Kujua Modulation ya Frequency (FM)

Malengo
* Jua uhusiano wa frequency ya carrier, frequency ya moduli na index ya moduli kwa ufanisi na bandwidth
* Linganisha mifumo ya FM na mifumo ya AM kuhusu ufanisi, bandwidth na kelele.

Mfumo wa Msingi
Mfumo wa msingi wa mawasiliano una:
#Ubadilishaji: Mfumo mdogo ambao unachukua ishara ya habari na unashughulikia kabla ya maambukizi. Mtangazaji hurekebisha habari hiyo kwenye ishara ya mtoaji, huongeza ishara na kuipeperusha juu ya kituo
#Chaneli: Ya kati ambayo inahamisha ishara iliyorekebishwa kwa mpokeaji. Hewa hufanya kama kituo cha matangazo kama redio. Inaweza pia kuwa mfumo wa wiring kama cable TV au mtandao.
#Mtumiaji: Mfumo mdogo ambao unachukua ishara inayopitishwa kutoka kwa kituo na unachakata ili kupata ishara ya habari. Mpokeaji lazima awe na uwezo wa kubagua ishara kutoka kwa ishara zingine ambazo zinaweza kutumia chaneli hiyo hiyo (inayoitwa tuning), kukuza ishara ya usindikaji na kubomoa (ondoa kibebaji) kupata habari hiyo. Pia inashughulikia habari ya mapokezi (kwa mfano, matangazo kwenye kipaza sauti).

Modulering
Ishara ya habari haiwezi kusambazwa kama ilivyo, ni lazima kusindika. Ili kutumia maambukizi ya umeme, lazima kwanza ibadilishwe kutoka sauti kuwa ishara ya umeme. Uongofu huo unakamilishwa na transducer. Baada ya kubadilika hutumiwa kurekebisha ishara ya mtoaji.

Ishara ya mtoaji hutumika kwa sababu mbili:
* Ili kupunguza kasi ya usambazaji mzuri na mapokezi (saizi kubwa ya antenna ni ½ au ¼ ya mwangaza). Masafa ya kawaida ya sauti ya 3000 Hz yatakuwa na mwangaza wa km 100 na itahitaji urefu mzuri wa antenna wa km 25! Kwa kulinganisha, kibeti cha kawaida cha FM ni 100 MHz, na mwangaza wa m 3, na inaweza kutumia antenna kwa urefu wa cm 80 tu.

* Kuruhusu matumizi sawa ya kituo hicho hicho, kinachoitwa kuzidisha. Kila ishara ya kipekee inaweza kupewa mzunguko tofauti wa wabebaji (kama vituo vya redio) na bado inashiriki kituo kimoja. Kampuni ya simu kwa kweli ilizindua moduli kuruhusu mazungumzo ya simu kupitishwa kwa mistari ya kawaida.
Mchakato wa kusumbua unamaanisha kutumia kimfumo ishara ya habari (unachotaka kusambaza) kutofautisha paramu fulani ya ishara ya mtoa huduma. Ishara ya kubeba kawaida ni sinusoid rahisi, ya frequency moja (inatofautiana kwa wakati kama wimbi la sine).

Wimbi la msingi la sine huenda kama V (t) = Vo dhambi (2 pft + f) ambapo vigezo vinafafanuliwa hapa chini:

#V (t) voltage ya ishara kama kazi ya wakati.
#Kuongeza ukubwa wa ishara (inawakilisha thamani kubwa inayopatikana kila mzunguko)
# ikiwa mzunguko wa oscillation, idadi ya mizunguko kwa sekunde (pia inajulikana kama mzunguko wa Hertz = 1 kwa sekunde)
# ikiwa ni sehemu ya ishara, inayowakilisha mwanzo wa mzunguko.

Ili kurekebisha ishara inamaanisha kutafsiri kwa moja moja ya vigezo vitatu vya ishara: amplitude, frequency au phase. Kwa hivyo, aina ya modulation inaweza kugawanywa kama vile

AM: modeli ya kukuza

FM: mzunguko wa masafa au

PM: modulering ya awamu

Kumbuka: PM inaweza kuwa ni muda usiojulikana lakini hutumiwa kawaida. Tabia za PM ni sawa na FM na kwa hivyo masharti mara nyingi hutumiwa kwa kubadilishana.

FM
Utaratibu wa kusonga mara kwa mara hutumia ishara ya habari, Vm (t) kutofautisha masafa ya mbebaji katika anuwai fulani juu ya thamani yake ya asili. Hapa kuna ishara tatu katika fomu ya hisabati:

Habari: Vm (t)
* Mtoa huduma: Vc (t) = Dhambi ya Vco (2 p fc t + f)
* FM: VFM (t) = Vco sin (2 p [fc + (Df / Vmo) Vm (t)] t + f)

Tumechukua nafasi ya mzunguko wa carbu, na masafa ya kutofautiana kwa wakati. Tumeanzisha pia muda mpya: Df, kupunguka kwa frequency. Katika fomu hii, unapaswa kuwa na uwezo wa kuona kuwa urefu wa mzunguko wa carrier: fc + (Df / Vmo) Vm (t) sasa inatofautiana kati ya mipaka ya fc - Df na fc + Df. Tafsiri ya Df inakuwa wazi: ni mbali zaidi na masafa ya asili ambayo ishara ya FM inaweza kuwa. Wakati mwingine huitwa "swing" katika mzunguko.

Tunaweza pia kufafanua faharisi ya mabadiliko ya FM, analogous AM:
* b = Df / fm, ambapo fm ni kiwango cha juu cha modulating kinachotumika.
* Tafsiri rahisi ya faharisi ya moduli, b, ni kama kipimo cha upungufu wa masafa ya kilele, Df. Kwa maneno mengine, b inawakilisha njia ya kuelezea masafa ya kupunguka kwa kiwango cha juu kama masafa ya moduli ya kiwango cha juu, fm, yaani Df = b fm.

Mfano: fikiria katika redio ya FM kwamba sauti ya sauti inayopaswa kutolewa kutoka 20 hadi 15,000 Hz (haina). Ikiwa mfumo wa FM ulitumia index ya kiwango cha juu cha modulating, b, ya 5.0, basi frequency inge "swing" kwa kiwango cha juu cha 5 x 15 kHz = 75 kHz hapo juu na chini ya masafa ya mbebaji.

Hapa kuna ishara rahisi ya FM:

Hapa, mtoaji ni saa 30 Hz, na mzunguko wa moduli ni 5 Hz. Fahirisi ya modulation ni karibu 3, na hufanya kupunguka kwa kiwango cha juu cha 15 Hz. Hiyo inamaanisha kuwa frequency zitatofautiana mahali fulani kati ya 15 hadi 45 Hz. Jinsi mzunguko umekamilika ni kazi ya mzunguko wa modulating.

Spectrum ya FM
Wigo linawakilisha viwango vya jamaa vya sehemu tofauti za masafa katika ishara yoyote. Ni kama onyesho kwenye picha ya kusawazisha katika stereki yako ambayo imesababisha kuonyesha viwango vya jamaa vya bass, midrange na treble. Hizi zinahusiana moja kwa moja na kuongezeka kwa masafa (treble kuwa sehemu ya frequency kubwa). Ni ukweli unaofahamika wa hisabati, kwamba kazi yoyote (ishara) inaweza kuamuliwa kuwa vifaa vya sinusoidal (isipokuwa kwa kitabia chache cha kiitikadi). 

Kwa maneno ya kiufundi, dhambi na cosines huunda seti kamili ya kazi, pia inajulikana kama msingi katika nafasi isiyo na kipimo cha vector ya kazi zenye thamani halisi (gag Reflex). Kwa kuzingatia kwamba ishara yoyote inaweza kudhaniwa kufanywa na ishara za sinusoidal, wigo basi unawakilisha "kadi ya mapishi" ya jinsi ya kutengeneza ishara kutoka kwa sinusoids. Kama: 1 sehemu ya 50 Hz na sehemu 2 za 200 Hz. Sinusoids safi ina wigo rahisi zaidi wa wote, sehemu moja tu:

Katika mfano huu, carriers ina 8 Hz na kwa hivyo wigo ina sehemu moja yenye thamani ya 1.0 kwa 8 Hz

Wigo wa FM ni ngumu sana. Wigo wa ishara rahisi ya FM inaonekana kama:





Inayebeba sasa ni 65 Hz, ishara ya moduli ni sauti safi ya 5 Hz, na index ya moduli ni 2. Tunachokiona ni vikundi vingi vya upande (spikes saa nyingine kuliko frequency ya carrier) kutengwa na mzunguko wa modulating, 5 Hz. Kuna takriban bendi 3 za upande pande zote za mtoaji. Sura ya wigo inaweza kuelezewa kwa kutumia hoja rahisi ya heterodyne: unapochanganya masafa matatu (fc, fm na Df) pamoja unapata masafa ya jumla na tofauti. Mchanganyiko mkubwa zaidi ni fc + fm + Df, na ndogo zaidi ni fc - fm - Df. Kwa kuwa Df = b fm, frequency inatofautiana (b + 1) fm hapo juu na chini ya kibeti.


Mfano unaofaa zaidi ni kutumia wigo wa sauti kutoa sauti.





Katika mfano huu, ishara ya habari inatofautiana kati ya 1 na 11 Hz. Mtoa huduma yuko 65 Hz na faharisi ya moduli ni 2. Spikes za upande wa kibinafsi hubadilishwa na wigo unaoendelea zaidi au chini. Walakini, kiwango cha bendi za upande ni mdogo (takriban) hadi (b + 1) fm hapo juu na chini. Hapa, hiyo itakuwa 33 Hz hapo juu na chini, na kufanya upelekaji wa data juu ya 66 Hz. Tunaona bendi za kando zinapanda kutoka 35 hadi 90 Hz, kwa hivyo nje bandwidth ni 65 Hz.

Labda umeuliza kwanini hatupuuzi vibanda laini kwenye miisho mingi ya wigo. Ukweli ni kwamba kwa kweli ni bidhaa inayotokana na mabadiliko ya mzunguko (hakuna kelele ya bahati nasibu katika mfano huu). Walakini, zinaweza kupuuzwa kwa usalama kwa sababu zina sehemu ndogo ya nguvu jumla. Kwa mazoezi, kelele za bila mpangilio zingewaficha hata hivyo.

Mfano: Redio ya FM
Redio ya FM hutumia sauti za masafa, kwa kweli. Bendi ya masafa ya redio ya FM ni karibu 88 hadi 108 MHz. Ishara ya habari ni muziki na sauti ambayo iko kwenye wigo wa sauti. Sauti kamili ya safu ya sauti inaunda 20 hadi 20,000 Hz, lakini redio ya FM imepunguza masafa ya moduli ya juu hadi 15 kHz (cf. redio ya AM ambayo hupunguza masafa ya juu hadi 5 kHz). Ingawa, ishara zingine zinaweza kupotea zaidi ya kHz 15, watu wengi hawawezi kuisikia, kwa hivyo kuna upotevu mdogo wa uaminifu. Redio ya FM labda inatajwa kama "uaminifu-juu."

Ikiwa wasambazaji wa FM hutumia fahirisi ya kiwango cha juu cha modeli ya juu ya 5.0, kwa hivyo bandwidth inayosababishwa ni 180 kHz (takriban 0.2 MHz). FCC inapeana vituo) 0.2 MHz kando ili kuzuia ishara zinazoingiliana (bahati mbaya? Sidhani!). Ikiwa ungejaza bendi ya FM na vituo, unaweza kupata vituo 108 - 88 / .2 = 100, karibu idadi sawa na radio ya AM (107). Hii inasikika ikiwa ya kushawishi, lakini kwa kweli ni ngumu zaidi (agh!).

Redio ya FM inatangazwa katika stereo, inamaanisha njia mbili za habari. Kwa mazoezi, hutoa ishara tatu kabla ya kutumia sauti.

* ishara ya L + R (kushoto + kulia) katika safu ya 50 hadi 15,000 Hz.
* dereva wa majaribio 19 kHz.

* ishara ya LR inayojikita katika carbu ya majaribio ya 38 kHz (ambayo imekandamizwa) ambayo inaanzia 23 hadi 53 kHz.

Kwa hivyo, ishara ya habari kweli ina upeo wa kusasisha wa kiwango cha 53 kHz, inayohitaji kupunguzwa kwa faharisi ya moduleri hadi 1.0 ili kuweka jumla ya upenyo wa ishara kuhusu 200 kHz.

Utendaji wa FM
Bandwidth
Kama vile tumeonyesha tayari, upelekaji wa ishara ya FM unaweza kutabiriwa kutumia:

* BW = 2 (b + 1) fm

ambapo b ni faharisi ya moduli na fm ni kiwango cha juu cha modulating kinachotumika.

Redio ya FM ina bandwidth kubwa zaidi kuliko redio ya AM, lakini bendi ya redio ya FM pia ni kubwa. Mchanganyiko huo huweka idadi ya vituo vinavyopatikana kuhusu hiyo hiyo.

Upungufu wa ishara ya FM una utegemezi ngumu zaidi kuliko ilivyo kwa kesi ya AM (kumbuka, upana wa ishara za AM hutegemea tu frequency ya kiwango cha juu cha mzunguko). Katika FM, faharisi ya moduli zote na frequency ya modulating huathiri upelekaji wa data. Habari inavyozidi kuwa na nguvu, bandwidth pia inakua.

Ufanisi
Ufanisi wa ishara ni nguvu katika vikundi vya upande kama sehemu ya jumla. Katika ishara za FM, kwa sababu ya bendi kubwa za upande zinazozalishwa, ufanisi kwa ujumla uko juu. Kumbuka kuwa AM ya kawaida ni mdogo kwa ufanisi wa karibu 33% kuzuia kupotosha katika mpokeaji wakati fahirisi ya moduliation ilikuwa kubwa kuliko 1. FM haina shida ya analog.

Muundo wa bendi ya upande ni ngumu sana, lakini ni salama kusema kwamba ufanisi huo kwa ujumla unaboreshwa kwa kufanya faharisi ya moduli kuwa kubwa (kama inavyopaswa kuwa). Lakini ukifanya faharisi ya moduli kuwa kubwa, kwa hivyo fanya bandwidth kuwa kubwa (tofauti na AM) ambayo ina hasara zake. Kama ilivyo kawaida katika uhandisi, maelewano kati ya ufanisi na utendaji hupigwa. Faharisi ya moduli kawaida hupunguzwa kwa dhamana kati ya 1 na 5, kulingana na programu.

Kelele
Mifumo ya FM ni bora zaidi katika kukataa kelele kuliko mifumo ya AM. Kelele kwa ujumla inaenea sawasawa kwenye wigo (kinachojulikana kama kelele nyeupe, ikimaanisha wigo mpana). Ukuaji wa kelele hutofautiana nasibu kwa masafa haya. Mabadiliko katika ukuzaji yanaweza kubadilisha ishara na kuchukuliwa katika mfumo wa AM. Kama matokeo, mifumo ya AM ni nyeti sana kwa kelele za nasibu. Mfano unaweza kuwa kelele ya mfumo wa kuwasha kwenye gari yako. Vichungi maalum vinahitaji kusanikishwa ili kuweka usumbufu nje ya redio yako ya gari.

Mifumo ya FM ina kinga asili. Ili kelele iingilie, italazimika kurekebisha frequency kwa namna fulani. Lakini kelele inasambazwa sawasawa katika frequency na inatofautiana zaidi katika hali ya kutokuwepo. Kama matokeo, hakuna kuingiliwa kwa wakati wowote kwenye mpokeaji wa FM. FM wakati mwingine huitwa "bure ya tuli," ikimaanisha kinga yake bora kwa kelele ya nasibu.

Muhtasari
Katika ishara za FM, ufanisi na bandwidth zote hutegemea frequency ya kiwango cha juu cha modulating na faharisi ya moduli.
Ikilinganishwa na AM, ishara ya FM ina ufanisi mkubwa, bandwidth kubwa na kinga bora ya kelele.

Acha ujumbe 

Orodha ujumbe