Διαμόρφωση συχνότητας

Στη διαμόρφωση συχνότητας FM, το σήμα πληροφορίας μεταβάλλει τη συχνότητα του φορέα, το οποίο είναι ένα υψηλόσυχνο ημιτονοειδές σήμα, ενώ το πλάτος του διατηρείται σταθερό. Καθώς το πλάτος του σήματος πληροφορίας μεταβάλλεται, η συχνότητα του φορέα ολισθαίνει ανάλογα. Έτσι καθώς το πλάτος του διαμορφώνοντος σήματος αυξάνει, η συχνότητα του φορέα θα αυξάνει, ενώ όταν το πλάτος του σήματος μειώνεται, η συχνότητα του φορέα θα μειώνεται. Κατά την διαμορφωση FM, η συχνότητα του φορέα μεταβάλλεται πάνω και κάτω από την κεντρική συχνότητα του αδιαμόρφωτου φορέα. Το ποσό της μεταβολής της συχνότητας του φορέα που παράγεται από το διαμορφώνον είναι γνωστό σαν απόκλιση συχνότητας.

Στο σχήμα φαίνεται ένας φορέας που διαμορφώνεται κατά FM από ένα ημιτονοειδές σήμα. Καθώς το σήμα αυξάνει προς τα θετικά προς το μέγιστο πλάτος, η συχνότητα του φορέα αυξάνει προς μια μέγιστη τιμή, ενώ καθώς το πλάτος του διαμορφώνοντος σήματος ελαττώνεται προς τα αρνητικά προς το μέγιστο αρνητικό πλάτος, η συχνότητα του φορέα ελαττώνεται έως μια ελάχιστη τιμή.

Πλευρικές ζώνες και ο δείκτης διαμόρφωσης.

Οποιαδήποτε επεξεργασία διαμόρφωσης παράγει πλευρικές ζώνες. Στη διαμόρφωση FM παράγονται άνω και κάτω πλευρικές συχνότητες. Επιπλέον, παράγονται ένα θεωρητικά άπειρος αριθμός ζευγών άνω και κάτω πλευρικών ζωνών. Έτσι το φάσμα ενός FM σήματος είναι συνήθως ευρύτερο από ένα ισοδύναμο ΑΜ σήμα. Κατά την επεξεργασία FM τα μεγαλύτερα πλάτη των πλευρικών ζωνών είναι σημαντικά ως προς μεταφορά πληροφορίας. Τυπικά οποιαδήποτε πλευρική της οποίας το πλάτος είναι μικρότερο από το 1% του αδιαμόρφωτου φορέα θεωρείται μη σημαντική.

Στο σχήμα φαίνεται ένα παράδειγμα φάσματος ενός φορέα συχνότητας f_C που διαμορφώνεται κατά FM από ένα ημιτονοειδές σήμα συχνότητας f_m. Παρατηρούμε ότι οι πλευρικές ζώνες απέχουν από το φορέα f_C κατά συχνότητα ακεραίου πολλαπλάσιο της διαμορφώνουσας συχνότητας. Αν όλα  τα ημιτονοειδές σήματα των πλευρικών προστεθούν, τότε θα δημιουργούνταν το σήμα FM που τα παρήγαγε.

Ο αριθμός των σημαντικών πλευρικών και τα πλάτη τους εξαρτάται από το ποσό της απόκλισης της συχνότητας και από την διαμορφώνουσα συχνότητα. Ο λόγος της απόκλισης της συχνότητας f_d προς τη διαμορφώνουσα συχνότητα f_m είναι γνωστός σαν δείκτης διαμόρφωσης m. Δηλαδή m=f_d/f_m

Στα επικοινωνιακά συστήματα που χρησιμοποιούν FM τίθεται μέγιστα όρια και στην απόκλιση συχνότητας και τη διαμορφώνουσα συχνότητα. Για παράδειγμα στις ραδιοφωνικές εκπομπές FM, η μέγιστη επιτρεπόμενη απόκλιση συχνότητας είναι 75ΚΗz, ενώ η μέγιστη επιτρεπόμενη διαμορφώνουσα συχνότητα είναι 15ΚΗz. Επομένως ο δείκτης διαμόρφωσης θα είναι m=75/15=5

Το φάσμα ενός σήματος FM μεταβάλλεται σημαντικά σε εύρος ζώνης ανάλογα με το δείκτη διαμόρφωσης. Το εύρος ζώνης ενός σήματος FM είναι ανάλογο του δείκτη διαμόρφωσης. Όταν θέλουμε περιορισμένο εύρος ζώνης αρκεί να τεθεί ένα ανώτερο όριο στο δείκτη διαμόρφωσης.

Ένας τρόπος υπολογισμού του εύρους ζώνης ενός σήματος FM είναι με τον κανόνα του Carson. Ο κανόνας αυτός παίρνει υπόψη μόνο την ισχύ στις περισσότερο σημαντικές πλευρικές των οποίων τα πλάτη είναι μεγαλύτερα από το 2% του φορέα. Σύμφωνα με το κανόνα Carson, το εύρος ζώνης ενός FM σήματος είναι: BW=2(f_dmax+f_mmax) όπου f_dmax είναι η μέγιστη απόκλιση συχνότητας και f_mmax είναι η μέγιστη διαμορφώνουσα συχνότητα. Για παράδειγμα, έστω ότι η μέγιστη απόκλιση συχνότητας είναι 5ΚΗz και η μέγιστη συχνότητα διαμόρφωσης 2,5KHz. Τότε το εύρος ζώνης θα είναι BW=2(5KHz+2,5KHz)=2(7,5KHz)=15KHz.

Για πρακτικούς λόγους εξοικονόμησης φάσματος και απόδοσης του δέκτη, υπάρχει συνήθως κάποιο όριο στην ανώτερη απόκλιση συχνότητας και στη ανώτερη διαμορφώνουσα συχνότητα. Στις ραδιοεπικοινωνίες FM, η μέγιστη επιτρεπόμενη απόκλιση είναι συνήθως 5ΚΗz, ενώ η ανώτερη διαμορφώνουσα συχνότητα είναι συνήθως μέχρι 2,5ΚΗz που είναι η ανώτερη συχνότητα για εκπομπή φωνής. Αυτό παράγει ένα λόγο απόκλισης d=5/2,5=2.

H FM σε σύγκριση με την ΑΜ

Όταν ένα σήμα πληροφορίας πρόκειται να διαμορφώσει ένα φορέα, τότε η διαμόρφωση κατά FM πλεονεκτεί απέναντι στην ΑΜ. Το κύριο πλεονέκτημα της FM ως προς την ΑΜ είναι η καλή συμπεριφορά της στο θόρυβο. Θόρυβος είναι ακμές τάσης που προστίθενται στο σήμα σαν παρεμβολή και προέρχεται από το περιβάλλον. Επειδή ο θόρυβος είναι διακυμάνσεις πλάτους και το σήμα FM έχει σταθερό πλάτος καθώς εξέρχεται από τον περιοριστή των δέκτη FM, δεν επηρεάζει το σήμα πληροφορίας που περιέχεται στο διαμορφωμένο σήμα FM, αφού αυτό περιέχεται αποκλειστικά μέσα στις μεταβολές συχνότητας του φορέα.

Ένα άλλο κύριο πλεονέκτημα της FM είναι το φαινόμενο σύλληψης στην FM. Όταν δυο ή περισσότερα σήματα εκπέμπονται στην ίδια συχνότητα ο δέκτης θα «συλλάβει» το κανάλι του ισχυρότερου σήματος και θα εξαλείψει το ασθενέστερο παρεμβάλον σήμα. Όταν δυο ΑΜ σήματα καταλαμβάνουν την ίδια συχνότητα θα ακούγονται και τα δυο σήματα και όταν η ισχύς τους είναι περίπου η ίδια, θα παρεμβάλλουν μεταξύ τους με αποτέλεσμα να μην ακούγεται καθαρά κανένα από τα δυο.

Αν και η FM έχει καλύτερη συμπεριφορά στο θόρυβο, ο θόρυβος επηρεάζει ένα σήμα FM στις υψηλόσυχνες πλευρικές συνιστώσες του διαμορφωμένου σήματος, διότι ο θόρυβος σαν οξείες ακίδες ενέργειας περιέχει ένα αριθμό αρμονικών που μπορεί να παραμορφώνει ένα σήμα FM. Στις ραδιοεπικοινωνίες φωνής όπου το εύρος ζώνης του διαμορφώνοντος σήματος περιορίζεται στα 3ΚΗz, ο θόρυβος παρεμβάλει ελάχιστα.

Όταν το διαμορφώνον σήμα είναι μουσική το οποίο έχει εύρος ζώνης έως 15ΚΗz,  ο θόρυβος παρεμβάλει περισσότερο τις υψηλόσυχνες πλευρικές ζώνες που έχουν χαμηλή στάθμη, σε σημείο που μπορεί να τις εξαφανίσει.

 Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα στη ραδιοφωνία FM χρησιμοποιείται η τεχνική της προ-έμφασης από τη μεριά του πομπού. Στο πομπό, το διαμορφώνον σήμα διέρχεται μέσω ενός απλού κυκλώματος R-C σαν ένα υψηλοπερατό φίλτρο, το οποίο ενισχύει τις υψηλόσυχνες συχνότητες περισσότερο από τις χαμηλόσυχνες συνιστώσες. Οι προδιαγραφές υπαγορεύουν μια σταθερά χρόνου 75μs όπου t=RC σαν ένα κύκλωμα αντίστασης και πυκνωτή. Ένα τέτοιο κύκλωμα έχει συχνότητα αποκοπής 2122Ηz στο οποίο συχνότητες μεγαλύτερες από 2122Ηz θα εμπλουτίζονται γραμμικά.

 

Για να επιστρέψει η απόκριση συχνότητας στην κανονική στάθμη πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα κύκλωμα από-έμφασης στο δέκτη. Αυτό αποτελείται από ένα χαμηλοπερατό φίλτρο αντίστασης – πυκνωτή με σταθερά χρόνου 75μs. Αυτό έχει συχνότητα αποκοπής 2122Ηz και προκαλεί εξασθένηση σε σήματα συχνότητας μεγαλύτερης από αυτή. Ο συνδυασμός των κυκλωμάτων προ-έμφασης και από-έμφασης έχει σαν αποτέλεσμα να ενισχύονται οι υψηλές συχνότητες στο στάδιο της εκπομπής με στόχο να μην καλύπτονται από θόρυβο.

Ένα άλλο πλεονέκτημα της FM ως προς την ΑΜ είναι η απόδοση μετάδοσης. Κατά τη διαμόρφωση ΑΜ χαμηλής στάθμης το διαμορφωμένο σήμα ενισχύεται με ενισχυτές τάξης Α που δεν είναι αποδοτικοί. Κατά την διαμόρφωση ΑΜ υψηλής στάθμης ένας τελικός ενισχυτής τάξης C διαμορφώνεται από ένα ενισχυτή διαμόρφωσης μεγάλης ισχύος οι οποίοι δεν είναι πρακτικοί. Επειδή ένα σήμα FM έχει σταθερό πλάτος μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενισχυτές ισχύος τάξης C για την αύξηση του διαμορφωμένου σήματος FM οι οποίοι είναι πολύ αποδοτικοί.