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Was ist Frequenzmodulation, FM

Was ist Frequenzmodulation, FM


Das Ändern der Amplitude eines Funksignals ist zwar die naheliegendste Methode, um es zu modulieren, aber keineswegs der einzige Weg. Es ist auch möglich, die Frequenz eines Signals zu ändern, um eine Frequenzmodulation oder FM zu erhalten. Die Frequenzmodulation ist bei Frequenzen über 30 MHz weit verbreitet und besonders bekannt für ihre Verwendung für UKW-FM-Sendungen.

Obwohl es möglicherweise nicht ganz so einfach ist wie die Amplitudenmodulation, bietet die Frequenzmodulation FM einige deutliche Vorteile. Es ist in der Lage, nahezu störungsfreien Empfang zu bieten, und aus diesem Grund wurde es für die UKW-Tonsendungen übernommen. Diese Übertragungen könnten High-Fidelity-Audio bieten, und aus diesem Grund ist die Frequenzmodulation weitaus beliebter als die älteren Übertragungen im Lang-, Mittel- und Kurzwellenband.

Zusätzlich zu seiner weit verbreiteten Verwendung für hochwertige Audiosendungen wird FM auch für eine Vielzahl von Zwei-Wege-Funkkommunikationssystemen verwendet. Ob für Festnetz- oder Mobilfunkkommunikationssysteme oder für den Einsatz in tragbaren Anwendungen, FM wird häufig bei UKW und höher eingesetzt.

Was ist Frequenzmodulation, FM?

Um ein frequenzmoduliertes Signal zu erzeugen, wird die Frequenz des Funkträgers entsprechend der Amplitude des eingehenden Audiosignals geändert.

Wenn das Audiosignal auf den Hochfrequenzträger moduliert wird, bewegt sich das neue Hochfrequenzsignal in der Frequenz auf und ab. Der Betrag, um den sich das Signal auf und ab bewegt, ist wichtig. Sie ist als Abweichung bekannt und wird normalerweise als Anzahl der Kilohertz-Abweichungen angegeben. Beispielsweise kann das Signal eine Abweichung von plus und minus 3 kHz aufweisen, d. H. ± 3 kHz. In diesem Fall bewegt sich der Träger um 3 kHz auf und ab.

Rundfunkstationen im UKW-Bereich des Frequenzspektrums zwischen 88,5 und 108 MHz verwenden große Abweichungswerte, typischerweise ± 75 kHz. Dies ist als Breitband-FM (WBFM) bekannt. Diese Signale können Übertragungen von hoher Qualität unterstützen, belegen jedoch eine große Bandbreite. Normalerweise sind 200 kHz für jede Breitband-FM-Übertragung zulässig. Für Kommunikationszwecke wird weniger Bandbreite verwendet. Schmalband-FM (NBFM) verwendet häufig Abweichungswerte von etwa ± 3 kHz.

Es ist Schmalband-FM, das typischerweise für Zweiwege-Funkkommunikationsanwendungen verwendet wird. Mit einem schmaleren Band ist es nicht in der Lage, die hohe Qualität der Breitbandübertragungen bereitzustellen, dies wird jedoch für Anwendungen wie die Mobilfunkkommunikation nicht benötigt.

Frequenzdemodulation

Wie bei jeder Form der Modulation ist es notwendig, sie erfolgreich zu demodulieren und das ursprüngliche Signal wiederherzustellen. Der FM-Demodulator kann als eine Vielzahl von Namen bezeichnet werden, einschließlich FM-Demodulator, FM-Detektor oder FM-Diskriminator.

Es gibt verschiedene Arten von FM-Demodulatoren, aber alle ermöglichen es, die Frequenzschwankungen des eingehenden Signals in Amplitudenschwankungen am Ausgang umzuwandeln. Diese werden normalerweise in einen Audioverstärker oder möglicherweise in eine digitale Schnittstelle eingespeist, wenn Daten über das System übertragen werden.


FM-Modulatoren

Es gibt verschiedene Methoden, mit denen frequenzmodulierte Signale erzeugt werden können.

  • Varaktordiodenoszillator: Dieses Verfahren erfordert einfach die Verwendung einer Varaktordiode, die in der abgestimmten Schaltung einer Oszillatorschaltung angeordnet ist. Es ist sogar möglich, eine Varaktordiode innerhalb einer Quarzoszillatorschaltung zu verwenden. Wenn Kristalloszillatoren wiederverwendet werden, muss das Signal typischerweise in der Frequenz multipliziert werden, und nur Schmalband-FM ist erreichbar.
  • Phasenregelkreis: Phasenregelkreise bieten eine hervorragende Methode zur Erzeugung von Frequenzmodulation. Es ist oft notwendig, die Einschränkungen innerhalb der Schleife sorgfältig zu verwalten, aber sobald dies erledigt ist, bietet es eine hervorragende Lösung.

Vor- und Nachteile der Frequenzmodulation

Wie bei jeder Form der Modulation gibt es bei ihrer Verwendung mehrere Vor- und Nachteile. Diese müssen berücksichtigt werden, bevor eine Entscheidung oder Entscheidung über die Verwendung getroffen wird:

Vorteile der Frequenzmodulation, FM:

  • Widerstandsfähigkeit gegen Lärm: Ein besonderer Vorteil der Frequenzmodulation ist ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Signalpegelschwankungen. Die Modulation wird nur als Frequenzschwankungen durchgeführt. Dies bedeutet, dass Signalpegelschwankungen den Audioausgang nicht beeinflussen, vorausgesetzt, das Signal fällt nicht auf einen Pegel, den der Empfänger nicht bewältigen kann. Dies macht FM ideal für Mobilfunkkommunikationsanwendungen, einschließlich allgemeinerer Zweiwege-Funkkommunikation oder tragbarer Anwendungen, bei denen die Signalpegel wahrscheinlich erheblich variieren. Der andere Vorteil von FM ist seine Widerstandsfähigkeit gegen Rauschen und Interferenzen. Aus diesem Grund wird FM für hochwertige Rundfunkübertragungen verwendet.
  • Einfach anzuwendende Modulation bei niedriger Leistung des Senders: Ein weiterer Vorteil der Frequenzmodulation ist mit den Sendern verbunden. Es ist möglich, die Modulation auf eine Stufe mit niedriger Leistung des Senders anzuwenden, und es ist nicht erforderlich, eine lineare Form der Verstärkung zu verwenden, um den Leistungspegel des Signals auf seinen Endwert zu erhöhen.
  • Es ist möglich, effiziente HF-Verstärker mit frequenzmodulierten Signalen zu verwenden: Es ist möglich, nichtlineare HF-Verstärker zu verwenden, um FM-Signale in einem Sender zu verstärken, und diese sind effizienter als die linearen, die für Signale mit Amplitudenschwankungen (z. B. AM und SSB) erforderlich sind. Dies bedeutet, dass für eine bestimmte Ausgangsleistung weniger Batterieleistung erforderlich ist, und dies macht die Verwendung von FM für tragbare Funkanwendungen praktikabler.

Vorteile der Frequenzmodulation, FM:

  • FM hat eine schlechtere spektrale Effizienz als einige andere Modulationsformate: Einige Phasenmodulations- und Quadraturamplitudenmodulationsformate weisen eine höhere spektrale Effizienz für die Datenübertragung auf als Frequenzumtastung, eine Form der Frequenzmodulation. Infolgedessen verwenden die meisten Datenübertragungssysteme PSK und QAM.
  • Benötigt einen komplizierteren Demodulator: Einer der kleinen Nachteile der Frequenzmodulation besteht darin, dass der Demodulator etwas komplizierter und daher etwas teurer ist als die für AM verwendeten sehr einfachen Diodendetektoren. Dies ist heutzutage jedoch viel weniger ein Problem, da viele integrierte Funkschaltungen einen eingebauten Frequenzdemodulator enthalten.
  • Einige andere Modi weisen eine höhere spektrale Effizienz der Daten auf: Einige Phasenmodulations- und Quadraturamplitudenmodulationsformate weisen eine höhere spektrale Effizienz für die Datenübertragung auf als die Frequenzumtastung, eine Form der Frequenzmodulation. Infolgedessen verwenden die meisten Datenübertragungssysteme PSK und QAM.
  • Seitenbänder erstrecken sich auf beiden Seiten bis ins Unendliche: Die Seitenbänder für eine FM-Übertragung erstrecken sich theoretisch bis ins Unendliche. Sie sind normalerweise für Breitband-Frequenzmodulationsübertragungen von Bedeutung, obwohl sie für Schmalband-FM klein sind. Um die Bandbreite der Übertragung zu begrenzen, werden häufig Filter verwendet, die zu einer gewissen Verzerrung des Signals führen. Normalerweise ist dies kein allzu großes Problem, obwohl darauf geachtet werden muss, diese Filter für Breitband-FM einzuschließen und sicherzustellen, dass sie richtig ausgelegt sind.

Wie FM eingeführt wurde

In den frühen Tagen des Radios war statische Aufladung ein Hauptproblem, und jeder versuchte, die Auswirkungen von statischer Aufladung zu verringern, indem er die Bandbreite verringerte - auf diese Weise wurde vom Empfänger weniger Rauschen aufgenommen.

Ein amerikanischer Ingenieur namens Edwin Armstrong untersuchte dieses Problem und ob Frequenzmodulation anstelle von Amplitudenmodulation einen Vorteil bieten könnte.

Um 1928 begann Armstrong, das Konzept der Verwendung von FM zu entwickeln, und anstatt die Bandbreite zu reduzieren, erhöhte er sie.

Viele stimmten Armstrongs Ideen aus verschiedenen Gründen nicht zu. Er wandte sich an RCA, und obwohl sie beeindruckt waren, konzentrierten sie sich auf das Fernsehen und wollten keine Ressource auf eine neue Form des Rundfunks umleiten.

Nach vielen Schwierigkeiten auf dem Weg startete Armstrong 1939 seinen eigenen Radiosender, um die Wirksamkeit von FM zu demonstrieren. Um diese und andere auf der FCC folgende Stationen aufzunehmen, wurde ein Frequenzband zwischen 42 und 50 MHz zugewiesen. Andere folgten bald, aber nach dem Krieg änderte die FCC in den USA das zugewiesene Frequenzband auf das heute bekannte zwischen 88 und 108 MHz. Obwohl es einige anfängliche Schmerzen gab, weil einige hunderttausend Radios verkauft worden waren, wurde die Band weltweit akzeptiert und es ist die UKW-FM-Band, die wir heute kennen.

Mit FM als Medium für qualitativ hochwertigen Rundfunk entwickelte es sich schnell.

Darüber hinaus wurde eine Form von Schmalband-FM für die UKW- und UHF-Mobilkommunikation populär. Die Art der FM bedeutete, dass Schwankungen der Signalstärke den Betrieb nicht annähernd so stark beeinflussten, als wäre es ein AM-Signal gewesen.

Modulationsindex & Abweichungsverhältnis

Bei Verwendung eines frequenzmodulierten Signals ist es sehr hilfreich, ein Maß für den effektiven Pegel der Modulation zu haben.

Dies ist nützlich, um Parameter zu definieren, z. B. ob das Signal ein schmalbandiges oder ein breitbandiges frequenzmoduliertes Signal ist. Es ist auch sehr nützlich, um sicherzustellen, dass alle Sender oder Empfänger in einem System so eingestellt sind, dass sie einen standardisierten Modulationsgrad aufweisen, da dies Parameter wie die Empfängerbandbreite, den Kanalabstand und dergleichen beeinflusst.

Um den Modulationsgrad zu definieren, werden Zahlen verwendet, die als Modulationsindex und Abweichungsverhältnis bekannt sind.


FM-Bandbreite

Eines der Schlüsselelemente eines FM-Signals ist seine Bandbreite. Bei jedem frequenzmodulierten Signal erstrecken sich die Seitenbänder nach beiden Seiten. Diese erstrecken sich tatsächlich bis ins Unendliche, aber ihre Intensität nimmt ab. Glücklicherweise ist es möglich, die Bandbreite eines FM-Signals zu begrenzen, ohne dessen Qualität übermäßig zu beeinträchtigen.

Die Frequenzmodulation ist in vielen Bereichen der Funktechnologie weit verbreitet, einschließlich Rundfunk und Zweiwege-Funkkommunikation. In diesen Anwendungen können seine besonderen Vorteile gut genutzt werden.

Während in vielen Bereichen andere Modulationsformen eingesetzt werden, bietet FM immer noch die höchste Rundfunkqualität und viele Vorteile auch für andere Kommunikationsformen.

Schau das Video: Amplitude Modulation vs Frequency Modulation AM vs FM Difference Between AM and FM (November 2020).