Sagedusmodulatsioon (FM): määratlus, tööpõhimõte ja kasutusalad

Sagedusmodulatsioon (FM): selge ülevaade määratlusest, tööpõhimõttest ja praktilistest kasutusaladest raadio-, tele- ja signaalitöötluses.

Telekommunikatsioonis ja signaalitöötluses edastab sagedusmodulatsioon teavet kandelaine üle, muutes selle sagedust. See tehnika erineb amplituudmodulatsioonist, mis muudab amplituudi, kuid hoiab sageduse konstantsena. Sellist modulatsiooni kasutatakse ringhäälingus ja muudes raadiotöödes.

Ringhäälingu kontekstis lühendatakse sagedusmodulatsiooni sageli FM-ks. Analooghelide edastamisel on FM-signaalide helikvaliteet parem kui amplituudmodulatsiooniga (AM) signaalidel. FM-signaalid ei levi siiski nii kaugele kui AM, sest nad kasutavad kõrgemaid sagedusi, mis ei põrku Kennelly-Heaviside'i kihist.

Paljud raadiojaamad saadavad mõlemat liiki signaale. AM võib kasutada vestlussaateid ja FM muusika jaoks. FM-ülekanded sisaldavad tavaliselt erinevussignaali, mis võib põhjustada kodus kahe erineva kõlariga erinevat heli. See loob stereoheli.

Tööpõhimõte lühidalt

Sagedusmodulatsioonis muutub kandelaine hetkeline sagedus vastavalt moduleerivale signaalile (näiteks heli helitugevus või muusikainfo). Tegelikult on oluline kaks suurust:

• Kesksagedus – kandelaine keskmine sagedus (nt FM-ringhäälingus 87,5–108 MHz).
• Sagedusehõive ehk sagedusehüpe (frequency deviation) – maksimaalne nihke ulatus kesksagedusest, mis sõltub moduleeriva signaali amplituudist.

Sagedusmuutus on modulatsioonis lineaarne või peaaegu lineaarne moduleeriva signaali suhtes; moduleeritud signaal sisaldab hulk harmoonilisi komponendid ehk kandelaine ümbrust (sidebandid). Selle täielikuks kirjeldamiseks kasutatakse sageli modulatsioonimõõdikut (modulation index).

Peamised omadused ja eelised

• Parem müra- ja häiresisaldus – FM on vähem tundlik amplituudimüra suhtes, mistõttu heli tajutav kvaliteet on kõrgem, eriti muusika puhul.
• Capture effect – kui vastuvõtja leiab tugevama FM-signaali samal sagedusalal, eelistab ta seda nõrgemale, vähendades segamist.
• Stereo-ülekanne – FM võimaldab hõlpsasti edastada stereosignaali, kasutades L+R (summa) ja L−R (erinevus) kanaleid ning 19 kHz piloottoonit ja 38 kHz subkandjat (analoolne stereomultiplex).
• Pre-emphasis ja de-emphasis – kõrgsagedusliku müra vähendamiseks kasutatakse reeglipõhist eelrõhutamist (pre-emphasis) saatmel ja vastustrükki (de-emphasis) vastuvõtul.

Puudused ja piirangud

• Laiem sagedusriba – FM nõuab rohkem kanalilaiust kui AM sama signaali edastamiseks (vt Carsoni reegel, mis annab ligikaudse vajalikku laius). See piirab kanalite arvu sagedusalas.
• Line-of-sight levik – FM-ühendused kõrgematel sagedustel (VHF/UHF) sõltuvad enam otsesest nähtavusest ja ei levi kaugele nagu madalama sagedusega AM-signaalid.
• Raskem edastada väga madalaid sagedusi – FM-süsteemid peavad jälgima sagedusehüpet ja modulatsioonimõõtu, mis võib keerukamaks muutuda väga madalate moduleerivate sageduste korral.

Demodulatsioon ja tehnilised lahendused

FM-demodulatsiooniks kasutatakse mitmeid skeeme, näiteks:

• Discriminator või ratio detector – analoogmehhanismid, mis teisendavad sageduse muutused pingimärgiks.
• Phase-locked loop (PLL) – täpne elektrooniline meetod, mida kasutatakse nii demodulatsiooniks kui ka sageduse jälgimiseks ja stabiliseerimiseks.
• Digitaalsed meetodid – tänapäeva tarkvara-defineeritud raadios (SDR) ja digitaalse töötlemisega lahendused suudavad FM-signaale demoduleerida tarkvaraliselt, võimaldades paindlikkust ja lisafunktsioone.

Kasutusalad

• FM-ringhääling (analogue FM, tavaliselt 87,5–108 MHz) – muusika- ja puhversaadetega teenused.
• Mobiilsed ja ametlikud raadioside (VHF/UHF) – häda- ja pääste- ning politseiside, lennundus- ja mereside (mõnes sagedusalas), samuti amatööri- ja kahepoolne raadioside.
• Telemetry ja kaugjuhtimine – andmeside, kus FM või selle digitaalne sugulane FSK (frequency-shift keying) edastab mõõdetud väärtusi.
• Audioülekanded ja kujutise edastus spetsiaalsetes süsteemides (nt televisiooni helikanalid varem, mõned kaabelsüsteemid jne).

Stereosüsteemi lühikirjeldus

FM-stereosüsteemis kodeeritakse kaks kanalit (vasak L ja parem R) järgmiselt:

• edastatakse L+R (mono) madalsageduslik signaal, mis tagab koostalituse mono-vastuvõtjatega;
• edastatakse L−R signaal DSB-SC (topeltpoollaine kandja varjatud) kujul 38 kHz alamaktil;
• 19 kHz piloottoon võimaldab vastuvõtjal taastada 38 kHz subkandja faasi ja dekodeerida L−R signaali;
• vastuvõtja liidab L+R ja L−R, et taastada eraldi L ja R kanalid.

Kokkuvõte

FM on tugevalt levinud modulatsioonimeetod tänu heale helikvaliteedile ja müra suhtes paremale kaitsele. Selle peamine kompromiss on suurem kanalilaiuse nõue ja lühem levik võrreldes madalama sagedusega AM-süsteemidega. Tänapäeval kasutatakse FM-i laialdaselt ringhäälingus, kahepoolsetes raadiosüsteemides, telemeetrias ning paljudes muud tüüpi raadioside lahendustes.

Küsimused ja vastused

K: Mis on sagedusmodulatsioon?

K: Mille poolest erineb sagedusmodulatsioon amplituudmodulatsioonist?

K: Kus sagedusmodulatsiooni tavaliselt kasutatakse?

K: Mis on FM-signaalide kasutamise eelis analoogheli edastamisel?

K: Miks FM-signaalid ei levi nii kaugele kui AM-signaalid?

K: Kuidas kasutavad raadiojaamad nii AM- kui ka FM-signaale?

K: Mis on erinevussignaal FM-ringhäälingus?

Otsing