Biết điều chế tần số (FM)

Mục tiêu
* Biết mối quan hệ giữa tần số sóng mang, tần số điều chế và chỉ số điều chế với hiệu suất và băng thông
* So sánh các hệ thống FM với các hệ thống AM liên quan đến hiệu quả, băng thông và tiếng ồn.

Hệ thống cơ bản
Hệ thống thông tin liên lạc cơ bản có:
#Hệ thống điều khiển: Hệ thống phụ nhận tín hiệu thông tin và xử lý nó trước khi truyền. Máy phát điều chỉnh thông tin lên tín hiệu sóng mang, khuếch đại tín hiệu và phát trên kênh
#Kênh: Phương tiện vận chuyển tín hiệu điều chế đến máy thu. Air đóng vai trò là kênh phát sóng như radio. Cũng có thể là một hệ thống dây như truyền hình cáp hoặc Internet.
#Người nhận: Hệ thống phụ nhận tín hiệu truyền từ kênh và xử lý nó để lấy tín hiệu thông tin. Người nhận phải có khả năng phân biệt tín hiệu từ các tín hiệu khác có thể sử dụng cùng một kênh (được gọi là điều chỉnh), khuếch đại tín hiệu để xử lý và giải điều chế (loại bỏ sóng mang) để lấy thông tin. Sau đó, nó cũng xử lý thông tin để tiếp nhận (ví dụ: phát trên loa).

điều chế
Tín hiệu thông tin hiếm khi có thể được truyền đi, nó phải được xử lý. Để sử dụng truyền điện từ, trước tiên nó phải được chuyển đổi từ âm thanh thành tín hiệu điện. Việc chuyển đổi được thực hiện bởi một bộ chuyển đổi. Sau khi chuyển đổi, nó được sử dụng để điều chỉnh tín hiệu sóng mang.

Tín hiệu sóng mang được sử dụng vì hai lý do:
* Để giảm bước sóng để truyền và thu hiệu quả (kích thước ăng ten tối ưu là ½ hoặc của bước sóng). Tần số âm thanh điển hình 3000 Hz sẽ có bước sóng 100 km và cần độ dài ăng ten hiệu quả là 25 km! Để so sánh, một sóng mang thông thường cho FM là 100 MHz, với bước sóng 3 m và có thể sử dụng ăng ten chỉ dài 80 cm.

* Để cho phép sử dụng đồng thời cùng một kênh, được gọi là ghép kênh. Mỗi tín hiệu duy nhất có thể được chỉ định một tần số sóng mang khác nhau (như các đài phát thanh) và vẫn chia sẻ cùng một kênh. Công ty điện thoại thực sự đã phát minh ra điều chế để cho phép các cuộc trò chuyện điện thoại được truyền qua các đường truyền chung.
Quá trình điều chế có nghĩa là sử dụng một cách có hệ thống tín hiệu thông tin (những gì bạn muốn truyền) để thay đổi một số tham số của tín hiệu sóng mang. Tín hiệu sóng mang thường chỉ là một hình sin đơn tần, đơn tần (thay đổi theo thời gian như sóng hình sin).

Sóng hình sin cơ bản giống như V (t) = Vo sin (2 pft + f) trong đó các tham số được xác định bên dưới:

#V (t) điện áp của tín hiệu là hàm của thời gian.
#Vo biên độ của tín hiệu (biểu thị giá trị tối đa đạt được trong mỗi chu kỳ)
#f tần số dao động, số chu kỳ mỗi giây (còn được gọi là Hertz = 1 chu kỳ mỗi giây)
#f pha của tín hiệu, biểu thị điểm bắt đầu của chu kỳ.

Để điều chỉnh tín hiệu chỉ có nghĩa là thay đổi một cách có hệ thống một trong ba tham số của tín hiệu: biên độ, tần số hoặc pha. Do đó, loại điều chế có thể được phân loại thành một trong hai

AM: điều chế biên độ

FM: điều chế tần số hoặc

PM: điều chế pha

Lưu ý: PM có thể là một thuật ngữ xa lạ nhưng thường được sử dụng. Các đặc tính của PM rất giống với FM và vì vậy các thuật ngữ thường được sử dụng thay thế cho nhau.

FM
Điều chế tần số sử dụng tín hiệu thông tin, Vm (t) để thay đổi tần số sóng mang trong phạm vi nhỏ về giá trị ban đầu của nó. Dưới đây là ba tín hiệu ở dạng toán học:

Thông tin: Vm (t)
* Người vận chuyển: Vc (t) = Vco sin (2 p fc t + f)
* FM: VFM (t) = Vco sin (2 p [fc + (Df / Vmo) Vm (t)] t + f)

Chúng tôi đã thay thế thuật ngữ tần số sóng mang, với tần số thay đổi theo thời gian. Chúng tôi cũng đã giới thiệu một thuật ngữ mới: Df, độ lệch tần số cực đại. Ở dạng này, bạn sẽ có thể thấy rằng thuật ngữ tần số sóng mang: fc + (Df / Vmo) Vm (t) bây giờ khác nhau giữa các cực trị của fc - Df và fc + Df. Việc giải thích Df trở nên rõ ràng: đó là khoảng cách xa nhất so với tần số ban đầu mà tín hiệu FM có thể có. Đôi khi nó được gọi là "swing" trong tần số.

Chúng ta cũng có thể định nghĩa một chỉ số điều chế cho FM, tương tự như AM:
* b = Df / fm, trong đó fm là tần số điều chế tối đa được sử dụng.
* Giải thích đơn giản nhất về chỉ số điều chế, b, là thước đo độ lệch tần số cực đại, Df. Nói cách khác, b đại diện cho một cách để biểu thị tần số độ lệch cực đại là bội số của tần số điều chế tối đa, fm, tức là Df = b fm.

Ví dụ: giả sử trong đài FM rằng tín hiệu âm thanh được truyền trong khoảng từ 20 đến 15,000 Hz (nó có). Nếu hệ thống FM sử dụng chỉ số điều chế tối đa, b, là 5.0, thì tần số sẽ "dao động" tối đa 5 x 15 kHz = 75 kHz trên và dưới tần số sóng mang.

Đây là một tín hiệu FM đơn giản:

Ở đây, sóng mang ở mức 30 Hz và tần số điều chế là 5 Hz. Chỉ số điều chế là khoảng 3, làm cho độ lệch tần số cực đại khoảng 15 Hz. Điều đó có nghĩa là tần số sẽ thay đổi ở đâu đó trong khoảng từ 15 đến 45 Hz. Làm thế nào nhanh chóng chu kỳ được hoàn thành là một chức năng của tần số điều chế.

Phổ FM
Phổ đại diện cho số lượng tương đối của các thành phần tần số khác nhau trong bất kỳ tín hiệu nào. Nó giống như màn hình hiển thị trên bộ cân bằng đồ họa trong âm thanh nổi của bạn, có đèn led hiển thị số lượng tương đối của âm trầm, âm trung và âm bổng. Chúng tương ứng trực tiếp với tần số tăng (treble là thành phần tần số cao). Đó là một thực tế nổi tiếng của toán học, rằng bất kỳ chức năng (tín hiệu) nào cũng có thể bị phân hủy thành các thành phần hình sin hoàn toàn (với một vài ngoại lệ bệnh lý). 

Về mặt kỹ thuật, các sin và cosin tạo thành một tập hợp các hàm hoàn chỉnh, còn được gọi là cơ sở trong không gian vectơ vô hạn của các hàm có giá trị thực (phản xạ gag). Cho rằng bất kỳ tín hiệu nào có thể được coi là được tạo thành từ các tín hiệu hình sin, sau đó phổ đại diện cho "thẻ công thức" về cách tạo tín hiệu từ các hình sin. Giống như: 1 phần 50 Hz và 2 phần 200 Hz. Các sin sin tinh khiết có phổ đơn giản nhất trong tất cả, chỉ một thành phần:

Trong ví dụ này, sóng mang có 8 Hz và do đó, phổ có một thành phần duy nhất có giá trị 1.0 tại 8 Hz

Phổ FM phức tạp hơn đáng kể. Phổ của tín hiệu FM đơn giản trông như sau:





Sóng mang bây giờ là 65 Hz, tín hiệu điều chế là âm 5 Hz thuần túy và chỉ số điều chế là 2. Những gì chúng ta thấy là nhiều dải bên (tần số khác với tần số sóng mang) được phân tách bằng tần số điều chế, 5 Hz. Có khoảng 3 dải bên ở hai bên của tàu sân bay. Hình dạng của phổ có thể được giải thích bằng cách sử dụng một đối số heterodyne đơn giản: khi bạn trộn ba tần số (fc, fm và Df) với nhau, bạn sẽ có được tần số tổng và tần số khác nhau. Sự kết hợp lớn nhất là fc + fm + Df và nhỏ nhất là fc - fm - Df. Vì Df = b fm, tần số thay đổi (b + 1) fm trên và dưới sóng mang.


Một ví dụ thực tế hơn là sử dụng phổ âm thanh để cung cấp điều chế:





Trong ví dụ này, tín hiệu thông tin thay đổi trong khoảng từ 1 đến 11 Hz. Sóng mang ở mức 65 Hz và chỉ số điều chế là 2. Các dải tần bên riêng lẻ được thay thế bằng phổ liên tục nhiều hơn hoặc ít hơn. Tuy nhiên, phạm vi của các dải bên bị giới hạn (xấp xỉ) đến (b + 1) fm ở trên và dưới. Ở đây, đó sẽ là 33 Hz trên và dưới, làm cho băng thông khoảng 66 Hz. Chúng tôi thấy các dải bên mở rộng từ 35 đến 90 Hz, do đó băng thông quan sát được là 65 Hz.

Bạn có thể đã tự hỏi tại sao chúng ta bỏ qua các bướu mịn ở đầu cực của quang phổ. Sự thật là trên thực tế chúng là sản phẩm phụ của điều chế tần số (không có nhiễu ngẫu nhiên trong ví dụ này). Tuy nhiên, chúng có thể bị bỏ qua một cách an toàn vì chúng chỉ có một phần nhỏ trong tổng công suất. Trong thực tế, tiếng ồn ngẫu nhiên sẽ che khuất chúng bằng mọi cách.

Ví dụ: Đài FM
Đài FM sử dụng điều chế tần số, tất nhiên. Dải tần cho đài FM là khoảng 88 đến 108 MHz. Tín hiệu thông tin là âm nhạc và giọng nói nằm trong phổ âm thanh. Dải phổ âm thanh đầy đủ hình thành từ 20 đến 20,000 Hz, nhưng đài FM giới hạn tần số điều chế trên ở mức 15 kHz (xem đài AM giới hạn tần số trên đến 5 kHz). Mặc dù, một số tín hiệu có thể bị mất trên 15 kHz, nhưng hầu hết mọi người không thể nghe thấy tín hiệu này, do đó, có rất ít mất độ trung thực. Đài FM có thể được gọi một cách thích hợp là "độ trung thực cao".

Nếu các máy phát FM sử dụng chỉ số điều chế tối đa khoảng 5.0, thì băng thông thu được là 180 kHz (khoảng 0.2 MHz). FCC chỉ định các trạm) cách nhau 0.2 MHz để ngăn các tín hiệu chồng chéo (trùng khớp? Tôi nghĩ là không!). Nếu bạn lấp đầy băng tần FM bằng các đài, bạn có thể nhận được 108 - 88 / .2 = 100 đài, tương đương với số đài AM (107). Điều này nghe có vẻ thuyết phục, nhưng thực sự phức tạp hơn (agh!).

Đài FM được phát trong âm thanh nổi, có nghĩa là hai kênh thông tin. Trong thực tế, chúng tạo ra ba tín hiệu trước khi áp dụng điều chế:

* tín hiệu L + R (trái + phải) trong phạm vi từ 50 đến 15,000 Hz.
* một tàu sân bay 19 kHz.

* tín hiệu LR tập trung vào sóng mang phi công 38 kHz (bị triệt tiêu) nằm trong khoảng từ 23 đến 53 kHz.

Vì vậy, tín hiệu thông tin thực sự có tần số điều chế tối đa là 53 kHz, yêu cầu giảm chỉ số điều chế xuống khoảng 1.0 để giữ cho tổng băng thông tín hiệu khoảng 200 kHz.

Hiệu suất FM
Băng thông
Như chúng ta đã chỉ ra, băng thông của tín hiệu FM có thể được dự đoán bằng cách sử dụng:

* BW = 2 (b + 1) fm

Trong đó b là chỉ số điều chế và fm là tần số điều chế tối đa được sử dụng.

Đài FM có băng thông lớn hơn đáng kể so với đài AM, nhưng băng tần FM cũng lớn hơn. Sự kết hợp giữ cho số lượng các kênh có sẵn như nhau.

Băng thông của tín hiệu FM có sự phụ thuộc phức tạp hơn trong trường hợp AM (nhớ lại, băng thông của tín hiệu AM chỉ phụ thuộc vào tần số điều chế tối đa). Trong FM, cả chỉ số điều chế và tần số điều chế đều ảnh hưởng đến băng thông. Khi thông tin được thực hiện mạnh hơn, băng thông cũng phát triển.

Hiệu quả
Hiệu quả của tín hiệu là công suất trong các dải bên như là một phần của tổng số. Trong các tín hiệu FM, do các dải bên đáng kể được tạo ra, hiệu quả nhìn chung là cao. Hãy nhớ lại rằng AM thông thường được giới hạn ở hiệu suất khoảng 33% để ngăn ngừa sự biến dạng trong máy thu khi chỉ số điều chế lớn hơn 1. FM không có vấn đề tương tự.

Cấu trúc dải bên khá phức tạp, nhưng có thể nói rằng hiệu quả nói chung được cải thiện bằng cách làm cho chỉ số điều chế lớn hơn (như nó phải vậy). Nhưng nếu bạn làm cho chỉ số điều chế lớn hơn, thì hãy làm cho băng thông lớn hơn (không giống như AM) có nhược điểm của nó. Là điển hình trong kỹ thuật, một sự thỏa hiệp giữa hiệu quả và hiệu suất được thực hiện. Chỉ số điều chế thường được giới hạn ở giá trị từ 1 đến 5, tùy thuộc vào ứng dụng.

Tiếng ồn
Các hệ thống FM tốt hơn nhiều trong việc loại bỏ tiếng ồn so với các hệ thống AM. Nhiễu nói chung được trải đều trên phổ (cái gọi là nhiễu trắng, nghĩa là phổ rộng). Biên độ của nhiễu thay đổi ngẫu nhiên ở các tần số này. Sự thay đổi biên độ thực sự có thể điều chỉnh tín hiệu và được chọn trong hệ thống AM. Do đó, các hệ thống AM rất nhạy cảm với nhiễu ngẫu nhiên. Một ví dụ có thể là tiếng ồn hệ thống đánh lửa trong xe của bạn. Các bộ lọc đặc biệt cần được cài đặt để tránh nhiễu sóng ra khỏi đài phát thanh xe hơi của bạn.

Hệ thống FM vốn đã miễn dịch với tiếng ồn ngẫu nhiên. Để nhiễu gây nhiễu, nó sẽ phải điều chỉnh tần số bằng cách nào đó. Nhưng tiếng ồn được phân phối đồng đều theo tần số và thay đổi chủ yếu ở biên độ. Kết quả là, hầu như không có nhiễu thu được trong máy thu FM. FM đôi khi được gọi là "tĩnh miễn phí", đề cập đến khả năng miễn dịch vượt trội của nó đối với tiếng ồn ngẫu nhiên.

Tổng kết
Trong các tín hiệu FM, hiệu quả và băng thông đều phụ thuộc vào cả tần số điều chế tối đa và chỉ số điều chế.
So với AM, tín hiệu FM có hiệu suất cao hơn, băng thông lớn hơn và khả năng chống nhiễu tốt hơn.

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn