주파수 변조

Frequency modulation
Animation of audio, AM and FM signals
신호는 AM 또는 FM 전파에 의해 반송될 수 있습니다.
1940년 제너럴 일렉트릭의 뉴욕 홍보 시연에서 알 수 있듯이 FM은 AM보다 노이즈(RFI) 제거 성능이 우수합니다.라디오에는 AM 리시버와 FM 리시버가 모두 탑재되어 있습니다.AM 수신기는 100만 볼트의 전기 아크를 간섭의 원천으로 하는 반면, FM 수신기는 뉴저지에 있는 암스트롱의 실험 FM 송신기 W2XMN의 음악 프로그램을 선명하게 재생했다.

주파수 변조(FM)는 반송파순간 주파수를 변화시킴으로써 반송파정보를 부호화하는 것입니다.이 기술은 통신, 라디오 방송, 신호 처리, 컴퓨팅에 사용된다.

음성 또는 음악을 나타내는 오디오 신호의 라디오 방송 등의 아날로그 주파수 변조에서 순간 주파수 편차, 즉 반송파의 주파수와 그 중심 주파수와의 차이는 변조 신호 진폭에 함수 관계가 있다.

디지털 데이터는 주파수 시프트 키잉(FSK)으로 알려진 주파수 변조 유형을 사용하여 부호화 및 전송할 수 있으며, 이 주파수에서는 반송파의 순간 주파수가 일련의 주파수 사이에서 시프트됩니다.주파수는 '0' 및 '1'과 같은 숫자를 나타낼 수 있습니다.FSK는 팩스모뎀, 전화 발신자 ID 시스템, 차고 문열기 및 기타 저주파 [1]전송과 같은 컴퓨터 모뎀에서 널리 사용됩니다.Radio Tele type도 [2]FSK를 사용합니다.

주파수 변조는 FM 라디오 방송에 널리 사용됩니다.또한 원격 측정, 레이더, 지진 탐사 및 EEG,[3] 양방향 라디오 시스템, 음향 합성, 자기 테이프 녹화 시스템 및 일부 비디오 전송 시스템을 통한 신생아 발작 모니터링에도 사용됩니다.무선전송에서는 주파수변조의 장점은 신호잡음비가 크기 때문에 등가전력진폭변조(AM) 신호보다 무선주파수 간섭을 배제하는 것입니다.이러한 이유로, 대부분의 음악은 FM 라디오를 통해 방송된다.

단, 충분히 심각한 멀티패스 조건에서는 AM보다 훨씬 성능이 떨어집니다.또, 음량이 낮고 톤이 복잡하지 않은 뚜렷한 [citation needed]고주파 노이즈 아티팩트가 있습니다.충분한 음량과 캐리어 편차가 있으면 멀티패스나 AM [citation needed]신호가 없으면 존재하지 않는 오디오 왜곡이 발생하기 시작합니다.

주파수 변조와 위상 변조는 각도 변조의 두 가지 상호 보완적인 주요 방법입니다. 위상 변조는 주파수 변조를 달성하기 위한 중간 단계로 종종 사용됩니다.이러한 방법은 주파수와 위상은 일정하게 유지하면서 반송파의 진폭이 변화하는 진폭 변조와 대조됩니다.

이론.

전송할 정보(즉, 베이스밴드 신호)가x ( t displaystyle 이고 사인파 가 xc () c cos ( c )=인 경우 여기c f는 반송파의 기본 주파수이고c A는 반송파의 진폭입니다. 변조기는 반송파를 베이스밴드 데이터 신호와 결합하여 전송된 [citation needed]신호를 가져옵니다.

서 f A \ } = {\ 주파수 변조기의 감도이며 {\m}는 변조 신호 또는 베이스밴드 신호의 진폭입니다.

이 방정식에서 f ) { f 발진기의 순간 주파수이고 주파수 편차로, x(t)가 ±1 범위로 제한된다고 가정mf에서c 한 방향으로 떨어진 최대 편차를 나타냅니다.

신호의 에너지 대부분은 f ± fΔ c 포함되지만, FM 신호를 정확하게 표현하려면 더 넓은 범위의 주파수가 필요하다는 것을 푸리에 분석을 통해 확인할 수 있습니다.실제 FM 신호의 주파수 스펙트럼은 진폭은 감소하고 고차 구성요소는 실제 설계 [4]문제에서 종종 무시되지만 무한히 확장되는 구성요소를 가집니다.

사인파 베이스밴드 신호

수학적으로 주파수 f를 갖는 사인파m 연속파 신호에 의해 베이스밴드 변조 신호를 근사해도 된다.이 방식은 싱글톤 변조라고도 불립니다.이러한 신호의 적분은 다음과 같습니다.

이 경우에, y(t)때문에 그 표현 간단하게:.

는 어디에 크기는 조절 유동의 m{\displaystyle A_{m}\,}은 첨두 편차 fΔ에)m{\displaystyle f_{\Delta}=K_{f}의 K표시됩니다.A_{m}}(주파수 편차를 보).

sine웨이브가 캐리어 등은 정현파 신호에 의해 변조의 조화 분포 베셀 함수, 이 주파수 변조의 주파수 영역에서 수학적 이해를 위한 근거를 제공하는 표시할 수 있다.

변조 지수

다른 변조 시스템의 경우와 마찬가지로 변조 지수는 조절되지 않은. 수준에서 얼마나 많은 변조된 변수 따라에 의해 나타냅니다.그것은 반송 주파수의 변화:서술하고 있다.

가 vaired 하신호 xm(t)은 어디 fm{\displaystyle f_{m}\,}가장 높은 주파수 성분 선물, 그리고 Δ f{\displaystyle \Delta{}f\,}는 피크 frequency-deviation—i.e. 순간 주파수의 반송 주파수에서 최대 편차.사인파 변조의 경우, 변조 지수는 반송파의 최고 주파수 편차가 vaired 하사인파를 주파수의 비율 보인다.

1 h 1이면협대역 FM(NFM)이라고 불리며 대역폭은 2 입니다.h < \ h < ) 。 NFM으로 간주되며, 그렇지 않으면 광대역 FM(WFM 또는 FM)으로 간주됩니다.

디지털 변조 시스템의 경우, 예를 들어 이진 신호가 반송파를 변조하는 BFSK(Binary Frequency Shift Keying)의 경우 변조 지수는 다음과 같이 제공됩니다.

서 T s 기호 이며, s(\{m}= T_(는) 변조 바이너리 파형의 가장 높은 주파수로 관례상 사용되고 있지만, 변조 바이너리 파형의 가장 높은 기본이라고 하는 것이 더 정확합니다.디지털 변조의 경우 전송되지 않습니다.대신 2진수 상태 0 또는 변조 신호의 1에 따라 + {} - {{Delta 의 주파수가 전송됩니다.

가 1 h1)일 변조를 와이드밴드 FM이라고 하며 은 약 입니다.와이드밴드 FM은 더 많은 대역폭을 사용하지만 신호 대 잡음비를 대폭 향상시킬 수 있습니다.를 들어 delstyle의 값을 2배로 하는 등 f f_ 상수에서는 신호 대 잡음비가 [5]8배 향상됩니다.(이를 chirp 확산 스펙트럼과 비교해 보십시오.이 스펙트럼은 매우 넓은 주파수 편차를 사용하여 기존의 더 잘 알려진 확산 스펙트럼 모드에 필적하는 처리 이득을 얻습니다).

톤 변조 FM파를 사용할 경우 변조 주파수를 일정하게 유지하고 변조 지수를 증가시키면 FM 신호의 (비소멸) 대역폭은 증가하지만 스펙트럼 간 간격은 동일하다. 일부 스펙트럼 성분은 다른 성분의 증가에 따라 강도가 감소한다.주파수 편차가 일정하게 유지되고 변조 주파수가 증가하면 스펙트럼 간 간격이 커집니다.

주파수 변조는 반송파 주파수의 변화가 신호 주파수와 거의 같으면 협대역, 반송파 주파수의 변화가 신호 [6]주파수보다 훨씬 큰 경우(변조 지수 > 1) 광대역으로 분류할 수 있습니다.예를 들어, 협대역 FM(NFM)은 패밀리 라디오 서비스와 같은 양방향 무선 시스템에 사용됩니다. 여기서 반송파는 3.5kHz 이하의 대역폭의 음성 신호로 중심 주파수 위아래로 2.5kHz만 벗어날 수 있습니다.광대역 FM은 FM 방송에 사용되며, FM 방송에서는 음악과 음성이 중심 주파수에서 최대 75kHz 편차로 전송되고 최대 20kHz 대역폭과 최대 92kHz의 서브캐리어를 가진 오디오를 전송합니다.

베셀 함수

146.52MHz 반송파의 주파수 스펙트럼 및 워터폴 플롯, 1,000Hz 사인파에 의해 주파수가 변조됩니다.변조 지수가 약 2.4로 조정되었기 때문에 반송파 주파수의 진폭이 작습니다.몇 가지 강력한 사이드밴드가 있습니다.원칙적으로 FM에서는 무한대의 수가 생성되지만 고차 사이드밴드는 무시할 수 있는 정도의 크기입니다.

단일 사인파에 의해 변조된 반송파의 경우, 사이드밴드 번호 및 변조 지수의 함수로서 제1종류의 베셀 함수를 사용하여 결과 주파수 스펙트럼을 계산할 수 있다.반송파 및 사이드밴드 진폭은 FM 신호의 다양한 변조 지수에 대해 설명됩니다.변조 지수의 특정 값에 대해서는 반송파 진폭이 0이 되고 모든 신호 전력은 사이드밴드에 있습니다.[4]

사이드밴드는 캐리어 양쪽에 있기 때문에 카운트를 2배로 한 후 변조 주파수에 곱하여 대역폭을 구합니다.예를 들어 2.2kHz 오디오톤에 의해 변조된3kHz 편차는 1.36의 변조 인덱스를 생성합니다.상대 진폭이 0.01 이상인 사이드 밴드만 제한한다고 가정합니다.그런 다음 차트를 보면 이 변조 지수가 세 개의 사이드 밴드를 생성합니다.이들 3개의 사이드밴드를 2배로 하면 (6 × 2.2 kHz) 또는 13.2 kHz의 필요한 대역폭을 얻을 수 있습니다.

변조
색인
사이드밴드 진폭
운송 회사 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0.00 1.00
0.25 0.98 0.12
0.5 0.94 0.24 0.03
1.0 0.77 0.44 0.11 0.02
1.5 0.51 0.56 0.23 0.06 0.01
2.0 0.22 0.58 0.35 0.13 0.03
2.41 0.00 0.52 0.43 0.20 0.06 0.02
2.5 −0.05 0.50 0.45 0.22 0.07 0.02 0.01
3.0 −0.26 0.34 0.49 0.31 0.13 0.04 0.01
4.0 −0.40 −0.07 0.36 0.43 0.28 0.13 0.05 0.02
5.0 −0.18 −0.33 0.05 0.36 0.39 0.26 0.13 0.05 0.02
5.53 0.00 −0.34 −0.13 0.25 0.40 0.32 0.19 0.09 0.03 0.01
6.0 0.15 −0.28 −0.24 0.11 0.36 0.36 0.25 0.13 0.06 0.02
7.0 0.30 0.00 −0.30 −0.17 0.16 0.35 0.34 0.23 0.13 0.06 0.02
8.0 0.17 0.23 −0.11 −0.29 −0.10 0.19 0.34 0.32 0.22 0.13 0.06 0.03
8.65 0.00 0.27 0.06 −0.24 −0.23 0.03 0.26 0.34 0.28 0.18 0.10 0.05 0.02
9.0 −0.09 0.25 0.14 −0.18 −0.27 −0.06 0.20 0.33 0.31 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01
10.0 −0.25 0.04 0.25 0.06 −0.22 −0.23 −0.01 0.22 0.32 0.29 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01
12.0 0.05 −0.22 −0.08 0.20 0.18 −0.07 −0.24 −0.17 0.05 0.23 0.30 0.27 0.20 0.12 0.07 0.03 0.01

카슨의 법칙

경험칙따르면 Carson의 법칙은 주파수 변조 신호의 거의 모든 전력( b98%)이 (\ B_ 내에 있다고 합니다.

여기서 f {\ \ f에서 정의한 바와 같이 중심 반송파 f {\에서 순간 ff( 피크 편차이며,β {\displaystyle \beta 주파수 편차에 대한 주파수 편차의 비율입니다 m{ 변조 신호에서 가장 높은 주파수입니다.Carson의 법칙을 적용하는 조건은 오직 사인파 신호일 뿐이다.비 사인파 신호의 경우:

여기서 W는 변조 신호에서 가장 높은 주파수이지만 실제로는 비 사인파이고 D는 비 사인파 신호의 가장 높은 주파수에 대한 주파수 편차의 비율인 편차 비율입니다.

소음 저감

FM은 예를 들어 AM과 비교하여 향상된 신호잡음 비(SNR)를 제공합니다.최적의 AM 방식에 비해 FM은 일반적으로 노이즈 임계값이라고 불리는 특정 신호 레벨보다 SNR이 낮지만, 그보다 높은 레벨(완전 개선 또는 완전 소음 임계값)보다 SNR이 훨씬 향상됩니다.개선은 변조 수준과 편차에 따라 달라집니다.일반적인 음성통신 채널에서는 일반적으로 5~15dB의 개선이 이루어집니다.넓은 편차를 이용한 FM 방송은 훨씬 더 큰 개선을 달성할 수 있습니다.수신기에서 대응하는 디엠퍼시스(deempasis)를 포함한 높은 오디오 주파수의 프리엠퍼시스(preempasis)와 같은 추가 기술은 일반적으로 FM 회선의 전반적인 SNR을 개선하기 위해 사용됩니다.FM 신호는 일정한 진폭을 가지므로 FM 수신기에는 일반적으로 AM 노이즈를 제거하는 리미터가 있어 SNR이 [7][8]더욱 향상됩니다.

실장

변조

FM 신호는 직접 또는 간접 주파수 변조를 사용하여 생성할 수 있습니다.

  • 직접 FM 변조는 전압 제어 발진기의 입력에 메시지를 직접 공급하여 달성할 수 있습니다.
  • 간접 FM 변조를 위해 메시지 신호는 위상 변조 신호를 생성하기 위해 통합된다.이는 결정 제어 발진기를 변조하는 데 사용되며, 결과는 주파수 승수를 통해 전달되어 FM 신호를 생성합니다.이 변조에서는 협대역 FM이 생성되어 나중에 광대역 FM이 발생하므로 간접 FM [9]변조라고 한다.

복조

FM 변조

많은 FM 검출기 회로가 존재합니다.정보 신호를 복구하는 일반적인 방법은 포스터-실리 판별기 또는 비율 검출기를 사용하는 것이다.위상 잠금 루프는 FM 복조기로 사용할 수 있습니다.슬로프 검출은 반송파에서 공진 주파수가 약간 오프셋된 동조회로를 이용해 FM신호를 복조한다.주파수가 상승 및 하강할 때 튜닝된 회로가 응답 진폭의 변화를 제공하여 FM을 AM으로 변환합니다.AM 수신기는 이 방법으로 일부 FM 송신을 검출할 수 있지만 FM 방송의 효율적인 검출 수단을 제공하지는 않습니다.

적용들

도플러 효과

반향 위치 확인 박쥐가 목표물에 접근할 때, 박쥐의 나가는 소리는 메아리로 돌아오는데, 이 소리는 주파수가 위로 도플러 시프트됩니다.일정한 주파수(CF) 반향 위치 측정 호출을 생성하는 특정 종의 박쥐에서, 박쥐들은 목표물에 접근할 때 호출 주파수를 낮추어 도플러 변화를 보상합니다.이것에 의해, 리턴 에코가 통상의 에코 로케이션 콜과 같은 주파수 범위로 유지됩니다.이 동적 주파수 변조는 도플러 이동 보상(DSC)이라고 불리며 1968년 한스 슈니츨러에 의해 발견되었다.

자기 테이프 스토리지

또한 FM은 비디오 신호의 휘도(흑백) 부분을 기록하기 위해 아날로그 VCR 시스템(VHS 포함)에 의해 중간 주파수에서 사용됩니다.일반적으로 크로미넌스 성분은 고주파 FM신호를 바이어스로 하여 기존의 AM신호로 기록된다.FM은 왜곡 없이 자기 테이프에 비디오의 휘도("흑백") 성분을 기록하는 유일한 실현 가능한 방법입니다.비디오 신호는 몇 헤르츠에서 몇 메가헤르츠까지 광범위한 주파수 성분을 가지고 있으며 -60dB 미만의 전자 노이즈로 인해 이퀄라이저가 작동하기에는 너무 넓습니다.FM은 또한 테이프를 포화 수준으로 유지하여 노이즈 감소의 한 형태로 작동합니다. 리미터는 재생 출력의 변화를 마스킹할 수 있으며 FM 캡처 효과는 프린트 스루 및 프리 에코를 제거합니다.V2000 및 많은 Hi-band 형식에서와 같이 신호에 계속 파일럿 톤을 추가하면 기계 지터를 제어하고 타임베이스 보정을 지원할 수 있습니다.

이러한 FM 시스템은 반송파 대 최대 변조 주파수의 비율이 2 미만이라는 점에서 특이합니다. 이 비율은 약 10,000인 FM 오디오 방송과 대조됩니다.예를 들어 3.5MHz 레이트로 변조된6 MHz 반송파를 생각할 수 있습니다.베셀 분석에 따르면 첫 번째 사이드밴드는 9.5 및 2.5MHz이고 두 번째 사이드밴드는 13MHz 및 -1MHz입니다.그 결과 +1MHz에서는 역상 사이드밴드가 됩니다.복조에서는 6–1 = 5MHz에서 불필요한 출력이 발생합니다.이 불필요한 출력이 허용 가능한 [10]수준으로 감소하도록 시스템을 설계해야 합니다.

소리

FM은 오디오 주파수에서도 소리를 합성하는 데 사용됩니다.FM 합성이라고 알려진 이 기술은 초기 디지털 신시사이저에 의해 대중화되었고 여러 세대의 개인용 컴퓨터 사운드 카드에 표준 기능이 되었다.

라디오

뉴욕주 버팔로에 있는 WEDG의 미국 FM 라디오 송신기

에드윈 하워드 암스트롱(1890–1954)은 광대역 주파수 변조(FM)[11] 라디오를 발명한 미국의 전기 엔지니어입니다.그는 1914년 재생회로, 1918년 슈퍼헤테로다인 수신기, [12]1922년 슈퍼재생회로를 특허 취득했다.암스트롱은 1935년 11월 6일 라디오 엔지니어 협회의 뉴욕 섹션 앞에 그의 논문 "주파수 변조 시스템에 의한 라디오 시그널링의 교란 감소 방법"을 발표했다.그 논문은 [13]1936년에 출판되었다.

이름에서 알 수 있듯이 광대역 FM(WFM)은 동등한 변조 신호에 의한 진폭 변조보다 넓은 신호 대역폭을 필요로 합니다.이를 통해 신호가 노이즈 간섭에 대해 더욱 강력해집니다.주파수 변조는 신호 진폭 페이딩 현상에 대해서도 더욱 강력합니다.그 결과, FM은 고주파, 고화질 무선 전송의 변조 표준으로 선택되었고, 따라서 "FM 라디오"라는 용어를 사용하였습니다. (다년간 BBC는 상용 FM 방송이 VHF 대역의 일부인 FM 방송 대역을 사용하기 때문에 "VHF 라디오"라고 불렀습니다.)FM 수신기는 FM 신호에 대해 특수 검출기를 사용하며, 이 현상을 캡처 효과라고 합니다. 이 경우 튜너는 동일한 주파수의 두 방송국 중 더 강한 쪽을 "캡처"하면서 다른 쪽을 거부합니다(이 현상을 두 방송국이 동시에 청취할 수 있는 AM 수신기의 유사한 상황과 비교).다만, 주파수 드리프트나 선택성의 결여에 의해서, 인접 채널상의 다른 스테이션이 추월하는 일이 있습니다.주파수 드리프트는 초기(또는 저렴한) 수신기에서 문제가 되었습니다.선택성이 불충분하면 튜너에 영향을 줄 수 있습니다.

FM 신호는 스테레오 신호를 반송하는 데도 사용할 수 있습니다. 이는 FM 프로세스 전후에 다중화 및 다중해제를 통해 수행됩니다.FM 변조 및 복조 프로세스는 스테레오 및 모노럴 프로세스에서 동일합니다.고효율 무선 주파수 스위칭 앰프를 사용하여 FM 신호(및 기타 일정한 진폭 신호)를 전송할 수 있습니다.특정 신호 강도(수신기 안테나에서 측정)에 대해 스위칭 앰프는 배터리 전력을 적게 사용하며 일반적으로 선형 앰프보다 비용이 적게 듭니다.따라서 FM은 AM 및 QAM과 같이 선형 증폭기가 필요한 다른 변조 방법보다 또 다른 이점을 제공합니다.

FM은 일반적으로 음악음성고음질 방송을 위해 VHF 라디오 주파수로 사용됩니다.아날로그 TV 사운드도 FM을 사용하여 방송됩니다.협대역 FM은 상용 및 아마추어 무선 설정에서 음성 통신에 사용됩니다.오디오 충실도가 중요한 브로드캐스트서비스에서는 일반적으로 광대역 FM이 사용됩니다.양방향 무선에서는 육상 모바일, 해양 모바일 및 기타 무선 서비스의 대역폭을 절약하기 위해 협대역 FM(NBFM)을 사용합니다.

1924년 10월 5일, 미하일 A 교수라는 보고가 있다. 본치 브루에비치는 니즈니 노브고로드 라디오 연구소에서 열린 과학 기술 대화에서 진동 주기의 변화를 바탕으로 그의 새로운 전화 방법에 대해 보고했다.주파수 변조 시연은 실험실 [14]모델에서 수행되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Gibilisco, Stan (2002). Teach yourself electricity and electronics. McGraw-Hill Professional. p. 477. ISBN 978-0-07-137730-0. morse-code frequency-shift-keying sent-using-fsk.
  2. ^ Rutledge, David B. (1999). The Electronics of Radio. Cambridge University Press. p. 310. ISBN 978-0-521-64645-1.
  3. ^ B. Boash, 편집자, Time-Frequency Signal Analysis and Processing – 종합 레퍼런스, Oxford, Elsevier Science, 2003; ISBN 0-08-044335-4
  4. ^ a b T.G. Thomas, S. C. Sekhar 커뮤니케이션 이론, Tata-McGraw Hill 2005, ISBN 0-07-059091-5 페이지 136
  5. ^ Der, Lawrence. "Frequency Modulation (FM) Tutorial" (PDF). Silicon Laboratories. S2CID 48672999. Archived from the original (PDF) on 2014-10-21. Retrieved 17 October 2019.
  6. ^ 라티, B. P. (1968년)통신 시스템, 페이지 214–217.뉴욕: John Wiley and Sons, ISBN 0-471-51832-8.
  7. ^ H. P. Westman, ed. (1970). Reference Data for Radio Engineers (Fifth ed.). Howard W. Sams & Co. pp. 21–11.
  8. ^ Alan Bloom (2010). "Chapter 8. Modulation". In H. Ward Silver; Mark J. Wilson (eds.). The ARRL Handbook for Radio Communications. American Radio Relay League. p. 8.7. ISBN 978-0-87259-146-2.
  9. ^ 헤이킨, 사이먼[에드](2001).커뮤니케이션 시스템즈, 제4판
  10. ^ : "FM Systems Of Exceptional Bandwidth" Proc.IEEE vol 112, No. 9, 페이지 1664, 1965년 9월
  11. ^ A. Michael Noll (2001). Principles of modern communications technology. Artech House. p. 104. ISBN 978-1-58053-284-6.
  12. ^ US 1342885
  13. ^ Armstrong, E. H. (May 1936). "A Method of Reducing Disturbances in Radio Signaling by a System of Frequency Modulation". Proceedings of the IRE. IRE. 24 (5): 689–740. doi:10.1109/JRPROC.1936.227383. S2CID 43628076.
  14. ^ 아, 아, 아, 아, 아, 아, 아.// 1924년- 6 6. - с. 86

추가 정보

외부 링크