Честотна модулация (FM): определение, приложения и предимства

Честотна модулация (FM): изчерпателно определение, ключови приложения и предимства за качество на звук, стерео предаване и съвременни радиотехнологии.

В телекомуникациите и обработката на сигнали честотната модулация предава информация по носеща вълна чрез промяна на честотата. Тази техника се различава от амплитудната модулация, която променя амплитудата, но запазва честотата постоянна. Този вид модулация се използва при радиоразпръскване и други радиодейности.

В контекста на радиоразпръскването честотната модулация често се съкращава на FM. При предаване на аналогов звук качеството на звука на FM сигналите е по-добро от това на сигналите с амплитудна модулация (AM). Въпреки това FM сигналите не се разпространяват толкова далеч, колкото AM, тъй като използват по-високи честоти, които не се отразяват от слоя на Кенели-Хайвисайд.

Много радиостанции изпращат и двата вида сигнали. AM може да се използва за токшоу, а FM - за музика. FM-излъчването обикновено включва сигнал за разлика, който може да накара два различни високоговорителя у дома да създадат различни звуци. По този начин се създава стерео звук.

Какво представлява честотната модулация (FM)

Честотната модулация изменя моментната честота на носещата вълна в зависимост от моментната стойност на информационния (модулиращия) сигнал m(t). При прост математически модел моментната честота f_i(t) може да се запише като f_i(t) = f_c + k_f·m(t), където f_c е носещата честота, а k_f е коефициентът на честотна чувствителност. В резултат на това спектърът на FM съдържа множество странични хармоници (странични ленти), чиито амплитуди се определят от Беселови функции.

Основни технически параметри

• Честотно отклонение (Δf) — максималната промяна на честотата спрямо носещата.
• Модулационен индекс (β) — β = Δf / f_m, където f_m е най-високата честота в модулиращия сигнал. Той определя броя и силата на страничните ленти.
• Ширина на предавания сигнал — при FM спектърът е практически неограничен, но за полезни приложения често се използва приближението на Carson: BW ≈ 2(Δf + f_m).
• Дискриминатор и лимитер — в приемника се използва лимитер за отстраняване на амплитудния шум и дискриминатор за преобразуване на честотните промени обратно в сигнал.
• Претежание/де-емфазис (pre-emphasis/de-emphasis) — усилване на високите аудиочестоти преди предаване и обратно обработване в приемника за намаляване на шумовете в тези честоти.

Предимства и недостатъци

• Предимства:
  • По-висока устойчивост на амплитуден шум и смущения — шумът често се проявява като амплитудна промяна, която FM лимитерът премахва.
  • По-добро качество на аудиото за аналогови предавания, особено при музика.
  • Capture effect — FM приемник предпочита по-силния от два сигнала на близки честоти, което намалява интерференцията от по-слабите сигнали.
• Недостатъци:
  • По-голяма необходима честотна лента в сравнение с теснолентови AM приложения.
  • Ограничен обхват заради използването на по-високи честоти (често зависим от линията на видимост и тропосферни ефекти), което го прави по-подходящ за местно и регионално излъчване.
  • По-сложно реализиране на стабилни висококачествени предаватели и приемници.

Приложения

• Радиоразпръскване — обикновено FM в обхвата VHF (напр. 88–108 MHz за широкоформатно FM радио), където се използва за стерео музикални програми.
• Стерео и допълнителни услуги — стандартното FM стерео използва композиция от L+R (моно сигнал) и L−R (разностен сигнал), 19 kHz пилот тон и подносач (DSB) на 38 kHz; често се добавя RDS (Radio Data System) на 57 kHz за предаване на текстова и служебна информация.
• Двупосочни радиостанции и комуникации — таксита, полиция, аматьорски радиостанции, авиация (VHF), и други системи за гласова комуникация.
• Телеконтрол и телеметрия — предаване на данни от сензори и уреди.
• Цифрови варианти — цифровата аналогия на FM е честотното шифриране (FSK), а също и различни цифрови модулации, използващи концепции за промяна на честотата.

Практически бележки за излъчване и приемане

FM приемниците често имат лимитиращ вход, който премахва амплитудни вариации и предотвратява засилване на шумовете. След това дискриминатор или PLL (phase-locked loop) извлича модулиращия сигнал. За да се подобри съотношението сигнал/шум при възпроизвеждане на аудио, във веригата се прилага пре-емфазис / де-емфазис, при което високите честоти се подсилват при предаване и отслабват при приемане.

Честотната модулация е широко използвана поради доброто си качество и устойчивост на смущения, но решенията за избор между FM и други модулации зависят от изискванията за честотна лента, обхват, сложност на приемника и целево приложение.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява честотната модулация?

В: По какво честотната модулация се различава от амплитудната модулация?

В: Къде честотната модулация се използва често?

В: Какво е предимството на използването на FM сигнали за предаване на аналогов звук?

Въпрос: Защо FM сигналите не се разпространяват толкова далеч, колкото AM сигналите?

В: Как радиостанциите използват едновременно AM и FM сигнали?

В: Каква е разликата в сигнала при FM излъчване?

Търсене по буква