Frekvenču modulācija (FM): definīcija, darbības princips un radio pielietojums
Telekomunikācijās un signālu apstrādē ar frekvenču modulāciju pārraida informāciju pa nesošo vilni, mainot tā frekvenci. Šis paņēmiens atšķiras no amplitūdas modulācijas, kas maina amplitūdu, bet saglabā nemainīgu frekvenci. Frekvenču modulācijā signāla brīvības -- instantānā frekvence -- mainās proporcionāli modulējošajam signālam, tādējādi kodējot informāciju. Šo modulācijas veidu izmanto apraidē un citos radio darbos, kā arī telemetrijā, divvirzienu radiosakaru iekārtās un TV skaņas pārraidē.
Darbības princips
Vienkāršoti: nesējviļņa bāzes frekvence f_c tiek pārvietota uz augšu vai lejup par frekvences novirzi Δf, kas ir atkarīga no modulējošā signāla amplitūdas. Matemātiski instantānā frekvence ir f_i(t) = f_c + k_f · m(t), kur m(t) ir modulējošais signāls un k_f — frekvences jutīguma koeficients. Praktiski svarīgi jēdzieni:
- Frekvences novirze (frequency deviation) — maksimālais frekvences nobīdes diapazons, piemēram, FM apraidē ASV parasti ±75 kHz.
- Modulācijas indekss β = Δf / f_m, kur f_m ir modulācijas signāla augstākā frekvence; tas ietekmē rezultējošo spektru un joslas platumu.
- Joslas platums — FM parasti prasa plašāku spektru nekā AM. Aptuveno joslas platumu var novērtēt ar Carson noteikumu: B ≈ 2(Δf + f_m).
FM apraide (radio)
Apraides kontekstā frekvenču modulāciju bieži saīsināti sauc par FM. Pārraidot analogo skaņu, FM signālu skaņas kvalitāte parasti ir labāka nekā amplitūdas modulācijas (AM) signāliem, jo FM ir lielāka noturība pret troksni un amplitūdas traucējumiem. Tomēr FM signāli nenotiek tik tālu kā AM signāli, jo tie izmanto augstākas frekvences, kas neatsprāgst no Kennelly-Heaviside slāņa un lielā mērā izplatās līdzīgas līnijas redzamības (line-of-sight) apstākļos.
Skaņas kvalitāte, stereo un multiplex
FM apraide atbalsta stereo skaņu, izmantojot multiplex signālu: mono (L+R) /sum/ kanāls pārraidīts bāzesbandā, bet starpību (L−R) pārvada uz 38 kHz dubultnesēju (DSB-SC) subnesēju; 19 kHz pilotsignal nodrošina dekodēšanu. Papildus bieži tiek iekļauts RDS (Radio Data System) datu kanāls uz 57 kHz subnesēja. Šāda struktūra ļauj atsevišķi atjaunot labo un kreiso kanālu labas stereo izšķirtspējas nodrošināšanai.
FM priekšrocības un trūkumi
- Priekšrocības: laba troksnes noturība (jo troksnis parasti ietekmē amplitūdu vairāk nekā frekvenci), labāka skaņas kvalitāte mūzikai, capture efekts — uztvērējs bieži izzūd uz vienu spēcīgāku signālu, nevis “saliek” divus vājākus.
- Trūkumi: plašāks spektrs (lielāks joslas platums) un sarežģītāks radio tīkla plānojums; augstfrekvences izplatība samazina nodrošinājuma attālumu salīdzinājumā ar AM vidējiem viļņiem; FM ir jutīgāka pret šķēršļiem un reljefa ēnām (line-of-sight ierobežojumi).
Demodulācija un tehniskie aspekti
FM signālu atjaunošanai izmanto dažādas demodulācijas metodes: frekvenču diskriminatorus, PLL (fāzes slēgtas cilpas) demodulatorus un slope (slīpuma) detektorus. Lai vēl vairāk samazinātu trokšņus, uztvērējos bieži izmanto pre-emphasis un de-emphasis ķēdes (augstfrekvences komponentes tiek pastiprinātas raidītājā un samazinātas uztvērējā), kas uzlabo signāla attiecību pret troksni.
Frekvenču joslas un pielietojums
FM apraide parasti darbojas VHF joslā — daudzviet pasaulē komerciālās FM radio stacijas darbojas robežās aptuveni 87.5–108 MHz. Tomēr frekvenču modulāciju izmanto arī citur: aviācijas navigācijā un radiosakariem, mobilo sakaru tehnoloģijās (dažos risinājumos), profesionālajā divvirzienu radiosakarā, satelītu telemetrijā un televīzijas skaņas kanālos.
Kopsavilkums
Frekvenču modulācija (FM) ir efektīvs veids, kā pārraidīt analogas un noteiktus digitālus signālus, nodrošinot labu audio kvalitāti un noturību pret traucējumiem. Tā prasa lielāku joslas platumu nekā AM un visbiežāk darbojas VHF diapazonā, līdz ar ko tās attālums un izplatība ir atkarīga no antenu parametriem, raidītāja jaudas un ģeogrāfiskajiem apstākļiem. FM tehnoloģija ir būtiska mūsdienu radio apraidē, profeisonālajos sakaros un daudzos speciālos sakaru lietojumos.
Skaņas viļņa, AM viļņa un FM viļņa salīdzinājums
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir frekvenču modulācija?
A: Frekvences modulācija ir metode, ko izmanto telekomunikācijās un signālu apstrādē, lai pārraidītu informāciju pa nesošo vilni, mainot tā frekvenci.
J: Ar ko frekvences modulācija atšķiras no amplitūdas modulācijas?
A: Frekvences modulācija maina nesošā viļņa frekvenci, bet amplitūdas modulācija maina amplitūdu, bet frekvenci saglabā nemainīgu.
J: Kur parasti izmanto frekvences modulāciju?
A: Frekvences modulāciju parasti izmanto apraidē un citos radio darbos.
J: Kāda ir priekšrocība, izmantojot FM signālus analogās skaņas pārraidei?
A: FM signāliem ir labāka skaņas kvalitāte nekā amplitūdas modulācijas (AM) signāliem analogās skaņas pārraidei.
J: Kāpēc FM signāli nenotiek tik tālu kā AM signāli?
A: FM signāli izmanto augstākas frekvences, kas neatspīd no Kennelly-Heaviside slāņa, kas ierobežo to pārraides diapazonu salīdzinājumā ar AM signāliem.
J: Kā radiostacijas izmanto gan AM, gan FM signālus?
A: Radiostacijas var izmantot AM signālu sarunu raidījumiem un FM signālu mūzikai.
J: Kāda ir atšķirība starp signāliem FM apraidē?
A: FM apraidē atšķirību signāls tiek iekļauts, lai radītu stereo skaņu, liekot diviem dažādiem skaļruņiem radīt atšķirīgas skaņas.
