Taajuusmodulaatio

Radioamatööriwikistä
(Ohjattu sivulta FM)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

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.

Taajuusmodulaatiota käytetään sekä puheen- että digitaalisignaalin siirtoon. Digitaaliselle taajuusmodulaatiolle usein asetetaan suurempia taajuussiirtovaatimuksia kuin puheensiirrossa on tarpeen. Tuo tulee esiin erityisesti monitasoisten FSK-modulaatioiden yhteydessä.

Äänen 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.

Digitaalisignaalin FM-modulaattori

Digitaalisignaalin taajuusmodulointi voidaan tehdä aivan samoin kuin äänen taajuusmodulointi. Silloin modulaattoriin syötettävä digitaalisignaali yleensä johdetaan alipäästösuodattimen kautta, jotta datan siirron kannalta tarpeettomat sivunauhat saadaan vaimennettua. Tällä tavalla synnytetty taajuusmodulaatio on samalla jatkuvavaiheinen, mikä osaltaan parantaa sivunauhojen puhtautta.

Toinen yleinen tapa muodostaa taajuusmodulaatio on käyttää yhtä montaa oskillaattoria kuin taajuuksia on taajuusmodulaatiososa ja modulointi tapahtuu valitsemalla symbolin mukainen oskillaattori. Tämä on ollut käytössä RTTY-laitteissa. Menetelmän haittana on varsin leveät sivunauhat varsinaisten FSK-taajuuksien ulkopuolella, koska käytössä on äkillinen taajuussiirto. Usean oskillaattorin sijaan voidaan käyttää taajuussyntetisaattoria, jonka jakolukua ohjataan symboliarvon mukaan.

Digitaalinen signaalikäsittely tavallisilla henkilökohtaisilla tietokoneilla on mullistanut taajuusmodulaation muodostamisen. Taajuusmodulaatio muodostetaan äänitaajuudella ja se siirretään halutulle bandille SSB-rigillä. Laskennallisesti on helppo muodostaa mielivaltainen määrä tarkkoja taajuuksia ja käytössä on mm. WSJT-X perheeseen kuuluva Q65, jossa on 65 taajuutta. Lisäksi laskennallinen muodostaminen mahdollistaa symbolien välisen taajuussiirron pyöristämisen, joka tehokkaasti vaimentaa tarpeettomia [Sivinauha|sivunauhoja]] heikentämättä liiaksi ilmaisun herkkyyttä. Esimerkki tästä on suuren suosion saavuttanut WSJT-X perheen FT8 ja FT4. Sivunauhojen kannalta taajuussiirtymän pyöristäminen on tehokkainta mitä vähemmän taajuuksia on käytössä ja siksi mm. Q65 mode ei käytä pyöristä, mutta kuitenkin on jatkuvavaiheinen.

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.

Digitaalisessa signaalin siirrossa FM-demodulaattorilta tuleva signaali kaksitasoisella FSK-modulaatiolla leikataan keskitaajuutta vastaavalla jännitetasolla vastaanotetuksi symboliksi. Yksinkertaisimmillaan saatu symboli ohjasi RTTY laitteen mekaanista reletta ja kirjoitinmekanismia. Nykyisin vastaanotetusta ilmaistusta signaalista poistetaan kohinaa suodattamalla ja signaalista otetaan päätöksentekoa varten kellotaajuudella näyte symbolin keskestä päätöksen tekoa varten.

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)

Tiedosto:Hamwiki-fm-diskriminaattori.png

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)

Tiedosto:Hamwiki-fm-suhdeilmaisin.png

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)

Tiedosto:Hamwiki-fm-kideilmaisin.png


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)

Tiedosto:Hamwiki-fm-pllilmaisin.png

Digitaalinen taajuusilmaisin

Digitaalinen signaalin käsittely on mullistanut taajuussiirtoavainnutun signaalin ilmaisun ja t eri taajuuksille viritettyjen kaistasuodattimien sijaan ilmaisussa käytetään laskentaa, jolla taajuusspektri muutetaan suoraan aikatasoon. Laskenta käyttää ns. Fourier-muunnosta. Radioamatöörien tavallisesti käyttämillä siirtonopeuksilla tuo voidaan tehdä äänitaajudella. Äänitaajuussignaali saadaan SSB-vastaanottimesta kuten useimmat ns. digimodet tai FM-vastaanottimesta kuten DMR-vastaanottimesta.

Digitaalinen signaaliprosessointi ei rajoitu vain äänitaajuuksiin ja äänitaajuudella moduloitu FM-lähete voidaan ilmaista digitaalisesti laskemalla välitaajuudella.

Viitteitä