения с шагом 90 градусов, что даёт возможность передавать с каждым символом 2 бита.

Рисунок 5‑5. Квадратурная фазовая модуляция (Q — квадратурная составлящая; I — синфазная составляющая)

Используется также фазовая модуляция с 8 фазами, 8PSK, что даёт возможность передавать с каждым символом 3 бита. Она используется, например, в случае EDGE передачи данных. Используя 3 бита на символ, каждый символ может передавать 8 различных значения. Таким образом можно повысить скорость передачи данных.

Рисунок 5‑6. 8PSK фазовая модуляция (Q — квадратурная составлящая;I — синфазная составляющая)

Чтобы определить на принимающей стороне, какая фаза какому значению сигнала соответствует, приходится использовать синхронизированный сигнал поддержки, фаза которого известна. Поэтому в основном в цифровых системах связи используется дифференциальная фазовая модуляция, в случае которой необходимость в сигнале поддержки отпадает.

При дифференциальной модуляции базой изменения сигнала берётся предыдущее значение, т. е. берётся в расчёт различие в конкретных битах с их предшествующим значением..

Дифференциальная двоично-фазовая модуляция (DBPSK — Differential Bi-Phase Shift Keyeing) есть схема модуляции, которая использует инвертирование фазы сигнала. Значение 0 соответствует неизменённой фазе, а значение1 меняет фазу. Такой подход используется, например, в WiFi сетях для передачи сигналов.

Дифференциальная квадратур-фазовая модуляция (DQPSK — Differential Quadrature Phase Shift Keying) — в случае этой техники модуляции фаза может обладать 4 различными значениями. Она используется в WiFi или Bluetooth сетях с передачей данных 2 Mbit/s.

Для передачи 4 или большего числа битов используется квадратур-амплитудная модуляция (QAM — Quadrature Amplitude Modulation), в случае которой в дополнение к фазе модулируется также амплитуда несущей волны. В случае такой модуляции с двумя 90-градусными сдвигами изменяется амплитуда несущего сигнала, чтобы представить сигнал данных.В случае QAM модуляции можно с каждым символом передавать 2 бита: один бит соответствует одной, а второй бит другой амплитуде несущего сигнала. Если каждый несущий сигнал моделируется на двух уровнях, то получаем DQPSK модуляцию и разом можно передать один из четырёх возможных символов — 4QAM. QAM различные вариации находятся в промежутке от 16 до 256. Чем выше номер, тем короче дистанция и тем меньше разрешаемый шум для корректной передачи.

Цифровая передача может происходить либо по технологии узкой полосы передачи, либо с использованием техники спектрального разложения. Технология спектрального разложения делит передачу данных на имеющуюся полосу пропускания. Таким образом достигают большего противодействия шуму. Её используют в мобильной связи и в беспроводных сетях.

Различными техниками спектрального разложеня являются:

Такую схему модуляции, в которой выполняют модулирование вместе срасширение спектра, можно реализовть, используя следующие техники:

FDMA (Frequency Divison Multiple Access) даёт каждому пользователю свою частоту.
TDMA (Time Division Multiple Access) разделяет пользователей во времени, назначяя интервалы для каждого канала. Кждый канал именуют интервалом времени, поскольку это резервируует точный интервал времени для каждого радиопакета. Используется в системе мобильной связи GSM.
CDMA (Code Division Multiple Access) используется во многих 3G системах. Пользователей различают кодами.
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) CDMA сисемы широкоолосная версия. WCDMA есть один из рарешённых UMTS стандартом IMT-2000 методов радиосвязи. Иногда вместо имени WCDMA испльзуется имя FDD (Frequency Division Duplex).

синтез | Digital Music Academy

Частотная модуляция или FM-синтез (Frequency Modulation, FM-synthesis) — это тип синтеза, при котором звуковое колебание формируется воздействием одной простой синусоидальной волны (модулирующего сигнала) на частоту другой волны (несущего сигнала) . С помощью частотной модуляции можно получить спектрально богатые и сложные звуки, которых трудно добиться другими методами синтеза.

Методом частотной модуляции практически невозможно воссоздать звуки живых акустических инструментов, зато он позволяет получать необычные, яркие и оригинальные тембры.

Частотная модуляция сигнала использовалась в радиосвязи с 1930-х гг., а технологию синтеза музыкальных звуков посредством частотной модуляции разработал композитор Джон Чоунинг (John Chowning). В 1970 году он получил патент, который затем передал Стэнфордскому университету, в котором преподавал, за символическую плату в $1.

Амплитудная и частотная модуляция,
в первом случае (АМ) мы видим, что по определенной функции (в данном случае y=sin(x)) изменяется амплитуда колебаний несущей волны, а во втором (ЧМ) — частота.

В отличие от модуляции посредством LFO (низкочастотного осциллятора), при которой частота модулирующего сигнала ниже 20 Гц, т.е. не воспринимается как звук, в случае FM-синтеза модулирующий сигнал имеет частоту звукового диапазона, и таким образом изменяет не амплитуду или частоту, а спектральный состав сигнала:

результат модулирования (слева) и сложения (справа) двух сигналов

А поскольку осцилляторов (или «операторов» в терминологии FM-синтеза) может быть несколько, и каждый из них может модулировать любой другой, становится возможным получение бесконечного разнообразия тембров. Один сигнал посредством частотной модуляции усложняет другой, второй, в свою очередь, воздействует на третий, и так далее (например, в Yamaha DX7 используется 6 операторов).

В 1977 году права на технологию FM-синтеза приобрела компания Yamaha, которая активно развивала её и вскоре выпустила линейку FM-синтезаторов: Yamaha GS1 (1981), Yamaha DX7 (1983, одна из наиболее продаваемых моделей синтезаторов в истории) и др.

Yamaha DX7

Это были одни из первых цифровых синтезаторов, поскольку технология FM-синтеза подразумевает цифровую генерацию колебаний. Частоты операторов должны быть строго кратны друг другу, иначе вместо звуков определенной высоты генерируется разнообразный шум, а VCO аналоговых синтезаторов не обладают необходимой точностью, более того, именно их легкая «расстроенность» обеспечивает богатый и сочный тембр субтрактивного синтезатора.

FM-чип. Специальная Коллекция Стэнфордской Библиотеки

Каждый из операторов Yamaha DX7 представляет собой простейший модуль с двумя входами (высота и модулирующий сигнал) и одним выходом, состоящий из осциллятора и генератора огибающей:

Шесть операторов синтезатора могут быть скоммутированы в различной последовательности, при этом каждый из них может выполнять роль как модулятора, так и несущего сигнала (в т.ч. модулировать сам себя), обеспечивая огромное многообразие вариантов взаимодействия:

Пресетные патчи Yamaha DX7:

Factory internal presets (ROM-1 A MASTER GROUP)
	1 BRASS 1	Classic ’80 synth brass.
	2 BRASS 2	A variant on the classic synth brass.
	3 BRASS 3	Muted brass, typically the breath controller was used for these types of sounds.
	4 STRINGS 1	Glassy strings, typically FM. The DX7 was never renowned for its string sounds — most everybody preferred the warmth and body of a true analog for string parts.
	5 STRINGS 2	Variation of the above.
	6 STRINGS 3	Full string orchestra.
	7 ORCHESTRA	Rich orchestral setup. This was great for the time.
	8 PIANO 1	Nice approximation of a grand piano, with its own character.
	9 PIANO 2	Rough rock ‘n’ roll piano.
	10 PIANO 3	Detuned upright.
	11 E.PIANO 1	THE MOST FAMOUS PATCH OF THE ’80s!!!!!!! Used by EVERYBODY, the fabled INT11 preset has become a standard sound (aka «FM piano» in all modern workstations, of all brands. It was manipulated in many ways, but the typical add-on was a wide chorus, to achieve that polished, professional sound. Mixed with a regular piano sound, it became the «L.A. piano», a standard for mid-80s ballads.
	12 GUITAR 1	Solid guitar sound. Quite expressive and hypnotic!
	13 GUITAR 2	Heavy guitar rendition.
	14 SYN-LEAD 1	Very nice, quasi-analog synth solo. Reminds of the sound used by Chick Corea (which he mixed with another electric piano type of sound).
	15 BASS 1	THE OTHER CLASSIC DX7 PATCH!!!!!!! This bass was used as the MAIN BASS for SO MANY ’80s productions. Listen back and you’ll spot it easily. Again, this patch now has become a standard (FM Bass) and lives in all modern synthesizer workstations, of any brand.
	16 BASS 2	Very nice and expressive fretless bass. This sound is also an FM trademark.
	17 E.ORGAN 1	Aha! I bet you didn’t remember the DX7 Hammond organ sound to be this good! Yep, the sine waves of the DX7 lend themselves very well to create a Hammond sound.
	18 PIPES 1	Powerful and noble pipe organ.
	19 HARPSICH 1	Realistically programmed harpsichord, key release and all.
	20 CLAV 1	Awesome Clavinet sound. Just add wah-wah.
	21 VIBE 1	Intriguing, beautiful digital sound. These were the types of sounds that the other synthesizers of the era could not do at all — and in part helped the DX7 rise to the top.
	22 MARIMBA	Another classic DX7 sound!!! Very used in the mid-80s
	23 KOTO	Excellent reproduction of the Japanese instrument.
	24 FLUTE 1	Much was said about the realism of this patch, at the time. Today, it doesn’t stand out as such, but in 1983, especially if you used a breath controller, it didn’t get more real than this (unless you sold your car and bought on of the first samplers, such as the Emulator I)
	25 ORCH-CHIME	Beautiful, angelic orchestral pad.
	26 TUB BELLS	Graceful tubular bells. Again, a sound that no other synthesis but FM at the time could reproduce.
	27 STEEL DRUM	Cool steel drums.
	28 TIMPANI	Expertly programmed, and very expressive orchestral percussion.
	29 REFS WHISL	Dead-on referee whistle!
	30 VOICE 1	Another DX7 signature sound — the hollow digital voices. Useful as a pad and for many other purposes.
	31 TRAIN	Marvelously programmed setup, with the aftertouch controlling the volume of the «steam engine» sound. Split keyboard to achieve all these sounds. This was for the time, absolutely groundbreaking.
	32 TAKE OFF	At the end, the usual sci-fi sounds step in. Common in synths of that era.
ROM 1-B KEYBOARD AND PLUCKED SOUNDS GROUP
	2 PIANO 5	A nice, intimate piano.
	4 E.PIANO 3	Wurlitzer variant of the electric piano
	13 E.ORGAN 2	Jazz organ, with some of the higher drawbars pulled out.
	16 E.ORGAN 5	Great Farfisa / Vox combo organ sound!
	18 PIPES 3	Solemn church organ — very well programmed!
	20 CALIOPE	Cute calliope puff organ sound
ROM 2-A ORCHESTRAL & PERCUSSIVE SOUNDS GROUP
	1 PICCOLO	Super cute piccolo flute sound
	3 OBOE	Realistic oboe
	4 CLARINET	Realistic clarinet
	18 HARMONICA1	This preset was used in a VERY FAMOUS hit song of the ’80s: Tina Turner’s «What’s Love Got To Do With It?»
	26 GONG 1	Ominous gong sound
	32 LOG DRUM	Excellent wood percussion sounds
ROM 2-B SYNTH, COMPLEX & EFFECTS SOUNDS GROUP
	2 SYN-LEAD 3	Another great, expressive ’80s solo synth
	6 SYN-CLAV 2	Throaty, funny synth clav
	10 SYNBRASS 2	More DX7 signature synbrass sounds.
	16 SYN-BASS 2	Typical FM bass —
	22 B.DRM-SNAR	Analog sounding TR-808 type.
	24 EVOLUTION	Strange, evolving synthesizer FX
	26 WASP STING	Great emulation!
	27 LASER GUN	More sci-fi FX
	31 ST.HELENS	Disturbed transmission
ROM 3-A MASTER GROUP
	15 JAZZ GUIT1	Awesome jazz hollow-body guitar!
	28 GRAND PRIX	Classic car racing sound FX
	31 BRASS S H	Synth brass with Sample and Hold effect (mod wheel)
ROM 3-B KEYBOARD & PLUCKED SOUNDS GROUP
	3 E.GRAND 2	Nice electric grand, a la CP-80
	14 E.ORGAN 3	Happy ’60s electric organ sound
	26 LUTE	Airy and transparent lute sound
ROM 4-A ORCHESTRAL & PERCUSSIVE SOUNDS GROUP
	5 BASSOON	Realistic emulation of a bassoon.
	25 VOICES	Icy, mysterious digital voices.
	26 XYLOPHONE	Nice xylophone
	27 COWBELL	Well-programmed cow bell.
ROM 4-B COMPLEX SOUND & EFFECTS GROUP
	2 PERC BRASS	Nice percussive synbrass.
	4 HARPSI-STG	Very interesting amalgam..
	8 STRG-CHIME	Nice split.
	20 FILTER SWP	Ok emulation of a filter sweep (the DX7 doesn’t have filters..)
	22 WILD BOAR	LOL! Great sound.
	23 SHIMMER	Happy sci-fi sound
	30 ..GOTCHA..	Yep!

За Yamaha DX7 последовали различные её модификации: настольная версия TX7, мультитембральные версии DX7S, DX7IID, DX7IIFD и рэковая TX802, а также инструменты с другим количеством операторов (например, модель DX11 и ее рэковая версия TX81Z имеют 4 оператора). Модель DX5 имела два комплекта операторов DX7 в одном корпусе, а рэковый монстр TX816 — целых восемь.

Кроме того, был выпущен синтезатор с шестиоктавной полновзвешенной клавиатурой и дополнительным большим светодиодным дисплеем для отображения алгоритмов FM-синтеза и других параметров — Yamaha DX1.

В 1990 году выходит легендарный SY77 и его рэковая версия TG77, затем более навороченный SY99. Эти инструменты отличало, главным образом, наличие фильтров, которые давали им все возможности субтрактивного синтеза, а также использование семплированных звуков (AWM), которые можно смешивать со звуками, синтезированными путем частотной модуляции.

Вершиной FM-синтеза от Yamaha стал модуль FS1R, заключавший в себе возможности 8-операторного FM- и формантного синтеза (Formant Shaping Synthesis).

Компания Casio разработала похожую технологию — PD-синтез (Phase Distortion Synthesis), и в середине 80-х выпустила серию синтезаторов CZ с таким типом синтеза.

Срок действия патента на FM-синтез истек в 1995 году, и возможности частотной модуляции стали использоваться в синтезаторах других производителей.

Дополнительно: Джон Чоунинг — «отец» цифрового синтезатора

Что такое FM, частотная модуляция »Электроника

Частотная модуляция, FM, используется во многих приложениях от радиовещания до связи и предлагает ряд преимуществ по сравнению с другими режимами.

Учебное пособие по частотной модуляции Включает:
Частотная модуляция, FM Индекс модуляции и коэффициент отклонения Боковые полосы FM, полоса пропускания FM демодуляция Детектор наклона FM Детектор отношения FM Детектор Foster Seeley ЧМ демодулятор с ФАПЧ Квадратурный демодулятор МСК ГМСК

Форматы модуляции: Типы и методы модуляции Амплитудная модуляция Фазовая модуляция Квадратурная амплитудная модуляция

Хотя изменение амплитуды радиосигнала является наиболее очевидным методом его модуляции, это ни в коем случае не единственный способ.Также можно изменить частоту сигнала, чтобы получить частотную модуляцию или FM. Частотная модуляция широко используется на частотах выше 30 МГц, и особенно хорошо известна своим использованием для радиовещания в диапазоне УКВ FM.

Хотя это может быть не так просто, как амплитудная модуляция, тем не менее частотная модуляция, FM, дает некоторые явные преимущества. Он способен обеспечивать прием почти без помех, и именно по этой причине он был принят для звукового вещания на УКВ.Эти передачи могут предлагать высококачественный звук, и по этой причине частотная модуляция гораздо более популярна, чем более старые передачи в длинных, средних и коротких диапазонах волн.

Помимо широкого использования для высококачественного аудиовещания, FM также используется для различных систем двусторонней радиосвязи. Будь то для стационарных или мобильных систем радиосвязи или для использования в портативных приложениях, FM широко используется на УКВ и выше.

Недорогое FM-радиовещание

Что такое частотная модуляция, FM?

Для генерации частотно-модулированного сигнала частота несущей радиосигнала изменяется в соответствии с амплитудой входящего аудиосигнала.

Частотная модуляция, FM

Когда аудиосигнал модулируется на несущую радиочастоту, новый радиочастотный сигнал перемещается вверх и вниз по частоте. Величина, на которую сигнал перемещается вверх и вниз, важна. Он известен как отклонение и обычно обозначается как отклонение в килогерцах. Например, сигнал может иметь отклонение плюс и минус 3 кГц, то есть ± 3 кГц. В этом случае несущая перемещается вверх и вниз на 3 кГц.

Радиовещательные станции в УКВ-диапазоне частотного спектра между 88.5 и 108 МГц используют большие значения девиации, обычно ± 75 кГц. Это известно как широкополосный FM (WBFM). Эти сигналы могут поддерживать передачу высокого качества, но занимают большую полосу пропускания. Обычно для каждой широкополосной FM-передачи допускается 200 кГц. Для коммуникационных целей используется меньшая пропускная способность. Узкополосный FM (NBFM) часто использует значения девиации около ± 3 кГц.

Это узкополосный FM, который обычно используется для приложений двусторонней радиосвязи. Имея более узкую полосу, она не может обеспечить высокое качество широкополосной передачи, но это не требуется для таких приложений, как мобильная радиосвязь.

Типичный небольшой портативный FM-приемопередатчик радиосвязи

Демодуляция частоты

Как и в случае с любой другой формой модуляции, необходимо иметь возможность успешно демодулировать ее и восстановить исходный сигнал. FM-демодулятор может называться различными именами, включая FM-демодулятор, FM-детектор или FM-дискриминатор.

Существует несколько различных типов FM-демодуляторов, но все они позволяют преобразовывать изменения частоты входящего сигнала в изменения амплитуды на выходе.Обычно они подаются на аудиоусилитель или, возможно, на цифровой интерфейс, если данные передаются по системе.

Модуляторы FM

Существует множество различных методов, которые можно использовать для генерации частотно-модулированных сигналов.

Генератор на варакторном диоде: Этот метод просто требует использования варакторного диода, помещенного в настроенную цепь схемы генератора. Можно даже использовать варакторный диод в схеме кварцевого генератора.Обычно при повторном использовании кварцевых генераторов сигнал необходимо умножить по частоте, и можно достичь только узкополосной ЧМ.
Контур фазовой автоподстройки частоты: Контуры фазовой автоподстройки частоты обеспечивают превосходный метод генерации частотной модуляции. Часто необходимо тщательно управлять ограничениями внутри цикла, но после того, как это сделано, это обеспечивает отличное решение.

Преимущества и недостатки частотной модуляции

Как и у любой формы модуляции, у ее использования есть несколько преимуществ и недостатков.Их необходимо учитывать, прежде чем принимать какое-либо решение или выбор относительно его использования:

Преимущества частотной модуляции, FM:

Устойчивость к шуму: Одним из особых преимуществ частотной модуляции является ее устойчивость к изменениям уровня сигнала. Модуляция осуществляется только в виде вариаций частоты. Это означает, что любые изменения уровня сигнала не повлияют на аудиовыход при условии, что сигнал не упадет до уровня, с которым приемник не сможет справиться.В результате это делает FM идеальным для приложений мобильной радиосвязи, в том числе более общей двусторонней радиосвязи или портативных приложений, где уровни сигнала могут значительно различаться. Другое преимущество FM — устойчивость к шумам и помехам. По этой причине FM используется для высококачественного вещания.
Простота применения модуляции на ступени малой мощности передатчика: Еще одно преимущество частотной модуляции связано с передатчиками.Можно применить модуляцию к каскаду малой мощности передатчика, и нет необходимости использовать линейную форму усиления для увеличения уровня мощности сигнала до его конечного значения.
Можно использовать эффективные РЧ-усилители с частотно-модулированными сигналами: Можно использовать нелинейные РЧ-усилители для усиления FM-сигналов в передатчике, и они более эффективны, чем линейные, необходимые для сигналов с любой амплитудой вариации (e.грамм. AM и SSB). Это означает, что для данной выходной мощности требуется меньший заряд батареи, и это делает использование FM более целесообразным для портативных приложений двусторонней радиосвязи.

Преимущества частотной модуляции, FM:

FM имеет более низкую спектральную эффективность, чем некоторые другие форматы модуляции: Некоторые форматы фазовой модуляции и квадратурной амплитудной модуляции имеют более высокую спектральную эффективность для передачи данных, чем частотная манипуляция, форма частотной модуляции.В результате большинство систем передачи данных используют PSK и QAM.
Требуется более сложный демодулятор: Одним из незначительных недостатков частотной модуляции является то, что демодулятор немного сложнее и, следовательно, немного дороже, чем очень простые диодные детекторы, используемые для AM. Однако в наши дни это гораздо менее серьезная проблема, потому что многие радиоинтегральные схемы включают встроенный частотный демодулятор.
Некоторые другие режимы имеют более высокую спектральную эффективность данных: Некоторые форматы фазовой модуляции и квадратурной амплитудной модуляции имеют более высокую спектральную эффективность для передачи данных, чем частотная манипуляция, форма частотной модуляции.В результате большинство систем передачи данных используют PSK и QAM.
Боковые полосы простираются до бесконечности в обе стороны: Боковые полосы для FM-передачи теоретически простираются до бесконечности. Обычно они важны для передач с широкополосной частотной модуляцией, хотя и малы для узкополосной ЧМ. Чтобы ограничить полосу пропускания передачи, часто используются фильтры, которые вносят некоторое искажение сигнала. Обычно это не слишком большая проблема, хотя следует позаботиться о том, чтобы включить эти фильтры для широкополосной ЧМ и убедиться, что они правильно спроектированы.

Как появился FM

На заре развития радио статические помехи были серьезной проблемой, и все пытались уменьшить влияние статических помех за счет уменьшения полосы пропускания — таким образом, приемник улавливал меньше шума.

Американский инженер Эдвин Армстронг исследовал эту проблему и выяснил, может ли частотная модуляция, а не амплитудная модуляция, дать преимущество.

Примерно в 1928 году Армстронг начал разрабатывать концепцию использования FM, и вместо того, чтобы сокращать полосу пропускания, он ее увеличил.

Многие не соглашались с идеями Армстронга по разным причинам. Он обратился в RCA, и, хотя они были впечатлены, они сосредоточились на телевидении и не хотели отвлекать какие-либо ресурсы на новую форму вещания.

После многих трудностей Армстронг в 1939 году запустил собственную радиостанцию, чтобы продемонстрировать эффективность FM. Для размещения этой и других станций, следующих за FCC, выделена полоса частот от 42 до 50 МГц.Вскоре последовали и другие, но после войны FCC в США изменила выделенную полосу частот на ту, что мы знаем сегодня, между 88 и 108 МГц. Несмотря на то, что вначале было немного больно, потому что было продано несколько сотен тысяч радиостанций, группа была принята во всем мире, и это диапазон УКВ FM, который мы знаем сегодня.

После того, как FM стал средой для высококачественного вещания, он быстро развился.

В дополнение к этому, вид узкополосного FM стал популярным для мобильной связи в диапазонах УКВ и УВЧ.Природа FM означала, что колебания силы сигнала не влияли на работу почти так сильно, как если бы это был сигнал AM.

Индекс модуляции и коэффициент отклонения

При использовании частотно-модулированного сигнала очень полезно иметь меру того, что фактически является уровнем модуляции.

Это полезно при определении параметров, например, является ли сигнал узкополосным или широкополосным частотно-модулированным сигналом. Это также очень полезно для обеспечения того, чтобы все передатчики или приемники в системе были настроены на соответствие стандартизованному уровню модуляции, поскольку он влияет на такие параметры, как ширина полосы приемника, разнос каналов и тому подобное.

Для определения уровня модуляции используются цифры, известные как индекс модуляции и коэффициент отклонения.

Диапазон FM

Одним из ключевых элементов FM-сигнала является его полоса пропускания. При любом частотно-модулированном сигнале боковые полосы выходят в обе стороны. Они на самом деле простираются до бесконечности, но их интенсивность спадает. К счастью, можно ограничить полосу пропускания FM-сигнала без чрезмерного ухудшения его качества.

Частотная модуляция широко используется во многих областях радиотехники, включая радиовещание и области двусторонней радиосвязи.В этих приложениях можно эффективно использовать его особые преимущества.

В то время как другие формы модуляции используются во многих областях, FM по-прежнему обеспечивает высочайшее качество для радиовещания, а также множество преимуществ для других форм связи.

Другие важные темы по радио:
Радиосигналы Типы и методы модуляции Амплитудная модуляция Модуляция частоты OFDM ВЧ микширование Петли фазовой автоподстройки частоты Синтезаторы частот Пассивная интермодуляция ВЧ аттенюаторы RF фильтры Радиочастотный циркулятор Типы радиоприемников Радио Superhet Избирательность приемника Чувствительность приемника Обработка сильного сигнала приемника Динамический диапазон приемника
Вернуться в меню тем радио.. .

Что такое частотная модуляция? Определение и часто задаваемые вопросы

Определение частотной модуляции

Модуляция — это процесс, с помощью которого информация кодируется из источника сообщения, чтобы оптимизировать ее для передачи. Частотная модуляция (FM) — это кодирование информации в несущей волне путем изменения мгновенной частоты волны. FM-технология широко используется в области вычислений, телекоммуникаций и обработки сигналов.

Часто задаваемые вопросы

Что такое частотная модуляция?

Частотная модуляция — это модуляция, при которой частота несущей волны изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала, сохраняя постоянную фазу и амплитуду. Изменение частоты несущей волны выполняется с целью отправки данных или информации на небольшие расстояния.

Индекс частотной модуляции постоянно превышает 1, требует широкой полосы пропускания в диапазоне 200 кГц, работает в диапазоне очень высоких частот от 88 до 108 мегагерц, имеет сложную схему с бесконечным количеством боковых полос и обеспечивает высокое качество приема. сигнал с высоким качеством звука.Частотная и фазовая модуляция являются дополнительными основными методами угловой модуляции, которая представляет собой класс модуляции несущей частоты, часто используемый в системах передачи данных.

FM-сигналы могут быть сгенерированы либо с помощью прямой частотной модуляции, которая достигается путем ввода сообщения непосредственно в генератор, управляемого напряжением, либо с помощью косвенной частотной модуляции, которая достигается путем интеграции сигнала сообщения для генерации модулированного по фазе. сигнал, который затем используется для модуляции кварцевого генератора, результат которого передается через умножитель частоты для получения FM-сигнала.

Варианты использования частотной модуляции включают FM-радиовещание, системы магнитной записи, мониторинг новорожденных на предмет припадков с помощью ЭЭГ, радар, сейсморазведку, синтез звука, телеметрию, системы двусторонней радиосвязи и системы передачи видео.

Уравнение частотной модуляции: FM: VFM (t) = Vco sin (2 p [fc + (Df / Vmo) Vm (t)] t + f)

Амплитудная модуляция против частотной модуляции

Амплитудная модуляция (AM) равна модуляция, при которой амплитуда несущей волны изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала, сохраняя постоянную фазу и частоту.Изменение амплитуды несущей волны выполняется с целью отправки данных или информации на большие расстояния.

Индекс амплитудной модуляции колеблется от 0 до 1, требует низкой полосы пропускания в диапазоне 10 кГц, работает в диапазонах средних и высоких частот от 535 до 1705 килогерц, имеет простую схему только с двумя боковыми полосами и принимает сигналы низкого качества с плохое качество звука.

FM и AM работают одинаково, однако способ модуляции их несущих волн отличается.В режиме AM сила сигнала меняется, чтобы включить звуковую информацию. В FM частота, с которой ток изменяет направление в секунду для несущего сигнала, изменяется, чтобы включить звуковую информацию.

Частотная модуляция в системах связи

В телекоммуникациях используются два различных типа частотной модуляции: аналоговая частотная модуляция и цифровая частотная модуляция.

При аналоговой модуляции сигнал данных модулируется непрерывно изменяющейся синусоидальной несущей.Три определяющих свойства несущей волны — частота, амплитуда и фаза — используются для создания AM, PM и фазовой модуляции. Цифровая модуляция, классифицируемая как клавиша сдвига частоты, клавиша сдвига амплитуды или клавиша сдвига фазы, работает аналогично аналоговой, однако там, где аналоговая модуляция обычно используется для AM, FM и коротковолнового радиовещания, цифровая модуляция включает передачу двоичных сигналов ( 0 и 1).

Частотная модуляция в анализе вибрации

Анализ вибрации — это процесс измерения и анализа уровней и моделей сигналов вибрации или частот машинного оборудования с целью обнаружения аномальных вибрационных событий и оценки общего состояния машин и их компонентов.Анализ вибрации особенно полезен для вращающегося оборудования, в котором существуют механизмы неисправности, которые могут вызвать аномалии амплитудной и частотной модуляции. Процесс демодуляции может напрямую обнаруживать эти частоты модуляции и используется для восстановления информационного содержания из модулированной несущей волны.

Как OmniSci помогает контролировать частотную модуляцию?

Во многих телекоммуникационных сетях необходимо реализовать модуляцию, чтобы информационные сигналы были представлены в виде волны, которая может эффективно проходить через среду передачи.Затем этот модулированный сигнал возвращается к исходному сигналу, несущему информацию, посредством демодуляции. Нарушение этой передачи может произойти, если есть отклонения в модулированных сигналах.

Обнаружение аномалий сигналов или аномальных моделей вибрации в огромных объемах сигналов данных невозможно с использованием традиционных решений. Используя OmniSci, телекоммуникационные аналитики могут легко обнаруживать и визуализировать аномалии сетевых сигналов из миллиардов строк записей с помощью SQL-запросов, возвращаемых в миллисекундах.

Частотная модуляция — обзор

51.4.5 Методы модуляции

До настоящего времени на выбор метода модуляции для использования в спутниковой связи большое влияние оказывала стоимость мощности несущей, достигающей приемной антенны. Эта стоимость имеет тенденцию к снижению, в частности, когда начинают использоваться спутники с более высоким коэффициентом усиления антенны, но другое ограничение на уровни мощности нисходящей линии связи, вероятно, останется до тех пор, пока большая часть спектра, выделенного для космических служб, используется совместно с наземными службами радиосвязи, которые имеют равные возможности. статус распределения.Несмотря на низкие уровни шума приемника, достижимые даже с помощью недорогих приемников земных станций, методы модуляции должны подходить для работы при относительно низком отношении несущей к шуму. Амплитудная модуляция никогда не используется для аналоговых сигналов, а для цифровых сигналов редко используются фазовый сдвиг высокого порядка и гибридная модуляция. Однако методы модуляции, которые допускают более низкие отношения несущей предварительного демодулятора к шуму (C / N), как правило, требуют более широкой полосы пропускания для данной информационной емкости. Таким образом, параметры модуляции следует оптимизировать для каждой ситуации, чтобы обеспечить наилучшее использование пропускной способности транспондера.

Частотная модуляция чаще всего используется для сигналов, которые излучаются в аналоговой форме, и обычно имеет относительно высокий индекс модуляции. В идеале индекс модуляции и, следовательно, ширина полосы, занимаемая до демодуляции, и уровень мощности несущей выбираются так, чтобы:

1.: Порог демодулятора в условиях ясного неба (то есть при отсутствии поглощение сигнала в тропосфере) будет превышено на несколько децибел (в зависимости от требуемых запасов дождя и реализации), и необходимое отношение сигнал / шум постдемодулятора (S / N) будет достигаться в течение указанной пропорции времени.
2.: Мощность и полоса пропускания, доступные от транспондера для несущей и любых других несущих, которые может ретранслировать транспондер, будут заняты, когда транспондер будет полностью загружен.

Выбор включает рассмотрение многих характеристик спутниковой сети, наиболее важной из которых, вероятно, является добротность (G / T) комбинаций антенн и приемников различных задействованных земных станций.

FM с широким отклонением широко используется для аналоговых телевизионных сигналов и многоканальных телефонных агрегатов с частотным разделением каналов (FDM).При использовании для одиночных речевых каналов ценная экономия энергии может быть получена за счет подавления несущей, когда говорящий молчит. Концентрация спектральной энергии в окрестности несущей частоты FM-сигнала может потребовать применения формы волны рассеяния несущей энергии к основной полосе телевизионного излучения или высокопроизводительного телефонного излучения FDM, чтобы удовлетворить упомянутому ранее ограничению PFD, если распределение частот нисходящей линии связи используется совместно с наземными радиослужбами.

Для цифровых сигналов чаще всего используется фазовая манипуляция (PSK), 2-фазная или 4-фазная. Для 2-фазной PSK отношение C / N при чистом небе 8,4 дБ плюс небольшой дождь и запас реализации достаточно, а для 4-фазной PSK это отношение должно быть на 3 дБ больше. Однако некоторая форма прямого исправления ошибок (FEQ часто используется, особенно когда G / T приемников земных станций низкое, и это позволяет удовлетворительно работать со значительно более низким отношением C / N. Такие излучения переносят все виды цифровых сигналов, от одиночных речевых каналов до многоканальных телефонных агрегатов с временным разделением каналов (TDM) и систем передачи данных с широким диапазоном скоростей передачи информации до сигналов цифрового телевидения, хотя последние обычно подвергаются некоторой форме обработки видеосигнала с уменьшением скорости передачи битов.

Широкополосные цифровые излучения могут иметь сильные спектральные линии в условиях холостого хода цепи, и может потребоваться добавить к модулирующему сигналу на передающей земной станции псевдослучайную последовательность, которая будет вычтена на приемной земной станции, чтобы рассеять их. линии, если частотное распределение нисходящей линии связи используется совместно с наземными радиослужбами. Когда G / T приемных земных станций очень мало, как это может быть в некоторых сетях терминалов с очень малой апертурой (VSAT), может быть предпочтительнее распределить спектральную энергию несущей с использованием модуляции расширенного спектра со скачкообразной перестройкой частоты.

Частотная модуляция (FM) — NI

Основной принцип FM состоит в том, что амплитуда аналогового сигнала основной полосы частот может быть представлена немного другой частотой несущей. Мы представляем эту взаимосвязь на графике ниже.

Рисунок 1. Частотная модуляция

Как показано на этом графике, различные амплитуды сигнала основной полосы частот (показаны белым цветом) относятся к конкретным частотам сигнала несущей (показаны красным). Математически мы представляем это, описывая уравнения, которые характеризуют FM.

Во-первых, мы представляем наше сообщение, или сигнал основной полосы частот, простым обозначением m (t) . Во-вторых, мы представляем синусоидальную несущую уравнением:

x _c (t) = A _c cos (2πf _c t) .

Фактический математический процесс для модуляции сигнала основной полосы частот m (t) на несущую требует двухэтапного процесса. Во-первых, сигнал сообщения должен быть интегрирован относительно времени, чтобы получить уравнение для фазы относительно времени, θ (t).Эта интеграция обеспечивает процесс модуляции, поскольку фазовая модуляция довольно проста с типичной схемой I / Q-модулятора. Ниже приводится описание блок-схемы FM-передатчика.

Рис. 2. Блок-схема FM-передатчика

Как показано на приведенной выше блок-схеме, интегрирование сигнала сообщения приводит к уравнению для фазы относительно времени. Это уравнение определяется следующим уравнением:

, где k _f — частотная чувствительность.И снова, результирующая модуляция, которая должна произойти, — это фазовая модуляция, которая включает изменение фазы несущей с течением времени. Этот процесс довольно прост и требует квадратурного модулятора, показанного ниже.

Рисунок 3. Квадратурный модулятор

В результате фазовой модуляции результирующий FM-сигнал, s (t) , теперь представляет собой частотно-модулированный сигнал. Это уравнение показано ниже.

, где м (τ) = M cos (2πf _м τ) .Проще говоря, мы также можем представить это уравнение как:

Введение в частотную модуляцию

Как объяснялось в прошлом месяце, звуковая частотная модуляция амплитуды сигнала может быть мощным инструментом синтеза. Возможности расширяются еще больше, если мы рассмотрим, что происходит, когда вы используете один звуковой сигнал для модуляции частоты другого …

Джон Чоунинг (на фестивале Vox 2015). Фото любезно предоставлено Histeria. Сколько людей могут утверждать, что открыли совершенно новую форму синтеза звука? Джон Чоунинг может.Он сделал это случайно, экспериментируя с различными типами вибрато в Стэнфордском университете в середине 60-х годов. Чоунинг обнаружил, что, когда частота модулирующего сигнала увеличивается сверх определенной точки, эффект вибрато исчезает из модулированного тона, и новый сложный тон заменяет исходный. Оглядываясь назад, мы можем увидеть, что он наткнулся на то, что сейчас является наиболее распространенной техникой кодирования, используемой для публичных радиопередач (отсюда и «FM-радио»). Но что сделало его открытие таким случайным, так это то, что в отличие от радиоинженеров, которые работают на очень высоких частотах, намного превышающих пределы человеческого слуха, Чоунинг мог слышать модулированную форму волны.Он быстро обнаружил, что FM — это очень мощный метод синтеза, и в 1966 году стал первым человеком, сочинившим и записавшим музыкальное произведение, используя FM как исключительное средство генерации звука.

Чоунинг и его сотрудники потратили следующие несколько лет на совершенствование FM и заложили прочную математическую и практическую основу для результатов, которых они достигли. Затем Чоунинг попросил Управление лицензирования Стэнфордского университета обратиться к ряду американских производителей, чтобы узнать, будут ли они заинтересованы в реализации этого метода в качестве коммерческого метода синтеза.В то время, когда правили Minimoog и ARP Odyssey, полисинты были лишь огоньком в глазах инженеров-электронщиков, а 4-битные микропроцессоры были самыми современными устройствами, ни один из американских производителей не видел потенциала FM. Стэнфорд почти в отчаянии обратился к Yamaha. Инженер по имени г-н Ичимура был должным образом отправлен к Чоунингу, а остальное, как говорится, уже история.

Как прямое следствие поразительного успеха Yamaha в 80-е годы — компания продала миллионы FM-синтезаторов, органов и домашних клавиатур — мы теперь думаем о FM как о исключительно цифровом процессе.Но это не тот случай. Более практично реализовать его в цифровом виде, но теория FM так же применима к аналоговым генераторам, как мы увидим …

В прошлом месяце я объяснил амплитудную модуляцию и описал некоторые способы, которыми она позволяет создавать новые звуки. Подведем итоги немного. Уравнения 1 и 2 показывают два примера простейшей формы волны: синусоидальной волны. Мгновенные амплитуды сигналов (их уровни в любой момент времени, называемые ‘A’) связаны с их коэффициентами усиления (максимальная амплитуда, достигаемая в их циклах, называемых ‘a’), их частотами (‘w’) и временем. (‘т’).И, как и раньше, нижние индексы «₁» и «₂» обозначают форму волны 1 и 2 соответственно.

Уравнение 1: Простая косинусная волна.

Уравнение 2: Вторая косинусоидальная волна.

Если вы вернетесь назад, вы также помните, что мы определили максимальную амплитуду первого сигнала как усиление VCA, и мы модулировали его, используя вторую форму сигнала, как показано на рисунке 1 ниже. Уравнение 3 показывает, как я написал математику, описывающую эту схему.

Уравнение 3: Уравнение, определяющее форму выходного сигнала от VCA на рисунке 1.

Но сейчас мы немного запутаемся. Вместо того, чтобы модулировать амплитуду первого сигнала, мы будем модулировать его частоту. Блок-схема, описывающая это, обманчиво проста, как я показал на рисунке 2. Точно так же уравнение, описывающее частотную модуляцию (уравнение 4), выглядит не более устрашающе, чем уравнение, описывающее амплитудную модуляцию. Действительно, если вы присмотритесь, вы увидите, что в обоих присутствуют одни и те же термины, просто один из них (A ₂) изменил положение.

Уравнение 4: Уравнение, определяющее форму выходного сигнала осциллятора 1 на рисунке 2.

Если мы теперь повторим статью прошлого месяца и подставим полное выражение для A ₂ в уравнение 4, мы получим уравнение 5.

Уравнение 5: Другой способ записи уравнения 4.

Рисунок 1: [вверху] Амплитудная модуляция. Рисунок 2: [внизу] Частотная модуляция. На этом этапе вы были бы полностью оправданы в беге с криком в гору.В отличие от уравнений прошлого месяца (которые мы могли интерпретировать, используя математику не более, чем на уровне «O» или, возможно, на уровне «A»), это — монстр. В самом деле, даже со степенью математика вам будет трудно что-то с этим поделать. Поэтому вы будете рады узнать, что я даже не собираюсь пытаться решить это уравнение. К сожалению, это означает, что вам придется доверять многим из следующих фактов. Но эй … поверьте, я когда-то жил с доктором!

Теперь давайте вернемся на два месяца назад и вернемся к 10-й части Synth Secrets и простому вибрато, которое я описал в той статье.На рисунке 3 показано, что происходит с формой волны («Несущая»), частота которой повышается и понижается источником модуляции («Модулятор»). В этом примере частота этого Модулятора значительно ниже, чем у Несущей.

Рисунок 3: [вверху] Эффект вибрато на треугольной волне. Рисунок 4: [внизу] Короткий сегмент сигнала несущей. Теперь давайте спросим себя, что происходит, когда мы увеличиваем частоту модулятора до тех пор, пока она не приблизится, не станет равной или даже превзойдет частоту несущей.В какой-то момент, вместо того, чтобы выглядеть как циклическое «сжатие» и «растяжение» сигнала несущей, модуляция станет формой искажения в отдельных циклах сигнала несущей. Чтобы продемонстрировать это, я нарисовал пример с использованием очень короткого сегмента сигнала несущей — может быть, одна восьмая цикла или около того (рисунок 4).

Теперь применим к этому модулятор. В этом примере он будет иметь низкую амплитуду, но будет во много раз превышать частоту несущей (см. Рисунок 5) — поскольку на рисунке 5, который показывает одну восьмую цикла несущей, имеется более семи циклов модуляции, это означает, что частота модулятора примерно в 60 раз больше частоты несущей.Как вы понимаете, это совсем не похоже на вибрато. Но как это звучит?

Рисунок 5: [вверху] Модуляция несущей на рисунке 4 с помощью высокочастотного модулятора с низкой амплитудой. Рисунок 6: [внизу] Несущая и модулятор. Если вы вернетесь к уравнению 5, вы увидите, что уравнение для A ₁ содержит в себе два «чужих» члена: a ₂ и w ₂ . Это, конечно, усиление (максимальная амплитуда) и частота модулятора. Поэтому справедливо предположить, что каждый из них будет влиять на природу модулированного сигнала.Давайте сначала посмотрим на w ₂ и посмотрим, на какой атрибут выхода влияет частота модулятора.

Джон Чоунинг обнаружил, что FM, как и AM, генерирует боковые полосы — дополнительные компоненты, не обязательно гармонично связанные с частотой несущей или модулятора — в частотном спектре выходного сигнала. (Для объяснения того, что такое боковые полосы, обратитесь к прошлому месяцу.) Чтобы увидеть, как частотная модуляция создает боковые полосы, давайте возьмем пример синусоидальной несущей с частотой w _c и синусоидального модулятора частоты w _м.Я показал их на Рисунке 6 (справа).

Пока все хорошо … Однако, в то время как AM генерирует только две боковые полосы (w _c + w _m) и (w _c — w _m), FM производит целую серию, которую мы можем выразить следующим образом:

Уравнение 6: Частоты боковой полосы, где w _sb = ряд частот боковой полосы, w _c = Несущая частота, w _m = частота модулятора, и n = любое целое число (0, 1 , 2, 3, 4 и т. Д.).

Чтобы выразить это по-английски: каждая боковая полоса находится на частоте, равной несущей частоте плюс или минус целое кратное частоты модулятора. Конечно, поскольку ‘n’ может принимать любое целое значение, теоретически применение частотной модуляции к сигналу создает бесконечную серию боковых полос. Однако в реальном мире ни одна система не имеет бесконечной полосы пропускания, а аналоговые системы ограничены созданием боковых полос в пределах своей конечной полосы пропускания (подробнее о полосе пропускания см. Ниже).Точно так же производители цифровых FM-систем ограничивают математику теми значениями, которые они считают важными.

Рисунок 7: Расположение боковых полос. К счастью, несмотря на это возможное осложнение, простая формула в уравнении 6 позволяет легко увидеть, где расположены боковые полосы. Учитывая несущую и модулятор, показанные на рисунке 6 (выше), мы можем показать боковые полосы, как показано на рисунке 7.

А что насчет амплитуд этих боковых полос? Хорошо, теперь мы знаем, что частотная модуляция генерирует боковые полосы, и что частота модулятора определяет, где они лежат.Но какова «форма» результирующего спектра? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны обратиться ко второму атрибуту Модулятора — его усилению, ₂ — и ввести новую концепцию, называемую «индексом модуляции», или просто «ß» («бета»).

Рисунок 8: [вверху] Простой аналоговый патч FM (вибрато). Рисунок 9: [внизу] Боковые FM-полосы с низким индексом модуляции. Чтобы объяснить ß, я должен снова направить вас к нашему примеру простого вибрато. Представьте себе простой патч синтезатора, в котором амплитуда модуляции изменяется VCA, который сам управляется источником управляющего напряжения (см. Рисунок 8).Не забывайте, что в этом случае частота Модулятора w _m намного ниже, чем Несущая частота w _c.

Рассмотрим случай, когда усиление VCA равно нулю. Ясно, что модуляции не будет, и несущая будет воспроизводить простой немодифицированный тон. Теперь давайте немного увеличим усиление VCA. Как и следовало ожидать, получается нежное вибрато, как у вышеупомянутого гитариста или скрипача. Но давайте не будем останавливаться на достигнутом и продолжаем увеличивать усиление до тех пор, пока Модулятор не переместит несущую в широком диапазоне частот.В этот момент раздается вой банши или звук сирены. Из этого мы узнаем, что звук, который мы слышим, определяется не только частотой модулятора, но также его усилением или максимальной амплитудой.

Применяя эти идеи к звуковой частоте FM, мы должны сначала определить ß как отношение развертки частоты несущей (величина, на которую несущая отклоняется от своей немодулированной частоты), деленное на частоту модулятора. Запишем это так:

Уравнение 7: Индекс модуляции, где ß = индекс модуляции, (произносится как «дельта») означает «изменение в… «, w _c = Несущая частота и w _m = Частота модулятора.

Поскольку числитель этого выражения (бит «над линией») является изменением несущей частоты, это означает, что ß напрямую зависит от амплитуды Модулятора. Это момент, когда все становится немного странным, потому что для любой заданной частоты модулятора именно индекс модуляции (и, следовательно, амплитуда модулятора) определяет амплитуду каждого из компонентов в спектре модулятора. выходной сигнал.Нет, я не могу продемонстрировать, почему это так, не прибегая к пугающей математике, о которой я упоминал ранее, но я могу показать вам пару примеров.

Давайте возьмем тот случай, когда индекс модуляции низкий — скажем, в районе 0,1 или меньше. Единственными значимыми боковыми полосами будут те, которые ближе всего к несущей частоте, и результат будет похож на тот, который мы получили в прошлом месяце с использованием амплитудной модуляции (см. Рисунок 9 выше). Напротив, если ß значительно выше — скажем, в районе 5 — мы получаем гораздо более широкий ряд боковых полос и гораздо более сложный спектр результатов (см. Рисунок 10).

Я показал первые шесть боковых полос, созданных ß = 5, но в реальном сигнале их гораздо больше. Более того, вы должны отметить интересное следствие этого значения ß: амплитуда исходной несущей частоты значительно уменьшилась. В самом деле, существует значение ß, которое заставит его полностью исчезнуть!

Рисунок 10: [вверху] FM тех же сигналов при увеличении индекса модуляции. Рисунок 11: [внизу] Сохранение ß постоянным. Теперь снова посмотрите на уравнение 7, и вы увидите, что знаменатель (бит «под линией») — это частота Модулятора.Последствия этого очень далеко идущие. Предположим, вы решили, что спектр на рисунке 10 — это тот тон, который вам нужен, и что вы хотите иметь возможность воспроизводить звук вверх и вниз по клавиатуре обычным способом. Это потребует, чтобы и несущая, и модулятор одинаково отслеживали клавиатуру, чтобы гармоническое соотношение между спектральными компонентами (боковыми полосами) оставалось постоянным. Но уравнение 7 показывает, что с увеличением частоты модулятора ß уменьшается.Например, если вы играете на октаву выше, w _m удваивается и, следовательно, ß уменьшается вдвое. Чтобы избежать этого изменения в спектре, амплитуда модулятора должна увеличиваться пропорционально — она должна удваиваться — чтобы поддерживать ß постоянным. Это не такая большая проблема, как кажется, и на рисунке 11 показан простейший способ ее решения.

Имейте в виду, что эту конфигурацию практически невозможно идеально откалибровать, а капризы аналоговых компонентов гарантируют, что она в лучшем случае будет несовместимой.По этой причине FM почти всегда реализуется с использованием цифровых технологий.

Чтобы двигаться дальше, нам нужно немного поговорить о пропускной способности. Я впервые упомянул эту концепцию в отношении уравнения 6, когда сказал, что реальные системы не могут обрабатывать сигнал с бесконечной полосой пропускания. Итак, давайте обсудим, какова может быть реальная ширина полосы частот FM-сигнала.

Для целей этого обсуждения вы можете определить полосу пропускания как диапазон частот, занимаемых любым заданным сигналом.Так, например, точная синусоида, скажем, 100 Гц будет иметь незначительную полосу пропускания (она существует только на определенной частоте), тогда как форма волны с той же основной частотой плюс одна гармоника на 200 Гц будет занимать 100 Гц полосы пропускания. Аналогично, сигнал, занимающий диапазон от 100 Гц до 1500 Гц, будет иметь полосу пропускания 1400 Гц и так далее. Теперь давайте применим эту концепцию к выходу FM-системы.

Предположим, что Несущая — это синусоидальная волна с частотой 500 Гц, а Модулятор — это синусоидальная волна с частотой 300 Гц.Ясно, что если вы смешаете их вместе с помощью простого аудиомикшера, а затем, используя простое определение, приведенное выше, результирующий сигнал будет занимать полосу пропускания 200 Гц.

Теперь давайте настроим сигналы так, чтобы произошла амплитудная модуляция. Из прошлого месяца мы знаем, что результирующие три компонента имеют частоты w _c, w _c + w _m и w _c — w _m. Эти частоты составляют 500 Гц, 200 Гц и 800 Гц соответственно, поэтому ширина полосы результирующего сигнала — «разброс» между самой низкой и самой высокой боковыми полосами — составляет 600 Гц.

Теперь давайте рассмотрим полосу частот FM-сигнала. Хотя теоретически он бесконечен (помните, что серия боковых полос бесконечна), индекс модуляции гарантирует, что боковые полосы с более высоким «n» будут иметь незначительную амплитуду. Это означает, что полоса пропускания практически конечна. Более того, существует «эмпирическое уравнение», которое дает нам приблизительное представление о значимой полосе пропускания выходного сигнала. Я показал это в уравнении 8.

Уравнение 8: Ширина полосы модулированного сигнала, где B = ширина полосы, w _m = частота модулятора и ß = индекс модуляции.

Допустим, ß очень мала. Тогда в нашем примере несущей 500 Гц и модулятора 300 Гц полоса пропускания выхода будет равна 2 x 300 Гц x (1 + 0) = 600 Гц. Таким образом, как я сказал ранее, для низких значений β результат очень похож на результат, полученный с использованием амплитудной модуляции.

А теперь предположим, что ß = 5. Тогда в нашем примере полоса пропускания выхода будет 2 x 300 Гц x (1 + 5) = 3600 Гц. Очевидно, что высокие значения ß позволяют FM создавать гораздо более сложные сигналы с гораздо более широкой полосой пропускания, чем другие методы взаимодействия двух сигналов (см. Рисунок 12 ниже).Обратите внимание, что этот расчет также говорит вам, что в этом примере на выходе имеется 24 дискретных спектральных компонента. К сожалению, в следующем месяце вам придется прочитать Synth Secrets, чтобы узнать почему.

Рисунок 12: [вверху] Полоса пропускания смешанных и модулированных сигналов. Рисунок 13: [внизу] Простой аналоговый FM-синтезатор. Теперь давайте вспомним, что при простом субтрактивном синтезе изменения громкости звука чаще всего определяются контурным генератором, воздействующим на усилитель.Точно так же любые изменения тона звука обычно определяются контурным генератором, воздействующим на частоту среза фильтра.

В конфигурации FM громкость звука по-прежнему определяется огибающей громкости аудиосигнала (которая, конечно, является модулированной несущей), но вам больше не нужен фильтр для изменения тона. Это связано с тем, что для любой заданной частоты модулятора амплитуда модулятора определяет ширину полосы выходного сигнала. Вы можете создать интересную демонстрацию этого, используя всего семь модулей синтезатора, соединенных вместе, как показано на рисунке 13.

Как видите, амплитуда выходного сигнала будет уменьшаться по мере того, как EG2 уменьшает усиление VCA2, поэтому со временем выходной сигнал становится тише и тише. В то же время максимальная амплитуда сигнала модулятора, полученного от VCO1, будет увеличиваться, поскольку EG1 увеличивает усиление VCA1. Это означает, что с течением времени индекс модуляции увеличивается, полоса пропускания увеличивается, а выходной сигнал становится все ярче и ярче. Это резко контрастирует с естественными звуками, где повышенная громкость почти всегда идет рука об руку с повышенной яркостью.

Вы можете подумать, что ничто не мешает вам дублировать этот эффект с помощью фильтра, и это правда, что вы можете использовать контурный генератор и низкочастотный VCF, чтобы сделать сигнал ярче с течением времени. Но эта конфигурация была бы совершенно неспособна воссоздать сложные тональные изменения, которые также происходят в тоне FM’d — изменения, которые вы не можете воспроизвести с помощью обычных субтрактивных методов.

Итак, подведем итоги. Не решая математики FM, мы можем сказать следующие две вещи о взаимосвязи между модулятором и выходным сигналом:

Количество значимых спектральных компонентов и их амплитуд определяется индексом модуляции, который пропорционален амплитуде модулятора; но обратно пропорциональна частоте модулятора…

… и …

Для любой заданной несущей частоты положение спектральных компонентов определяется только частотой модулятора.

Хотя доказательство этих утверждений и вычисление амплитудного спектра боковых полос — это кошмар, основы легко понять. И независимо от того, исполняем ли мы FM с использованием аналогового синтезатора или цифрового синтезатора, эти принципы остаются неизменными. Итак, вот вам Synth Secret этого месяца (который, как обычно, не является секретом):

Частотная модуляция — это мощный метод синтеза, который так же важен как для аналоговых синтезаторов, так и для цифровых, и который способен генерировать звуки, недоступные никаким другим способом.

В следующем месяце мы более подробно рассмотрим некоторые практические аспекты частотной модуляции и представим идею «операторов» — распространенное понятие, если у вас есть синтезатор DX7, но, возможно, не тот, с которым вы сталкивались в аналоговой технологии. Мы даже взглянем на некоторые основы программирования FM на модульном аналоговом синтезаторе.

А пока …

FM Схема модуляции / демодуляции: 7 шагов (с изображениями)

Сигнал от детектора огибающей не имеет большой амплитуды и содержит довольно много шума.Поэтому мы добавляем несколько фильтров, чтобы прояснить и усилить сигнал. Посмотрите на дисплей осциллографа на изображении 2. Красный сигнал канала 1 представляет собой несущую 25 кГц с частотой модуляции 1 кГц, амплитудой 500 мВ и показателем 10%. Все эти настройки находятся на расширенной вкладке в инструменте Analog Discovery AWG (см. Изображение 3), если вы хотите генерировать сигнал самостоятельно. Затем этот сигнал вводится на вход дифференциатора, пока не используется схема модуляции. Синий канал CH 2 — это выход детектора огибающей перед любой фильтрацией.Вы видите шкалу слева от дисплея на изображении 2? Каждое деление составляет 20 мВ для канала 2. Большинство осциллографов позволяют вам выбирать разные шкалы для каждого канала, и здесь масштаб для канала 1 составляет 200 мВ / дел, что больше в 10 раз. С этими двумя сигналами на шкале 200 мВ / дел. , вы вряд ли сможете увидеть выходной сигнал детектора огибающей, потому что он очень слабый. Вы также можете увидеть шум в сигнале на изображении 2. Нам нужно отфильтровать его и значительно усилить сигнал. Мы также будем пропускать сигнал через полосовой фильтр, чтобы пропускать только звуковые частоты от 200 Гц до 2 кГц.

Первая часть — полосовой фильтр. Он пропускает только небольшой диапазон частот, и в нашем случае от 200 Гц до 2 кГц более чем достаточно. Обратите внимание, что, поскольку резисторы совпадают, здесь нет усиления, только фильтрация. Мы не хотим усиливать шум, поэтому сначала его отфильтруем.

После полосового фильтра у нас есть два фильтра нижних частот, первый с усилением примерно 23,5 и отсечкой примерно 8,6 кГц, а второй с единичным усилением 1, что означает отсутствие усиления и отсечкой примерно 3.4 кГц. Даже после полосового фильтра у нас все еще есть некоторый шум от несущей волны (в конце концов, фильтры не идеальны), и сигнал слабый. Мы отфильтровываем шум выше 8,6 кГц, а затем усиливаем его в 23,5 раза. Да, он высокий, но он нужен (вы можете изменить его, изменив соотношение резисторов. Щелкните ссылку фильтра нижних частот выше, чтобы просмотреть уравнение). Затем второй фильтр нижних частот дополнительно очищает этот сигнал, фильтруя шум выше 3,4 кГц, что выше нашего целевого диапазона 200 Гц — 2 кГц, так что мы в порядке.Второй фильтр не является абсолютно необходимым, но, в конце концов, он все-таки изменил ситуацию.

Изображение 4 показывает разницу в сигнале между выходом детектора огибающей и выходом последнего фильтра. Масштаб не такой, как раньше, но данные были вне диапазона, поэтому я немного уменьшил их. Вы заметили окно измерения внизу справа? Это значение модуляции 1 кГц, которое мы видели в настройках на изображении 3 выше. Это не идеальная синусоида, но она намного чище, чем была раньше, и достаточно хороша, чтобы вы не заметили разницы.

Если вы не хотите добавлять усилитель класса B, все готово. В противном случае купите себе батарейки на 9 В и переверните страницу.

Индекс модуляции, полоса пропускания и приложения

FM или Частотная модуляция была доступна примерно с AM ( Амплитудная модуляция ), хотя у нее есть только некоторые проблемы. У самого FM не было проблем, за исключением того, что мы не могли распознать потенциал FM-передатчика. В более раннее время беспроводной связи было измерено, что требуемая полоса пропускания была уже и необходима для уменьшения шума, а также помех.При такой мере пострадала частотная модуляция, тогда как AM увеличилась. После этого американский инженер « Эдвин Армстронг » завершил сознательную попытку обнаружить интенсивность FM-передатчиков. Эдвин инициировал разработку использования FM, предназначенного для передачи, что не соответствовало тенденции в то время.

Что такое частотная модуляция?

Частотная модуляция может быть определена как; частота несущего сигнала изменяется пропорционально (в соответствии с) амплитуде входного модулирующего сигнала.Входной сигнал — однотональная синусоида. Сигналы несущей и FM также показаны на следующем рисунке.

Генерация частотной модуляции

Частота несущей (fc) будет увеличиваться с увеличением амплитуды модулирующего (входного) сигнала. Несущая частота будет максимальной (fc max), когда входной сигнал находится на пике. Несущая максимально отклоняется от своего нормального значения . Частота несущей будет уменьшаться по мере уменьшения амплитуды модулирующего (входного) сигнала.

Несущая частота будет минимальной (fc min), когда входной сигнал самый низкий. Несущая минимально отклоняется от своего нормального значения. Частота несущей будет на своем нормальном значении (в режиме холостого хода) fc, когда значение входного сигнала равно 0 В. В носителе отклонения нет. На рисунке показана частота FM-волны при максимальном входном напряжении 0 В и минимальном значении.

Блок-схема частотной модуляции показана ниже. Сигнал сообщения содержит определенные данные, тогда как следующий сигнал не имеет данных, известных как сигнал несущей.

Модуляция этих сигналов приводит к модулированному сигналу FM. Этот сигнал более важен, потому что частота этого сигнала будет повышаться и понижаться в зависимости от амплитуды сигнала. Таким образом, это изменение частоты может быть представлено в кГц (килогерцах). Например, если изменение частоты составляет 3 кГц вверх и вниз, то это обозначается как ± 3 кГц.

История FM

Во времена радио статические помехи были основной проблемой, и все пытались уменьшить статические эффекты, чтобы уменьшить полосу пропускания.Таким образом, в этом методе через приемник было получено меньше шума. Эдвин Армстронг был американским инженером, поэтому он изучал эту проблему и выяснил, может ли FM, а не AM, принести пользу.

В 1928 году он просто начал расширять идею с помощью FM и увеличил BW вместо того, чтобы уменьшать ее. Но по разным причинам его идеи не принимают другие. Он сразу же обратился к Radio Corporation of America или RCA, они были впечатлены его идеями, но RCA просто сосредоточилась на телевидении, поэтому они не хотели перенаправлять какой-либо ресурс на новый тип вещания.

После многих проблем в 1939 году он основал радиостанцию, чтобы продемонстрировать эффективность FM. Для удержания этой и других станций в диапазоне частот 42 МГц и 50 МГц. Но после войны FCC в США изменила присвоенную полосу частот между 88 МГц и 108 МГц.
Несмотря на то, что были некоторые основные проблемы, так как были проданы тысячи радиостанций, и диапазон был принят во всем мире, который в настоящее время является диапазоном VHF FM. В дополнение к этому своего рода узкополосный FM стал известен благодаря мобильной связи UHF и VHF.

Отклонение частоты

Величина изменения несущей частоты, вызванная амплитудой входного модулирующего сигнала, называется девиацией частоты .
Несущая частота колеблется между fmax и fmin при изменении амплитуды входного сигнала.
Разница между fmax и fc известна как девиация частоты. fd = fmax — fc
Точно так же разница между fc и fmin также известна как девиация частоты. fd = fc –fmin
Обозначается Δf.Следовательно, Δf = fmax — fc = fc — fmin
Следовательно, fd = fmax — fc = fc — fmin

9000 Отклонение

Амплитуда модулирующего сигнала	Частота несущей
0 В	100 МГц	Нет (центральная частота)
+2 В	105 МГц	+ 5 МГц

905
	─ 2 — 5 МГц

Девиация частоты = 105-100 = 5 МГц (или) Отклонение частоты = 95-100 = -5 МГц

Частотная модуляция
Уравнение
Уравнение FM включает следующие

v = A sin [wct + (Δf / fm) sin wmt]

= A sin [wct + mf sin wmt]

A = Амплитуда FM-сигнала.Δf = девиация частоты

mf = Индекс модуляции FM

mf = ∆f / fm

mf называется индексом модуляции частотной модуляции.

wm = 2π fm wc = 2π fc

Что такое индекс модуляции частотной модуляции?

Индекс модуляции FM определяется как отношение девиации частоты несущей к частоте модулирующего сигнала

mf = Индекс модуляции FM = ∆ f / fm

Частотная модуляция в системах связи

В телекоммуникациях используются два типа методов частотной модуляции, такие как аналоговая частотная модуляция и цифровая частотная модуляция.

При аналоговой частотной модуляции сигнал данных может модулироваться посредством непрерывно изменяющегося синусоидального сигнала несущей. Этот несущий сигнал включает в себя различные свойства, такие как частота, амплитуда и фаза, которые в основном используются для создания AM и PM.

Цифровую частотную модуляцию можно разделить на категории FSK (клавиша сдвига частоты), ASK (клавиша сдвига амплитуды) или PSK (клавиша сдвига фазы), которая работает как аналоговая. Метод аналоговой модуляции обычно используется для AM, FM и коротковолнового вещания, тогда как метод цифровой модуляции используется для передачи двоичных сигналов, таких как 0 и 1.

В ЧМ используются такие методы, как генератор на варакторном диоде и контур фазовой автоподстройки частоты. В технике генератора с варакторным диодом диод расположен в цепи для изменения частоты. Таким образом, этот метод обеспечивает просто узкополосную передачу. В технике ФАПЧ он обеспечивает выдающуюся ЧМ. Таким образом, в этом методе фазы ограничиваются в контуре, чтобы изменить частоту.

FM в анализе вибрации

Процесс измерения, а также анализа уровней сигналов вибрации, шаблонов или частоты машинного оборудования для выявления нерегулярных вибрационных воздействий и оценки прочности всей машины вместе с ее компонентами.Этот вид анализа особенно полезен для вращающегося оборудования, где существуют устройства неисправности, которые могут вызывать отклонения амплитудной и частотной модуляции.

Метод демодуляции непосредственно определяет эти частоты модуляции, поэтому он используется для восстановления данных из модулированного сигнала несущей.

Полоса пропускания сигнала частотной модуляции

Полоса пропускания — один из основных элементов FM-сигнала. В FM-сигнале боковые полосы расширяются в любую сторону до бесконечности; однако сила их падает.К счастью, это возможность ограничить полосу пропускания FM-сигнала без чрезмерного изменения его значения.

Напомним, ширина полосы сложного сигнала, такого как FM, — это разница между его самой высокой и самой низкой частотными компонентами и выражается в герцах (Гц). Полоса пропускания имеет дело только с частотами. AM имеет только две боковые полосы (USB и LSB), а ширина полосы составляет 2 фм.

В FM не все так просто. Спектр FM-сигнала довольно сложен и будет иметь бесконечное количество боковых полос, как показано на рисунке . Этот рисунок дает представление о том, как спектр расширяется при увеличении индекса модуляции. Боковые полосы отделены от несущей на fc ± fm, fc ± 2fm, fc ± 3fm и так далее.
Ширина полосы частот FM-сигнала
Только первые несколько боковых полос будут содержать основную долю мощности (98% от общей мощности), и поэтому только эти несколько полос считаются значительными боковыми полосами.

Как показывает опыт, часто называемый правилом Карсона, 98% мощности сигнала в FM содержится в полосе пропускания, равной частоте отклонения плюс удвоенная частота модуляции.

Правило Карсона : Ширина полосы частот FM BWFM = 2 [Δf + fm] .

= 2 fm [mf + 1]

FM известна как система постоянной полосы пропускания. Почему?

Частотная модуляция известна как система с постоянной полосой пропускания , и пример этой системы приведен ниже.

Δf = 75 кГц fm = 500 Гц BWFM = 2 [75 + (500/1000)] кГц = 151,0 кГц

Δf = 75 кГц fm = 5000 Гц BWFM = 2 [75 + (5000/1000)] кГц = 160.0 кГц

Δf = 75 кГц fm = 10000 Гц BWFM = 2 [75 + (10000/1000)] кГц = 170,0 кГц

Хотя частота модуляции увеличилась в 20 раз (от 50 Гц до 5000 Гц), девиация увеличилась лишь незначительно (151 КГц до 170 кГц). Следовательно, FM известен как система с постоянной полосой пропускания.

Коммерческий FM (правило Карсона)

Макс. Девиация частоты = 75 кГц

Макс.частота модуляции = 15 кГц

BWFM = 2 [75 + 15] = 180,0 кГц

Разница между амплитудной модуляцией и частотной модуляцией

Амплитудная модуляция против частотной модуляции обсуждается ниже.

Амплитудная модуляция Частотная модуляция

При амплитудной модуляции амплитуда несущего сигнала изменяется в зависимости от сигнала данных. В сигналах AM-радиовещания используются низкие несущие частоты для передачи на большие расстояния. Иногда сигналы амплитудной модуляции могут отражаться от ионосферы. По сравнению с FM, расстояние, пройденное через AM, велико. При частотной модуляции частота несущей волны может быть изменена на основе сигнала, который содержит данные.Радиосигналы имеют более высокую полосу пропускания по сравнению с радиосигналами AM. Эти сигналы помогают обеспечить хорошее качество звука. FM также позволяет отправлять стереосигналы.

В середине 1870-х годов была разработана первая аудиопередача. Fm был разработан в 1930 году в США Эдвином Армстронгом.

В AM радиосигнал известен как сигнал несущей, и как фаза, так и частота остаются неизменными В FM радиосигнал известен как сигнал несущей, однако амплитуда, а также фаза, остаются прежними

Более подвержены шуму Менее подвержены шуму

Четкость звука AM плохая, однако может передавать на большие расстояния FM имеет высокую полосу пропускания, включая хорошее качество звука

Диапазон частот AM от 535 кГц до 1705 кГц Диапазон частот FM от 88 МГц до 108 МГц в верхнем спектре

Индекс модуляции AM колеблется от 0 до 1 Индекс модуляции FM выше 1

Он включает просто две боковые полосы Он включает несколько боковых полос

Имеет простую схему Имеет сложную схему

В AM, амплитуда несущего сигнала может быть изменена для передачи информации. В FM частота несущего сигнала может быть изменена для передачи информации

Он имеет меньшую полосу пропускания, например 10 кГц. Он имеет широкую полосу пропускания, например, 200 кГц

AM работает в диапазоне MF (средняя частота) и HF (высокая частота). FM работает с очень высокой частотой

Ключевые различия между AM и FM включают следующее.

Уравнение для FM: V = A sin [wct + Δf / fm sin wmt] = A sin [wct + mf sin wmt]

Уравнение для AM = Vc (1 + m sin ωmt) sin ωct, где задано m by m = Vm / Vc

В FM индекс модуляции может иметь любое значение больше 1 или меньше одного

В AM индекс модуляции будет между 0 и 1

В FM амплитуда несущей постоянна.

Следовательно, передаваемая мощность постоянна.

Передаваемая мощность не зависит от индекса модуляции

Передаваемая мощность зависит от индекса модуляции

PTotal = Pc [1+ (m2 / 2)]

Количество значимых боковых полос в FM велико.

Только две боковые полосы в AM

A Полоса пропускания FM зависит от индекса модуляции FM

Полоса пропускания не зависит от индекса модуляции AM. Всегда 2 боковые полосы.Полоса пропускания AM составляет 2 фм.

FM имеет лучшую помехозащищенность. FM прочен / устойчив к шумам. Качество FM будет хорошим даже при наличии шума.

В AM качество серьезно зависит от шума.

Полоса пропускания, необходимая для FM, довольно высока. Полоса пропускания FM = 2 [Δf + fm].

Полоса пропускания, необходимая для AM, меньше (2 фм)

Цепи для FM-передатчика и приемника очень сложны и очень дороги.

Схемы для передатчика и приемника AM просты и дешевле

Преимущества частотной модуляции

Преимущества частотной модуляции включают следующее.

Меньше шума и помех

Зоны обслуживания четко определены для указанной мощности передатчика.

По сравнению с амплитудной модуляцией, FM имеет низкое энергопотребление.

Излучаемая мощность меньше.

Охранные полосы разделяют близлежащие FM-каналы.

Меньшие географические помехи между соседними станциями.

Улучшенное отношение сигнал / шум, например, 25 дБ по отношению к искусственному вторжению

Метод модуляции легко применяется на фазе низкой мощности передатчика:

Это потенциал для использования эффективных РЧ-усилителей, включая частотно-модулированные сигналы .

Недостатки частотной модуляции

К недостаткам частотной модуляции можно отнести следующее.

Высокая стоимость оборудования высока

Высокая пропускная способность

Зона приема FM-сигнала мала.

Антенны для FM-систем следует держать близко для лучшей связи.

Намного более широкая полоса пропускания (в 20 раз больше).

Более сложный приемник и передатчик.

FM имеет более низкую спектральную эффективность, чем некоторые другие форматы модуляции:

Требуется более сложный демодулятор:

Некоторые другие режимы имеют более высокую спектральную эффективность данных:

Боковые полосы расширяются до бесконечности с любой стороны

Спектральная эффективность FM низкая по сравнению с к другим методам модуляции

Он использует более сложный демодулятор:

Другие режимы включают высокую спектральную эффективность данных

Боковые полосы расширяются до бесконечности с обеих сторон

Таким образом, это все о кратком обзоре частотной модуляции.

No related posts.

Амплитудная модуляция	Частотная модуляция
При амплитудной модуляции амплитуда несущего сигнала изменяется в зависимости от сигнала данных. В сигналах AM-радиовещания используются низкие несущие частоты для передачи на большие расстояния. Иногда сигналы амплитудной модуляции могут отражаться от ионосферы. По сравнению с FM, расстояние, пройденное через AM, велико.	При частотной модуляции частота несущей волны может быть изменена на основе сигнала, который содержит данные.Радиосигналы имеют более высокую полосу пропускания по сравнению с радиосигналами AM. Эти сигналы помогают обеспечить хорошее качество звука. FM также позволяет отправлять стереосигналы.
В середине 1870-х годов была разработана первая аудиопередача.	Fm был разработан в 1930 году в США Эдвином Армстронгом.
В AM радиосигнал известен как сигнал несущей, и как фаза, так и частота остаются неизменными	В FM радиосигнал известен как сигнал несущей, однако амплитуда, а также фаза, остаются прежними
Более подвержены шуму	Менее подвержены шуму
Четкость звука AM плохая, однако может передавать на большие расстояния	FM имеет высокую полосу пропускания, включая хорошее качество звука
Диапазон частот AM от 535 кГц до 1705 кГц	Диапазон частот FM от 88 МГц до 108 МГц в верхнем спектре
Индекс модуляции AM колеблется от 0 до 1	Индекс модуляции FM выше 1
Он включает просто две боковые полосы	Он включает несколько боковых полос
Имеет простую схему	Имеет сложную схему
В AM, амплитуда несущего сигнала может быть изменена для передачи информации.	В FM частота несущего сигнала может быть изменена для передачи информации
Он имеет меньшую полосу пропускания, например 10 кГц.	Он имеет широкую полосу пропускания, например, 200 кГц
AM работает в диапазоне MF (средняя частота) и HF (высокая частота).	FM работает с очень высокой частотой

теория, временная и частотная области

Математика

Временна́я область

Частотная область

Резюме

Теги

PM и FM модуляция

Модуляция

Радиофизика

Фазовая модуляция — Физическая энциклопедия

5.2.1 Технологии беспроводной связи

синтез | Digital Music Academy

Что такое FM, частотная модуляция »Электроника

Частотная модуляция, FM, используется во многих приложениях от радиовещания до связи и предлагает ряд преимуществ по сравнению с другими режимами.

Что такое частотная модуляция, FM?

Демодуляция частоты

Модуляторы FM

Преимущества и недостатки частотной модуляции

Как появился FM

Индекс модуляции и коэффициент отклонения

Диапазон FM

Что такое частотная модуляция? Определение и часто задаваемые вопросы

Определение частотной модуляции

Часто задаваемые вопросы

Что такое частотная модуляция?

Уравнение частотной модуляции: FM: VFM (t) = Vco sin (2 p [fc + (Df / Vmo) Vm (t)] t + f)

Амплитудная модуляция против частотной модуляции

Частотная модуляция в системах связи

Частотная модуляция в анализе вибрации

Как OmniSci помогает контролировать частотную модуляцию?

Частотная модуляция — обзор

51.4.5 Методы модуляции

Частотная модуляция (FM) — NI

Введение в частотную модуляцию

FM Схема модуляции / демодуляции: 7 шагов (с изображениями)

Индекс модуляции, полоса пропускания и приложения

Что такое частотная модуляция?

История FM

Отклонение частоты

Частотная модуляция

Что такое индекс модуляции частотной модуляции?

Частотная модуляция в системах связи

FM в анализе вибрации

Полоса пропускания сигнала частотной модуляции

FM известна как система постоянной полосы пропускания. Почему?

Разница между амплитудной модуляцией и частотной модуляцией

Преимущества частотной модуляции

Недостатки частотной модуляции

Оставить комментарийОтменить комментарий