Taajuusmodulaatio

Taajuusmodulaatio, engl. frequency modulation (FM), on modulaatio, jossa kantoaallolla on vakiovoimakkuus ja sen taajuutta vaihdellaan hyötysignaalin tahdissa.

Signaalin tuottaminen on suhteellisen helppoa ja energiataloudellista, sillä vakiovoimakkuuksinen kantoaalto on helppo tuottaa vahvistimissa hyvällä hyötysuhteella. FM-signaalin vastaanottaminen vaatii mutkikkaampia rakenteita, jotka nykyisillä mikropiireillä ovat kuitenkin triviaali pulma.

FM:ää kutsutaan muutamalla erilaisella nimellä riippuen lähinnä kaistaleveydestä:

• ULA, FM, WFM, eli yleisradiolähete (n. 100 kHz)
• NBFM (narrow-band FM), NFM, eli 12 kHz tai jopa 20 kHz leveä versio

Yleensä käytettäessä FM-modulaatiota äänen siirtoon taajuusmodulaattoriin menevä äänisignaali esikorostetaan, jotta signaalikohinasuhde säilyisi hyvänä koko äänitaajuusalueella.

FM-modulaattori

Syötettävä hyötysignaali on syytä pitää kohtuullisissa tasoissa, sillä se vaikuttaa suoraan radio-/välitaajuisen lähtösignaalin taajuuspoikkeamaan, eli deviaatioon.

Puhetta moduloivissa FM modulaattoreissa tämä tehdään yleensä audiosignaalin amplitudia rajoittavan leikkurin ja 3 kHz alipäästön avulla. Parhaaseen äänenlaatuun päästään yleensä lisäämällä tähän yhdistelmään vielä audiokompressori.

Suora FM-modulaattori

Suora FM-modulaattori tehdään oskillaattorina, jonka värähtelypiirin jotain komponenttia muutetaan sähköisesti hyötysignaalin ohjaamana.

Tavallisimmin tämä tehdään nykyisin kapasitanssidiodin yli vaikuttavaa jännitettä säätäen. Mikroaalto-oskillaattoreissa voidaan säätää DRO:n, tai YIG:n yli vaikuttavaa magneettikenttää, joka muuttaa tämän reaktiivisen aineen sähköisiä ominaisuuksia säätäen siten sen värähdyspiirin ominaisuuksia missä se on.

Epäsuora FM-modulaattori

Taajuus- ja vaihemodulaattorit ovat suurelta osin vaihtokelpoisia keskenään. Vaihemodulaattorissa taajuusdeviaatio kasvaa suoraan moduloivan signaalin taajuuden mukana. Jos halutaan esikorostamaton taajuusmodulaatio, niin vaihemodulaattoriin menevä äänitaajuus pitää ensin integroida esimerkiksi RC-alipäästösuodattimella. Toisaalta puheensiirrossa käytetään normaalisti esikorostusta taajuusmodulaation yhteydessä ja [[PhM|vaihemodulaattori)) sellaisenaan tekee esikorotuksen, tosin koko äänitaajuusalueen yli. Vaihemodulaattorin etuna on, että se tuottaa FM-yhteensopivaa signaalia lähtien kiinteästä refrenssitaajuudesta.

FM-demodulaattori

FM vastaanottimessa alkuperäinen signaali konvertoidaan halutulle välitaajuudelle samaan tapaan kuin kaikissa muissakin moniasteisissa vastaanottimissa, mutta ensimmäinen välitaajuussuodatin on leveämpi kuin SSB:llä, tai CW:llä.

Välitaajuinen signaali vahvistetaan ja limitoidaan vakioamplitudiin poistaen siitä kaikkinaiset häiritsevät ylimääräiset kohinaelementit. Sitten se käsitellään varsinaisella FM-demodulaattorilla josta saadaan hyötysignaali ulos.

Taajuusdiskriminaattori

Tämä on ensimmäinen tapa tehdä FM-ilmaisua.

Tässä on LC-värähtelypiiri muuntajakytkennässä siten, että välitaajuuden keskitaajuus tuottaa nollasignaalin ja taajuuspoikkeamat ylemmäs ja alemmas tuottavat korkeamman/matalamman jännitesignaalin.

Ongelmalliseksi tämän tekee viritystä tarvitsevat LC piirit. jotka saattavat ajan kuluessa mennä epävireeseen.

(TODO:kytkentäkuva)

Suhdeilmaisin

Suhdeilmaisin (ratio detector)) on taajuus-diskriminaattorin jatkokehitelmä, joka on neutraali saatavan IF signaalin voimakkuudelle, eikä siten tarvitse välitaajuuden limitterivahvistinta.

Tämäkin tarvitsee edelleen viritettävän LC piirin.

(TODO:kytkentäkuva)

Kideilmaisin

Kideilmaisimessa (crystal detector) käytetään välitaajuudella resonanssissa olevaa kidettä, eikä kaikissa rakenteissa tarvita viritettävää LC piiriä, tai sen viritys ei ole niin kriittinen toiminnalle, kuin edellisissä.

(TODO:kytkentäkuva)

PLL-ilmaisin

PLL:ää, eli vaihelukittua silmukkaa voidaan käyttää tuottamaan jännite joka on suorassa suhteessa syöttösignaalin taajuuteen.

Tämä rakenne on paljon kompleksisempi, kuin mikään edellisistä, mutta moderneilla mikropiireillä se ei ole mikään ongelma. Esimerkiksi NE565 toimii hyvin 455 kHz välitaajuudella, eikä tarvitse viritettäviä rakenteita.

Tämä rakenne ei välttämättä tarvitse syöttävään välitaajuussignaaliin amplitudin vakiointia, kunhan signaalivoimakkuus on riittävä vaihelukitun silmukan vaihevertailijalle.

(TODO: kytkentäkuvia)

Viitteitä

• http://en.wikipedia.org/wiki/FM#Theory