การปรับความถี่ความรู้ (FM)

วัตถุประสงค์
* ทราบความสัมพันธ์ของความถี่พาหะความถี่มอดูเลตและดัชนีการมอดูเลตต่อประสิทธิภาพและแบนด์วิดท์
* เปรียบเทียบระบบ FM กับระบบ AM โดยคำนึงถึงประสิทธิภาพแบนด์วิดธ์และเสียงรบกวน

ระบบพื้นฐาน
ระบบการสื่อสารขั้นพื้นฐานมี:
# เครื่องส่ง: ระบบย่อยที่รับสัญญาณข้อมูลและประมวลผลก่อนส่งสัญญาณ เครื่องส่งสัญญาณปรับเปลี่ยนข้อมูลไปยังสัญญาณผู้ให้บริการขยายสัญญาณและออกอากาศผ่านช่องทาง
# ช่อง: สื่อที่ส่งสัญญาณมอดูเลตไปยังผู้รับ Air ทำหน้าที่เป็นช่องทางสำหรับการออกอากาศเช่นวิทยุ อาจเป็นระบบสายไฟเช่นเคเบิลทีวีหรืออินเทอร์เน็ต
# ผู้รับ: ระบบย่อยที่รับสัญญาณที่ส่งจากช่องสัญญาณและประมวลผลเพื่อเรียกสัญญาณข้อมูล ผู้รับจะต้องสามารถแยกแยะสัญญาณจากสัญญาณอื่น ๆ ซึ่งอาจใช้ช่องสัญญาณเดียวกัน (เรียกว่าจูน) ขยายสัญญาณสำหรับการประมวลผลและ demodulate (ลบผู้ให้บริการ) เพื่อดึงข้อมูล จากนั้นจะประมวลผลข้อมูลสำหรับการรับสัญญาณ (เช่นออกอากาศทางลำโพง)

การปรับ
สัญญาณข้อมูลไม่สามารถส่งได้เหมือนเดิมมันจะต้องถูกประมวลผล เพื่อที่จะใช้การส่งสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้านั้นจะต้องถูกแปลงจากเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้าก่อน การแปลงสามารถทำได้โดยตัวแปลงสัญญาณ หลังจากการแปลงจะใช้เพื่อปรับสัญญาณผู้ให้บริการ

สัญญาณผู้ให้บริการใช้สองเหตุผล:
* เพื่อลดความยาวคลื่นสำหรับการส่งและรับที่มีประสิทธิภาพ (ขนาดเสาอากาศที่เหมาะสมคือ½หรือ¼ของความยาวคลื่น) ความถี่เสียงทั่วไปที่ 3000 เฮิร์ตซ์จะมีความยาวคลื่น 100 กม. และจะต้องมีความยาวเสาอากาศที่มีประสิทธิภาพ 25 กม.! จากการเปรียบเทียบผู้ให้บริการทั่วไปสำหรับ FM คือ 100 MHz ที่มีความยาวคลื่น 3 m และสามารถใช้เสาอากาศยาวเพียง 80 ซม.

* หากต้องการอนุญาตให้ใช้ช่องสัญญาณเดียวกันพร้อมกันเรียกว่ามัลติเพล็กซ์ แต่ละสัญญาณที่ไม่ซ้ำกันสามารถกำหนดความถี่ผู้ให้บริการที่แตกต่างกัน (เช่นสถานีวิทยุ) และยังคงแบ่งปันช่องทางเดียวกัน บริษัท โทรศัพท์ได้คิดค้นการมอดูเลตเพื่อให้การสนทนาทางโทรศัพท์สามารถส่งผ่านสายทั่วไปได้
กระบวนการของการมอดูเลตหมายถึงการใช้สัญญาณข้อมูล (สิ่งที่คุณต้องการส่ง) อย่างเป็นระบบเพื่อเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์บางอย่างของสัญญาณพาหะ สัญญาณพาหะมักจะเป็นเพียงไซน์ไซด์ความถี่เดียวที่ง่าย (แปรผันตามเวลาเช่นคลื่นไซน์)

คลื่นไซน์พื้นฐานจะเหมือนกับ V (t) = Vo sin (2 pft + f) โดยที่พารามิเตอร์ถูกกำหนดไว้ด้านล่าง:

#V (t) แรงดันไฟฟ้าของสัญญาณเป็นฟังก์ชันของเวลา
#Vo แอมพลิจูดของสัญญาณ (แสดงถึงค่าสูงสุดที่ทำได้ในแต่ละรอบ)
#f ความถี่ของการแกว่งจำนวนรอบต่อวินาที (หรือเรียกอีกอย่างว่าเฮิรตซ์ = 1 รอบต่อวินาที)
#f เฟสของสัญญาณแสดงถึงจุดเริ่มต้นของวงจร

ในการปรับสัญญาณนั้นหมายถึงการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์หนึ่งในสามของสัญญาณอย่างเป็นระบบ: แอมพลิจูดความถี่หรือเฟส ดังนั้นประเภทของการปรับอาจแบ่งได้เป็นอย่างใดอย่างหนึ่ง

AM: การปรับแอมพลิจูด

FM: การปรับความถี่หรือ

PM: การปรับเฟส

หมายเหตุ: PM อาจเป็นคำที่ไม่คุ้นเคย แต่ใช้กันทั่วไป ลักษณะของ PM นั้นคล้ายกับ FM มากและดังนั้นจึงมักใช้คำศัพท์แทนกัน

FM
การมอดูเลตความถี่ใช้สัญญาณข้อมูล Vm (t) เพื่อเปลี่ยนแปลงความถี่พาหะภายในช่วงเล็ก ๆ เกี่ยวกับค่าดั้งเดิม นี่คือสัญญาณทั้งสามในรูปแบบทางคณิตศาสตร์:

ข้อมูล: Vm (t)
* Carrier: Vc (t) = Vco sin (2 p fc t + f)
* FM: VFM (t) = Vco sin (2 p [fc + (Df / Vmo) Vm (t)] t + f)

เราได้เปลี่ยนคำความถี่ผู้ให้บริการด้วยความถี่ที่แตกต่างกันไป เราได้แนะนำคำใหม่: Df ซึ่งเป็นค่าเบี่ยงเบนความถี่สูงสุด ในรูปแบบนี้คุณควรจะเห็นว่าเงื่อนไขความถี่พาหะ: fc + (Df / Vmo) Vm (t) ตอนนี้แตกต่างกันไประหว่างสุดขั้วของ fc - Df และ fc + Df การตีความของ Df ชัดเจน: มันอยู่ไกลที่สุดจากความถี่ดั้งเดิมที่สัญญาณ FM สามารถทำได้ บางครั้งมันถูกเรียกว่า "การแกว่ง" ในความถี่

นอกจากนี้เรายังสามารถกำหนดดัชนีการปรับสำหรับ FM ซึ่งคล้ายกับ AM:
* b = Df / fm โดยที่ fm คือความถี่มอดูเลตสูงสุดที่ใช้
* การตีความที่ง่ายที่สุดของดัชนีการปรับค่า b คือการวัดค่าเบี่ยงเบนความถี่สูงสุด Df กล่าวอีกนัยหนึ่ง b หมายถึงวิธีที่จะแสดงความถี่เบี่ยงเบนสูงสุดเป็นหลายความถี่ของการปรับสูงสุด fm คือ Df = b fm

ตัวอย่าง: สมมติว่าเป็นวิทยุ FM ที่สัญญาณเสียงที่จะส่งมีช่วงตั้งแต่ 20 ถึง 15,000 Hz (เช่นนั้น) หากระบบ FM ใช้ดัชนีการมอดูเลตสูงสุด b เป็น 5.0 ความถี่จะ "แกว่ง" โดยสูงสุด 5 x 15 kHz = 75 kHz ด้านบนและด้านล่างความถี่พาหะ

นี่คือสัญญาณ FM แบบง่าย:

ผู้ให้บริการอยู่ที่ 30 Hz และความถี่มอดูเลตคือ 5 Hz ดัชนีการมอดูเลตประมาณ 3 ทำให้ส่วนเบี่ยงเบนความถี่สูงสุดประมาณ 15 Hz นั่นหมายความว่าความถี่จะแตกต่างกันระหว่าง 15 และ 45 Hz รอบการทำงานนั้นเร็วเพียงใดคือฟังก์ชั่นของความถี่การมอดูเลต

คลื่นความถี่ FM
สเปกตรัมแสดงจำนวนสัมพัทธ์ของส่วนประกอบความถี่ที่แตกต่างกันในสัญญาณใด ๆ มันเหมือนจอแสดงผลบนอีควอไลเซอร์กราฟิกในสเตอริโอของคุณซึ่งนำไปสู่การแสดงจำนวนสัมพัทธ์ของเสียงเบส, เสียงกลางและเสียงแหลม สิ่งเหล่านี้สอดคล้องกับความถี่ที่เพิ่มขึ้นโดยตรง (เสียงแหลมเป็นส่วนประกอบความถี่สูง) มันเป็นข้อเท็จจริงที่รู้กันดีในวิชาคณิตศาสตร์ว่าฟังก์ชั่นใด ๆ (สัญญาณ) สามารถแยกย่อยเป็นส่วนประกอบของไซน์ไซน์ล้วนๆ (ยกเว้นทางพยาธิวิทยาบางข้อ) 

ในแง่ทางเทคนิคไซน์และโคไซน์เป็นชุดฟังก์ชันที่สมบูรณ์ซึ่งเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นพื้นฐานในปริภูมิเวกเตอร์ไม่มีที่สิ้นสุดมิติของฟังก์ชั่นมูลค่าที่แท้จริง (ปิดปากสะท้อน) เมื่อพิจารณาว่าสัญญาณใด ๆ ที่สามารถสร้างขึ้นจากสัญญาณไซน์นั้นสเปกตรัมก็จะแสดงถึง "การ์ดสูตร" ของวิธีการทำสัญญาณจากไซนัส ไลค์: 1 ส่วน 50 เฮิร์ตและ 2 ส่วน 200 เฮิร์ต ไซนัสด์บริสุทธิ์มีสเปกตรัมที่ง่ายที่สุดของทั้งหมดเพียงองค์ประกอบเดียว:

ในตัวอย่างนี้ผู้ให้บริการมี 8 Hz ดังนั้นสเปกตรัมจึงมีองค์ประกอบเดียวที่มีค่า 1.0 ที่ 8 Hz

คลื่นความถี่วิทยุ FM นั้นซับซ้อนกว่ามาก สเปกตรัมของสัญญาณ FM แบบง่าย ๆ มีลักษณะดังนี้:





พาหะปัจจุบันคือ 65 Hz, สัญญาณมอดูเลตคือเสียงบริสุทธิ์ 5 Hz, และดัชนีการมอดูเลตคือ 2 สิ่งที่เราเห็นคือแถบด้านข้างหลายอัน มีแถบด้านข้างประมาณ 5 แถบที่ด้านใดด้านหนึ่งของตัวพา รูปร่างของคลื่นความถี่อาจอธิบายได้โดยใช้อาร์กิวเมนต์เฮเทอโรไดน์แบบง่าย: เมื่อคุณผสมสามความถี่ (fc, fm และ Df) เข้าด้วยกันคุณจะได้รับผลรวมและความถี่ต่างกัน ชุดค่าผสมที่ใหญ่ที่สุดคือ fc + fm + Df และชุดค่าผสมที่เล็กที่สุดคือ fc - fm - Df เนื่องจาก Df = b fm ความถี่จะแตกต่างกันไป (b + 3) fm ด้านบนและด้านล่างของพาหะ


ตัวอย่างที่เหมือนจริงมากขึ้นคือการใช้คลื่นเสียงเพื่อให้การปรับ:





ในตัวอย่างนี้สัญญาณข้อมูลจะแตกต่างกันระหว่าง 1 และ 11 Hz ผู้ให้บริการอยู่ที่ 65 Hz และดัชนีการมอดูเลตคือ 2 เดือยแถบด้านข้างแต่ละอันจะถูกแทนที่ด้วยสเปกตรัมต่อเนื่องที่มากหรือน้อย อย่างไรก็ตามขอบเขตของแถบด้านข้างนั้นถูก จำกัด (โดยประมาณ) ถึง (b + 1) fm ด้านบนและด้านล่าง ที่นี่จะเป็น 33 Hz เหนือและใต้ทำให้แบนด์วิดท์ประมาณ 66 Hz เราเห็นแถบด้านข้างขยายจาก 35 เป็น 90 Hz ดังนั้นแบนด์วิดท์ที่สังเกตได้คือ 65 Hz

คุณอาจสงสัยว่าทำไมเราถึงเพิกเฉย humps เรียบที่ปลายสุดของสเปกตรัม ความจริงก็คือพวกเขาเป็นผลพลอยได้จากการปรับความถี่ (ไม่มีเสียงรบกวนแบบสุ่มในตัวอย่างนี้) อย่างไรก็ตามอาจถูกเพิกเฉยได้อย่างปลอดภัยเนื่องจากมีพลังงานเพียงเศษเสี้ยวนาที ในทางปฏิบัติเสียงแบบสุ่มจะบดบังพวกเขาต่อไป

ตัวอย่าง: วิทยุ FM
แน่นอนว่าวิทยุ FM นั้นใช้การมอดูเลตความถี่ ย่านความถี่ของวิทยุ FM อยู่ที่ประมาณ 88 ถึง 108 MHz สัญญาณข้อมูลเป็นเพลงและเสียงที่อยู่ในคลื่นเสียง ช่วงคลื่นเสียงเต็มรูปแบบอยู่ในช่วง 20 ถึง 20,000 Hz แต่วิทยุ FM จำกัด ความถี่การมอดูเลตบนเป็น 15 kHz (วิทยุ cf. AM ซึ่ง จำกัด ความถี่บนถึง 5 kHz) แม้ว่าสัญญาณบางอย่างอาจหายไปที่ 15 kHz แต่คนส่วนใหญ่ไม่สามารถได้ยินได้ดังนั้นจึงมีการสูญเสียความเที่ยงตรงเล็กน้อย วิทยุ FM อาจถูกเรียกว่า "ความเที่ยงตรงสูง" อย่างเหมาะสม

หากเครื่องส่งสัญญาณ FM ใช้ดัชนีการมอดูเลตสูงสุดประมาณ 5.0 ดังนั้นแบนด์วิดท์ที่ได้คือ 180 kHz (ประมาณ 0.2 MHz) FCC กำหนดสถานีต่าง ๆ 0.2 MHz เพื่อป้องกันสัญญาณซ้อนทับกัน (บังเอิญฉันไม่คิด!) หากคุณเติมคลื่นวิทยุที่มีสถานีคุณสามารถรับ 108 - 88 / .2 = 100 สถานีได้ด้วยหมายเลขเดียวกับวิทยุ AM (107) ฟังดูน่าเชื่อถือ แต่จริงๆแล้วมันซับซ้อนกว่า (อ๊ะ!)

วิทยุ FM ออกอากาศในระบบสเตอริโอหมายถึงข้อมูลสองช่อง ในทางปฏิบัติพวกเขาสร้างสัญญาณที่สามก่อนที่จะใช้การปรับ:

* สัญญาณ L + R (ซ้าย + ขวา) ในช่วง 50 ถึง 15,000 Hz
* ผู้ให้บริการนำร่อง 19 kHz

* สัญญาณ LR มีศูนย์กลางที่ผู้ให้บริการนำร่อง 38 kHz (ซึ่งถูกระงับ) ซึ่งมีช่วงตั้งแต่ 23 ถึง 53 kHz

ดังนั้นสัญญาณข้อมูลจึงมีความถี่มอดูเลตสูงสุดที่ 53 kHz ซึ่งจำเป็นต้องลดลงในดัชนีการมอดูเลตประมาณ 1.0 เพื่อให้แบนด์วิดท์ของสัญญาณรวมประมาณ 200 kHz

ประสิทธิภาพ FM
แบนด์วิดธ์
ดังที่เราได้แสดงไว้แล้วแบนด์วิดท์ของสัญญาณ FM อาจถูกทำนายโดยใช้:

* BW = 2 (b + 1) fm

โดยที่ b คือดัชนีมอดูเลตและ fm คือความถี่มอดูเลตสูงสุดที่ใช้

วิทยุ FM มีแบนด์วิดท์ที่ใหญ่กว่า AM อย่างมาก แต่ย่านวิทยุ FM ก็ใหญ่กว่าด้วย การรวมกันช่วยให้จำนวนช่องที่มีอยู่เท่ากัน

แบนด์วิดท์ของสัญญาณ FM มีการพึ่งพาที่ซับซ้อนกว่าในกรณี AM (การเรียกคืนแบนด์วิดท์ของสัญญาณ AM ขึ้นอยู่กับความถี่มอดูเลตสูงสุดเท่านั้น) ใน FM ทั้งดัชนีการมอดูเลตและความถี่การมอดูเลตจะมีผลต่อแบนด์วิดท์ เมื่อข้อมูลมีความแรงขึ้นแบนด์วิดท์ก็จะเพิ่มขึ้น

อย่างมีประสิทธิภาพ
ประสิทธิภาพของสัญญาณคือพลังงานในแถบด้านข้างเป็นสัดส่วนของทั้งหมด ในสัญญาณเอฟเอ็มเนื่องจากมีการผลิตแถบความถี่สูงจึงมีประสิทธิภาพสูงโดยทั่วไป โปรดจำไว้ว่า AM แบบดั้งเดิมนั้น จำกัด อยู่ที่ประสิทธิภาพประมาณ 33% เพื่อป้องกันการบิดเบือนในตัวรับเมื่อดัชนีการมอดูเลตมากกว่า 1 FM ไม่มีปัญหาแบบอะนาล็อก

โครงสร้างของแถบด้านข้างค่อนข้างซับซ้อน แต่ก็ปลอดภัยที่จะกล่าวว่าประสิทธิภาพโดยทั่วไปดีขึ้นโดยทำให้ดัชนีการมอดูเลตมีขนาดใหญ่ขึ้น (ตามที่ควรจะเป็น) แต่ถ้าคุณทำดัชนีการมอดูเลตให้ใหญ่ขึ้นทำให้แบนด์วิธใหญ่ขึ้น (ไม่เหมือนกับ AM) ซึ่งมีข้อเสีย ตามปกติในงานวิศวกรรมความประนีประนอมระหว่างประสิทธิภาพและประสิทธิภาพนั้นเกิดขึ้น โดยทั่วไปดัชนีการมอดูเลตจะถูก จำกัด ที่ค่าระหว่าง 1 ถึง 5 ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน

สัญญาณรบกวน
ระบบ FM นั้นดีกว่าในการลดเสียงรบกวนมากกว่าระบบ AM โดยทั่วไปเสียงรบกวนจะกระจายไปทั่วสเปกตรัมอย่างสม่ำเสมอ (ที่เรียกว่าเสียงสีขาวซึ่งหมายถึงคลื่นกว้าง) ความกว้างของเสียงแตกต่างกันไปตามความถี่เหล่านี้ การเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดสามารถปรับเปลี่ยนสัญญาณได้จริงและรับในระบบ AM เป็นผลให้ระบบ AM มีความไวต่อสัญญาณรบกวนแบบสุ่มมาก ตัวอย่างเช่นเสียงของระบบจุดระเบิดในรถของคุณ ต้องติดตั้งตัวกรองพิเศษเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนจากวิทยุในรถของคุณ

ระบบ FM มีภูมิคุ้มกันต่อเสียงรบกวนแบบสุ่ม เพื่อให้เสียงรบกวนนั้นจะต้องมีการปรับความถี่อย่างใด แต่เสียงจะถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอในความถี่ เป็นผลให้ไม่มีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้นในเครื่องรับ FM FM บางครั้งเรียกว่า "static free" หมายถึงภูมิต้านทานที่เหนือกว่าของสัญญาณรบกวนแบบสุ่ม

สรุป
ในสัญญาณ FM ประสิทธิภาพและแบนด์วิดท์ทั้งขึ้นอยู่กับความถี่มอดูเลตสูงสุดและดัชนีการมอดูเลต
เมื่อเทียบกับ AM สัญญาณ FM จะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นแบนด์วิดท์ที่ใหญ่ขึ้นและภูมิคุ้มกันที่ดีขึ้นต่อเสียงรบกวน

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ