Im Fernmeldewesen und der Signalverarbeitung befördert Frequenzmodulation (FM) Information über eine Transportunternehmen-Welle durch das Verändern seiner sofortigen Frequenz. Das hebt sich von der Umfang-Modulation ab, in der der Umfang des Transportunternehmens geändert wird, während seine Frequenz unveränderlich bleibt. In analogen Anwendungen, dem Unterschied zwischen dem sofortigen und der Grundfrequenz des Transportunternehmens ist zum sofortigen Wert des Eingangssignal-Umfangs direkt proportional. Digitaldaten können durch die Verschiebung der Frequenz des Transportunternehmens unter einer Reihe von Einstellungen, eine als Frequenzverschiebungstexteingabe bekannte Technik gesandt werden. FSK (Digital-FM) wird in Daten und Fax-Modems weit verwendet. Morsezeichen-Codeübertragung ist dieser Weg gesandt worden, und FASK wurde in frühen Telefonverbindungsmodems verwendet. Radioteletype verwendet auch FSK.

FM-Modulation wird auch in Telemetrie, Radar, dem seismischen Untersuchen und der neugeborenen EEG-Beschlagnahme-Überwachung verwendet. Frequenzmodulation ist als Phase-Modulation bekannt, wenn die Transportunternehmen-Phase-Modulation die des FM-Signals integrierte Zeit ist. FM wird für Sendemusik und Rede, Zweiwegeradiosysteme, magnetische Band registrierende Systeme und einige Videoübertragungssysteme weit verwendet. In Radiosystemen stellt die Frequenzmodulation mit der genügend Bandbreite einen Vorteil im Annullieren des natürlich vorkommenden Geräusches zur Verfügung.

Theorie

Wenn die Basisband-Daten signalisieren (die Nachricht), übersandt zu werden, ist, und das sinusförmige Transportunternehmen ist, wo f die Grundfrequenz des Transportunternehmens ist und A der Umfang des Transportunternehmens ist, verbindet der Modulator das Transportunternehmen mit dem Basisband-Datensignal, das übersandte Signal zu bekommen:

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In dieser Gleichung, ist die sofortige Frequenz des Oszillators und ist die Frequenzabweichung, die die maximale Verschiebung weg von f in einer Richtung vertritt, x annehmend, wird (t) auf die Reihe ±1 beschränkt.

Obwohl es scheinen kann, dass das die Frequenzen im Gebrauch zu f ± f beschränkt, vernachlässigt das die Unterscheidung zwischen sofortiger Frequenz und geisterhafter Frequenz. Das Frequenzspektrum eines wirklichen FM-Signals hat Bestandteile, die sich ungeheuer ausstrecken, obwohl sie unwesentlich außer einem bestimmten Punkt werden.

Sinusförmiges Basisband-Signal

Einfach festgesetzt hat ein Basisband moduliert Signal kann durch ein sinusförmiges dauerndes Welle-Signal mit einer Frequenz f näher gekommen werden. Das Integral solch eines Signals ist:

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In diesem Fall vereinfacht Gleichung (1) oben zu:

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wo der Umfang des Modulierens sinusoid durch die Maximalabweichung vertreten wird (sieh Frequenzabweichung).

Der harmonische Vertrieb eines durch solch ein sinusförmiges Signal abgestimmten Sinus-Welle-Transportunternehmens kann mit Funktionen von Bessel vertreten werden; das schafft die Grundlage für ein mathematisches Verstehen der Frequenzmodulation im Frequenzgebiet.

Modulationsindex

Als in anderen Modulationsindizes zeigt diese Menge dadurch an, wie viel die abgestimmte Variable um sein unabgestimmtes Niveau ändert. Es bezieht sich auf Schwankungen in der Transportunternehmen-Frequenz:

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wo die höchste Frequenzteilgegenwart im modulierenden Signal x (t) ist, und die Maximalfrequenzabweichung — d. h. die maximale Abweichung der sofortigen Frequenz von der Transportunternehmen-Frequenz ist. Wenn die Modulation engbandiges FM genannt wird, und seine Bandbreite ungefähr ist.

Wenn die Modulation Breitband-FM genannt wird und seine Bandbreite ungefähr ist. Während Breitband-FM mehr Bandbreite verwendet, kann es das Verhältnis des Signals zum Geräusch bedeutsam verbessern; zum Beispiel läuft die Verdoppelung des Werts, während sie unveränderlich hält, auf eine achtfältige Verbesserung im Verhältnis des Signals zum Geräusch hinaus. (Vergleichen Sie das mit dem Zwitschern-Ausbreitungsspektrum, das äußerst breite Frequenzabweichungen verwendet, um in einer Prozession gehende Gewinne zu erreichen, die mit traditionellen, besser bekannten Ausbreitungsspektrum-Weisen vergleichbar sind).

Mit einer Ton-abgestimmten FM-Welle, wenn die Modulationsfrequenz festgehalten wird und wird der Modulationsindex, die (nichtunwesentliche) Bandbreite der FM-Signalzunahmen vergrößert, aber der Abstand zwischen Spektren bleibt dasselbe; einige geisterhafte Bestandteile nehmen in der Kraft ab, als andere zunehmen. Wenn die Frequenzabweichung festgehalten wird und die Modulationsfrequenz, der Abstand zwischen Spektrum-Zunahmen vergrößert.

Frequenzmodulation kann so engbandig klassifiziert werden, wenn die Änderung in der Transportunternehmen-Frequenz über dasselbe ist wie die Signalfrequenz, oder als Breitband, wenn die Änderung in der Transportunternehmen-Frequenz viel höher ist (Modulationsindex> 1) als die Signalfrequenz.

Zum Beispiel wird engbandiges FM für zwei Weg Radiosysteme wie Familienradiodienst verwendet, in dem dem Transportunternehmen erlaubt wird, um nur 2.5 Kilohertz oben und unter der Zentrum-Frequenz mit Rede-Signalen nicht mehr als der 3.5-Kilohertz-Bandbreite abzugehen. Breitband-FM wird für die FM-Rundfunkübertragung verwendet, in der Musik und Rede mit bis zu 75 Kilohertz Abweichung von der Zentrum-Frequenz übersandt werden und Audio-mit bis zu einer 20-Kilohertz-Bandbreite tragen.

Die Regierung von Carson

Eine Faustregel, die Regierung von Carson stellt fest, dass fast ganzer (~98 Prozent) der Macht eines frequenzabgestimmten Signals innerhalb einer Bandbreite liegt:

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wo, wie definiert, oben, die Maximalabweichung der sofortigen Frequenz von der Zentrum-Transportunternehmen-Frequenz ist.

Das Geräuschberuhigen

Geräuschmacht-Abnahmen als Signalmacht nehmen zu; deshalb nimmt der Störabstand bedeutsam zu.

Funktionen von Bessel

Das Transportunternehmen und die Seitenfrequenzband-Umfänge werden für verschiedene Modulationsindizes von FM-Signalen (gestützt auf Funktionen von Bessel) illustriert:

Durchführung

Modulation

FM-Signale können mit entweder der direkten oder indirekten Frequenzmodulation erzeugt werden:

• Direkte FM-Modulation kann durch die direkte Fütterung der Nachricht in den Eingang eines VCO erreicht werden.
• Für die indirekte FM-Modulation wird das Nachrichtensignal integriert, um ein Phase-abgestimmtes Signal zu erzeugen. Das wird verwendet, um einen quarzgesteuerten Oszillator abzustimmen, und das Ergebnis wird durch einen Frequenzvermehrer passiert, um ein FM-Signal zu geben.

Demodulation

Viele FM-Entdecker-Stromkreise bestehen. Eine übliche Methodik, für das Informationssignal wieder zu erlangen, ist dadurch, discriminator Zu zu fördern-Seeley. Eine phasenstarre Schleife kann als ein FM-Demodulator verwendet werden. Steigungsentdeckung demoduliert ein FM-Signal durch das Verwenden eines abgestimmten Stromkreises, der seine Resonanzfrequenz ein bisschen vom Transportunternehmen ausgleichen ließ. Als sich die Frequenz erhebt und fällt, stellt der abgestimmte Stromkreis einen sich ändernden Umfang der Antwort zur Verfügung, FM zu AM umwandelnd. Empfänger von AM können einige FM-Übertragungen dadurch entdecken bedeutet, obwohl es kein effizientes Mittel der Entdeckung für FM-Sendungen zur Verfügung stellt.

Anwendungen

Magnetische Band-Lagerung

FM wird auch an Zwischenfrequenzen durch analoge Videorecorder-Systeme (einschließlich des VHS) verwendet, um sowohl die Klarheit (schwarz als auch weiß) Teile des Videosignals zu registrieren. Allgemein wird der Farbsignal-Bestandteil als ein herkömmliches Signal von AM mit dem FM-Signal der höheren Frequenz als Neigung registriert. FM ist die einzige ausführbare Methode, die Klarheit ("schwarz und weiß") Bestandteil des Videos zu zu registrieren (und Video von wiederzubekommen), magnetisches Band ohne Verzerrung; Videosignale haben eine große Reihe von Frequenzbestandteilen - von einigen Hertz zu mehreren Megahertz, die für Equalizer zu breit sind, um mit dem erwarteten zum elektronischen Geräusch unter 60 DB zu arbeiten. FM behält auch das Band am Sättigungsniveau, als eine Form der Geräuschverminderung handelnd; ein Begrenzer kann Schwankungen in der Play-Back-Produktion maskieren, und die FM-Festnahme-Wirkung entfernt Druck - durch und Vorecho. Ein dauernder Versuchston, wenn hinzugefügt, zum Signal - wie auf V2000 und vielen Hallo bändigen Formaten getan wurde - kann mechanischen Bammel unter der Kontrolle behalten und timebase Korrektur helfen.

Diese FM-Systeme sind ungewöhnlich, darin haben sie ein Verhältnis des Transportunternehmens zur maximalen Modulationsfrequenz von weniger als zwei; stellen Sie dem mit FM Audiorundfunkübertragung gegenüber, wo das Verhältnis ungefähr 10,000 ist., Betrachten Sie zum Beispiel, ein an einer 3.5-MHz-Rate als abgestimmtes 6-MHz-Transportunternehmen; durch die Analyse von Bessel sind die ersten Seitenfrequenzbänder auf 9.5 und 2.5 MHZ, und die zweiten Seitenfrequenzbänder sind auf 13 MHz und 1 MHz. Das Ergebnis ist ein umgekehrtes phasiges Seitenfrequenzband auf +1 MHz; auf demodulation läuft das auf unerwünschte Produktion an 61 = 5 MHz hinaus. Das System muss entworfen werden, so dass diese unerwünschte Produktion auf ein annehmbares Niveau reduziert wird.

Ton

FM wird auch an Audiofrequenzen verwendet, um Ton zu synthetisieren. Diese Technik, die als FM-Synthese bekannt ist, wurde durch frühe Digitalsynthesizer verbreitet und ist eine Standardeigenschaft in mehreren Generationen von Personalcomputerton-Karten geworden.

Radio

Edwin Howard Armstrong (1890-1954) war ein amerikanischer Elektroingenieur, der Breitbandradio der Frequenzmodulation (FM) erfunden hat.

Er hat den verbessernden Stromkreis 1914, der superheterodyne Empfänger 1918 und der superverbessernde Stromkreis 1922 patentiert. Armstrong hat seinen Vortrag gehalten, "Eine Methode, Störungen im Radio Zu reduzieren, das durch ein System der Frequenzmodulation", Signalisiert (der zuerst FM-Radio beschrieben hat), vor der New Yorker Abteilung des Instituts für Radioingenieure am 6. November 1935. Das Papier wurde 1936 veröffentlicht.

Da der Name einbezieht, verlangt Breitband-FM (WFM) eine breitere Signalbandbreite als Umfang-Modulation durch ein gleichwertiges modulierendes Signal; das macht auch das Signal robuster gegen das Geräusch und die Einmischung. Frequenzmodulation ist auch gegen Umfang-verblassendes Signal-Phänomene robuster. Infolgedessen wurde FM als der Modulationsstandard für die hohe Frequenz, hohe Treue-Radioübertragung, folglich der Begriff "FM--Radio" gewählt (obwohl viele Jahre lang die BBC es "VHF-Radio" weil kommerzielles FM genannt hat, das Gebrauch-Teil des VHF-Bandes — das FM-Sendungsband überträgt). FM-Empfänger verwenden einen speziellen Entdecker für FM-Signale und stellen ein Phänomen aus, das als die Festnahme-Wirkung bekannt ist, in der der Tuner die stärkeren von zwei Stationen auf derselben Frequenz "gewinnt", während er den anderen zurückweist (vergleichen Sie das mit einer ähnlichen Situation auf einem Empfänger von AM, wo beide Stationen gleichzeitig gehört werden können). Jedoch können Frequenzantrieb oder ein Mangel an der Selektivität eine Station veranlassen, von einem anderen auf einem angrenzenden Kanal eingeholt zu werden. Frequenzantrieb war ein Problem im frühen (oder billig) Empfänger; unzulängliche Selektivität kann jeden Tuner betreffen.

Ein FM-Signal kann auch verwendet werden, um ein Stereosignal zu tragen; das wird damit getan, gleichzeitig zu senden, und dem Entschachteln vorher und nach dem FM-Prozess. Die FM-Modulation und der Demodulation-Prozess sind im Stereo- und den Monaural-Prozessen identisch. Ein Radiofrequenz-Schaltungsverstärker der hohen Leistungsfähigkeit kann verwendet werden, um FM-Signale (und andere Signale des unveränderlichen Umfangs) zu übersenden. Für eine gegebene Signalkraft (gemessen an der Empfänger-Antenne), Verstärker schaltend, verwenden weniger Batteriemacht und kosten normalerweise weniger als einen geradlinigen Verstärker. Das gibt FM einen anderen Vorteil gegenüber anderen Modulationsmethoden, die geradlinige Verstärker, wie AM und QAM verlangen.

FM wird an VHF-Radiofrequenzen für High-Fidelitysendungen der Musik und Rede allgemein verwendet. Normaler (analoger) Fernsehton wird auch mit FM übertragen. Engbandiges FM wird für Sprechverbindungen in kommerziellen und Amateurradioeinstellungen verwendet. In Sendungsdienstleistungen, wo Audiotreue wichtig ist, wird Breitband-FM allgemein verwendet. Im Zweiwegeradio wird engbandiges FM (NBFM) verwendet, um Bandbreite für das Land bewegliche, andere und bewegliche Seeradiodienstleistungen zu erhalten.

Siehe auch

• Umfang-Modulation
• Zwitschern
• FM, das sendet
• FM Stereo-
• FM-UWB (FM und extremes Breitband)
• Geschichte des Radios

Modulation, für eine Liste anderer Modulationstechniken

Weiterführende Literatur

• A. Bruce Carlson. Nachrichtensysteme, 4. Ausgabe. McGraw-Hügel-Wissenschaft/Technik/Mathematik. 2001. Internationale Standardbuchnummer 0070111278, internationale Standardbuchnummer 978-0070111271.
• Gary L. Frost. Frühes FM-Radio: Zusätzliche Technologie im Zwanzigsten Jahrhundert Amerika. Baltimore: Universität von Johns Hopkins Presse, 2010. Internationale Standardbuchnummer 0801894409, internationale Standardbuchnummer 978-0801894404.
• Ken Seymour, AT&T Radio (Beweglichkeit). Frequenzmodulation, Das Elektronik-Handbuch, die Seiten 1188-1200, die 1. Ausgabe, 1996. 2. Ausgabe, 2005 CRC Press, Inc., internationale Standardbuchnummer 0-8493-8345-5 (1. Ausgabe).