Mengetahui Modulasi Frekuensi (FM)

Objektif
* Ketahui hubungan frekuensi pembawa, frekuensi modulasi dan indeks modulasi dengan kecekapan dan lebar jalur
* Bandingkan sistem FM dengan sistem AM berkaitan dengan kecekapan, lebar jalur dan kebisingan.

Sistem Asas
Sistem komunikasi asas mempunyai:
# Pemancar: Sub-sistem yang mengambil isyarat maklumat dan memprosesnya sebelum penghantaran. Pemancar memodulasi maklumat ke isyarat pembawa, menguatkan isyarat dan menyiarkannya melalui saluran
# Saluran: Medium yang mengangkut isyarat termodulasi ke penerima. Air bertindak sebagai saluran untuk siaran seperti radio. Mungkin juga sistem pendawaian seperti TV kabel atau Internet.
# Penerima: Sub-sistem yang mengambil isyarat yang dihantar dari saluran dan memprosesnya untuk mengambil isyarat maklumat. Penerima mesti dapat membezakan isyarat dari isyarat lain yang mungkin menggunakan saluran yang sama (disebut penalaan), menguatkan isyarat untuk diproses dan mendodulasi (keluarkan pembawa) untuk mengambil maklumat. Ia kemudian memproses maklumat untuk penerimaan (misalnya, disiarkan pada pembesar suara).

modulasi
Isyarat maklumat jarang dapat dihantar sebagaimana mestinya, ia mesti diproses. Untuk menggunakan transmisi elektromagnetik, ia mesti ditukarkan terlebih dahulu dari audio menjadi isyarat elektrik. Penukaran dilakukan oleh transduser. Selepas penukaran digunakan untuk memodulasi isyarat pembawa.

Isyarat pembawa digunakan untuk dua sebab:
* Untuk mengurangkan panjang gelombang untuk penghantaran dan penerimaan yang cekap (ukuran antena optimum ialah ½ atau ¼ panjang gelombang). Frekuensi audio khas 3000 Hz akan mempunyai panjang gelombang 100 km dan memerlukan panjang antena 25 km yang berkesan! Sebagai perbandingan, pembawa khas untuk FM adalah 100 MHz, dengan panjang gelombang 3 m, dan dapat menggunakan antena dengan panjang hanya 80 cm.

* Untuk membolehkan penggunaan saluran yang sama secara serentak, yang disebut multiplexing. Setiap isyarat unik boleh diberikan frekuensi pembawa yang berbeza (seperti stesen radio) dan masih berkongsi saluran yang sama. Syarikat telefon sebenarnya mencipta modulasi untuk membolehkan perbualan telefon dihantar melalui talian biasa.
Proses modulasi bermaksud menggunakan isyarat maklumat secara sistematik (apa yang anda ingin hantarkan) untuk mengubah beberapa parameter isyarat pembawa. Isyarat pembawa biasanya hanyalah sinusoid frekuensi tunggal sederhana (berbeza-beza mengikut masa seperti gelombang sinus).

Gelombang sinus asas berlaku seperti V (t) = Vo sin (2 pft + f) di mana parameternya ditentukan di bawah:

#V (t) voltan isyarat sebagai fungsi masa.
#Vo amplitud isyarat (mewakili nilai maksimum yang dicapai setiap kitaran)
#f frekuensi ayunan, bilangan kitaran sesaat (juga dikenali sebagai Hertz = 1 kitaran sesaat)
#fasa fasa isyarat, mewakili titik permulaan kitaran.

Untuk memodulasi isyarat hanya bermaksud mengubah sistematik salah satu daripada tiga parameter isyarat: amplitud, frekuensi atau fasa. Oleh itu, jenis modulasi boleh dikategorikan sama ada

AM: modulasi amplitud

FM: modulasi frekuensi atau

PM: modulasi fasa

Catatan: PM mungkin istilah yang tidak dikenali tetapi biasa digunakan. Ciri-ciri PM sangat mirip dengan FM dan istilahnya sering digunakan secara bergantian.

FM
Modulasi frekuensi menggunakan isyarat maklumat, Vm (t) untuk mengubah frekuensi pembawa dalam julat kecil mengenai nilai asalnya. Berikut adalah tiga isyarat dalam bentuk matematik:

Maklumat: Vm (t)
* Pembawa: Vc (t) = Vco sin (2 p fc t + f)
* FM: VFM (t) = Vco sin (2 p [fc + (Df / Vmo) Vm (t)] t + f)

Kami telah mengganti istilah frekuensi pembawa, dengan frekuensi berbeza-beza waktu. Kami juga telah memperkenalkan istilah baru: Df, penyimpangan frekuensi puncak. Dalam borang ini, anda seharusnya dapat melihat bahawa istilah frekuensi pembawa: fc + (Df / Vmo) Vm (t) kini berbeza antara hujung fc - Df dan fc + Df. Tafsiran Df menjadi jelas: ia adalah yang paling jauh dari frekuensi asal yang boleh menjadi isyarat FM. Kadang-kadang ia disebut sebagai "ayunan" dalam frekuensi.

Kita juga dapat menentukan indeks modulasi untuk FM, serupa dengan AM:
* b = Df / fm, di mana fm adalah frekuensi modulasi maksimum yang digunakan.
* Tafsiran paling sederhana dari indeks modulasi, b, adalah sebagai ukuran penyimpangan frekuensi puncak, Df. Dengan kata lain, b mewakili cara untuk menyatakan frekuensi penyimpangan puncak sebagai gandaan frekuensi modulasi maksimum, fm, iaitu Df = b fm.

Contoh: anggap di radio FM bahawa isyarat audio yang akan dihantar berkisar antara 20 hingga 15,000 Hz (tidak). Sekiranya sistem FM menggunakan indeks modulasi maksimum, b, 5.0, maka frekuensi akan "berayun" dengan maksimum 5 x 15 kHz = 75 kHz di atas dan di bawah frekuensi pembawa.

Inilah isyarat FM ringkas:

Di sini, pembawa berada pada 30 Hz, dan frekuensi modulasi adalah 5 Hz. Indeks modulasi adalah sekitar 3, menjadikan penyimpangan frekuensi puncak sekitar 15 Hz. Ini bermaksud frekuensi akan berbeza antara 15 dan 45 Hz. Seberapa cepat kitaran selesai adalah fungsi frekuensi modulasi.

Spektrum FM
Spektrum mewakili jumlah relatif komponen frekuensi yang berbeza dalam sebarang isyarat. Seperti paparan pada penyamaan grafik di stereo anda yang memimpin menunjukkan jumlah bass, midrange dan treble yang relatif. Ini berkaitan secara langsung dengan peningkatan frekuensi (treble menjadi komponen frekuensi tinggi). Ini adalah fakta matematik yang terkenal, bahawa sebarang fungsi (isyarat) dapat diuraikan menjadi komponen sinusoidal semata-mata (dengan beberapa pengecualian patologi). 

Dari segi teknikal, sinus dan kosinus membentuk sekumpulan fungsi yang lengkap, juga dikenal sebagai dasar dalam ruang vektor dimensi tak terbatas fungsi bernilai nyata (gag refleks). Memandangkan sebarang isyarat boleh dianggap terdiri daripada isyarat sinusoidal, spektrum tersebut kemudian mewakili "kad resipi" bagaimana membuat isyarat dari sinusoid. Seperti: 1 bahagian 50 Hz dan 2 bahagian 200 Hz. Sinusoid tulen mempunyai spektrum paling mudah, hanya satu komponen:

Dalam contoh ini, pembawa mempunyai 8 Hz dan spektrum mempunyai komponen tunggal dengan nilai 1.0 pada 8 Hz

Spektrum FM jauh lebih rumit. Spektrum isyarat FM sederhana kelihatan seperti:





Pembawa sekarang 65 Hz, isyarat modulasi adalah nada 5 Hz murni, dan indeks modulasi adalah 2. Apa yang kita lihat adalah banyak jalur sisi (lonjakan selain frekuensi pembawa) dipisahkan oleh frekuensi modulasi, 5 Hz. Terdapat kira-kira 3 jalur sisi di kedua-dua sisi pembawa. Bentuk spektrum dapat dijelaskan dengan menggunakan argumen heterodyne sederhana: apabila anda mencampur tiga frekuensi (fc, fm dan Df) bersama-sama anda memperoleh jumlah dan frekuensi perbezaan. Gabungan terbesar ialah fc + fm + Df, dan terkecil adalah fc - fm - Df. Oleh kerana Df = b fm, frekuensi berbeza (b + 1) fm di atas dan di bawah pembawa.


Contoh yang lebih realistik adalah menggunakan spektrum audio untuk menyediakan modulasi:





Dalam contoh ini, isyarat maklumat berbeza antara 1 dan 11 Hz. Pembawa berada pada 65 Hz dan indeks modulasi adalah 2. Lonjakan jalur sisi individu digantikan oleh spektrum berterusan yang lebih kurang. Walau bagaimanapun, tahap jalur sisi terhad (kira-kira) hingga (b + 1) fm di atas dan di bawah. Di sini, itu adalah 33 Hz di atas dan di bawah, menjadikan lebar jalur sekitar 66 Hz. Kami melihat jalur sisi memanjang dari 35 hingga 90 Hz, jadi lebar jalur yang diperhatikan adalah 65 Hz.

Anda mungkin tertanya-tanya mengapa kita mengabaikan bonggol halus di hujung spektrum yang melampau. Yang benar adalah bahawa mereka sebenarnya adalah produk sampingan dari modulasi frekuensi (tidak ada bunyi rawak dalam contoh ini). Walau bagaimanapun, mereka mungkin diabaikan dengan selamat kerana mereka hanya mempunyai pecahan seminit dari jumlah kuasa. Dalam praktiknya, kebisingan secara rawak akan mengaburkannya.

Contoh: Radio FM
Radio FM tentu saja menggunakan modulasi frekuensi. Jalur frekuensi untuk radio FM adalah sekitar 88 hingga 108 MHz. Isyarat maklumat adalah muzik dan suara yang jatuh dalam spektrum audio. Julat spektrum audio penuh dari 20 hingga 20,000 Hz, tetapi radio FM menghadkan frekuensi modulasi atas hingga 15 kHz (rujuk radio AM yang menghadkan frekuensi atas hingga 5 kHz). Walaupun, beberapa isyarat mungkin hilang di atas 15 kHz, namun kebanyakan orang tidak dapat mendengarnya, oleh itu terdapat sedikit kehilangan kesetiaan. Radio FM mungkin disebut sebagai "kesetiaan tinggi".

Sekiranya pemancar FM menggunakan indeks modulasi maksimum sekitar 5.0, maka lebar jalur yang dihasilkan adalah 180 kHz (kira-kira 0.2 MHz). FCC memberikan stesen berjauhan 0.2 MHz untuk mengelakkan pertindihan isyarat (kebetulan? Saya rasa tidak!). Sekiranya anda mengisi jalur FM dengan stesen, anda boleh mendapatkan 108 - 88 / .2 = 100 stesen, dengan jumlah yang sama dengan radio AM (107). Ini terdengar meyakinkan, tetapi sebenarnya lebih rumit (agh!).

Radio FM disiarkan secara stereo, yang bermaksud dua saluran maklumat. Dalam praktiknya, mereka menghasilkan tiga isyarat sebelum menerapkan modulasi:

* Isyarat L + R (kiri + kanan) dalam julat 50 hingga 15,000 Hz.
* pembawa juruterbang 19 kHz.

* Sinyal LR berpusat pada pembawa perintis 38 kHz (yang ditekan) yang berkisar antara 23 hingga 53 kHz.

Jadi, isyarat maklumat sebenarnya mempunyai frekuensi modulasi maksimum 53 kHz, yang memerlukan pengurangan indeks modulasi menjadi sekitar 1.0 untuk mengekalkan keseluruhan lebar jalur isyarat sekitar 200 kHz.

Persembahan FM
Bandwidth
Seperti yang telah kita tunjukkan, lebar jalur isyarat FM boleh diramalkan menggunakan:

* BW = 2 (b + 1) fm

di mana b adalah indeks modulasi dan fm adalah frekuensi modulasi maksimum yang digunakan.

Radio FM mempunyai lebar jalur yang jauh lebih besar daripada radio AM, tetapi jalur radio FM juga lebih besar. Gabungannya mengekalkan bilangan saluran yang tersedia hampir sama.

Lebar jalur isyarat FM mempunyai kebergantungan yang lebih rumit daripada pada kes AM (ingat, lebar jalur isyarat AM hanya bergantung pada frekuensi modulasi maksimum). Di FM, indeks modulasi dan frekuensi modulasi mempengaruhi lebar jalur. Oleh kerana maklumat semakin kuat, lebar jalur juga bertambah.

Kecekapan
Kecekapan isyarat adalah kekuatan pada band sisi sebagai sebahagian kecil daripada jumlah keseluruhan. Dalam isyarat FM, kerana banyak jalur sisi yang dihasilkan, kecekapan umumnya tinggi. Ingat bahawa AM konvensional terhad kepada kecekapan sekitar 33% untuk mengelakkan gangguan pada penerima ketika indeks modulasi lebih besar daripada 1. FM tidak mempunyai masalah yang serupa.

Struktur jalur sisi agak rumit, tetapi selamat untuk mengatakan bahawa kecekapan umumnya ditingkatkan dengan menjadikan indeks modulasi lebih besar (sebagaimana mestinya). Tetapi jika anda membuat indeks modulasi lebih besar, maka jadikan lebar jalur lebih besar (tidak seperti AM) yang mempunyai kekurangannya. Seperti biasa dalam kejuruteraan, kompromi antara kecekapan dan prestasi dicapai. Indeks modulasi biasanya terbatas pada nilai antara 1 dan 5, bergantung pada aplikasi.

Bunyi
Sistem FM jauh lebih baik untuk menolak bunyi daripada sistem AM. Kebisingan umumnya disebarkan secara seragam ke seluruh spektrum (yang disebut bunyi putih, yang bermaksud spektrum luas). Amplitud bunyi bervariasi secara rawak pada frekuensi ini. Perubahan amplitud sebenarnya dapat memodulasi isyarat dan diambil dalam sistem AM. Hasilnya, sistem AM sangat sensitif terhadap bunyi rawak. Contohnya ialah kebisingan sistem pencucuhan di dalam kereta anda. Penapis khas perlu dipasang untuk mengelakkan gangguan dari radio kereta anda.

Sistem FM sememangnya kebal terhadap bunyi rawak. Agar bunyi terganggu, ia mesti mengubah frekuensi entah bagaimana. Tetapi kebisingan diedarkan secara seragam dalam frekuensi dan kebanyakannya berbeza pada amplitud. Akibatnya, hampir tidak ada gangguan di penerima FM. FM kadang-kadang disebut "bebas statik," merujuk kepada kekebalan unggulnya terhadap bunyi rawak.

Ringkasan
Dalam isyarat FM, kecekapan dan lebar jalur bergantung pada frekuensi modulasi maksimum dan indeks modulasi.
Berbanding dengan AM, isyarat FM mempunyai kecekapan yang lebih tinggi, lebar jalur yang lebih besar dan kekebalan yang lebih baik terhadap bunyi bising.

Tinggalkan pesanan 

Senarai mesej