周波数変調が説明されました
2024-09-03 3506

周波数変調（FM）は、無線通信の景観を変えた技術であり、干渉に対する比類のない健全な明確さと回復力を提供します。放送での初期の採用から、最新のコミュニケーションシステムにおける主要な役割まで、FMは情報の送信と受信方法の基礎となっています。この記事では、周波数変調の複雑な仕組みを掘り下げ、そのコア原則、実用的なアプリケーション、およびこの通信技術を改善し続ける技術の進歩を調査します。忠実度の高いオーディオブロードキャストであろうと信頼性の高い緊急通信であろうと、FMの重要性は、さまざまなドメインで一貫した信号を提供する際に比類のないままです。

カタログ

図1：周波数変調とFM無線

周波数変調（FM）とは何ですか？

周波数変調（FM）は、無線通信の中心的な手法であり、キャリア波の周波数は、音声またはデータである可能性のある着信信号の振幅に従って調整されます。このプロセスは、変調信号の振幅とキャリア波の周波数の変化との間に直接的な関係を作成します。偏差と呼ばれるこれらの変化は、キロハツ（KHZ）で測定されます。たとえば、±3 kHzの偏差は、キャリア周波数が中心点の上と下に3 kHzを移動し、これらのシフト内の情報をエンコードすることを意味します。偏差を理解することは、FMを効果的に使用する解決策、特に非常に高周波（VHF）ブロードキャストで、周波数の範囲は88.5〜108 MHzです。ここでは、±75 kHzなどの大きな偏差を使用して、ワイドバンドFM（WBFM）を作成します。この方法は、高忠実度オーディオを送信するためのもので、通常はチャネルあたり約200 kHzの帯域幅が必要です。混雑した都市部では、チャネル間の干渉を避けるために、この帯域幅を管理する必要があります。

対照的に、モバイル無線通信のように、帯域幅が制限されている場合、狭帯域FM（NBFM）が使用されます。NBFMは、約±3 kHzのより小さな偏差で動作し、10 kHzの狭い帯域幅内で動作できます。このアプローチは、優先度が高いオーディオの忠実度ではなく安定して信頼できる通信である場合に理想的です。たとえば、法執行機関や緊急サービスでは、NBFMは、建物やトンネルなどの多くの物理的障壁がある都市部でさえ、安定性を保証します。狭い帯域幅により、より多くのチャネルが限られたスペクトル内で共存することもでき、コミュニケーションの明確さを維持するためにチャネル割り当てとスペクトル利用を慎重に管理する必要があります。

周波数復調プロセス

図2：周波数復調

周波数復調は無線通信に実装されており、元の信号が周波数調整キャリアの波から正確に取得されるようにします。このプロセスは、着信信号の周波数v ariatイオンを対応する振幅v ariatイオンに変換し、オーディオであろうとデータであろうと、さらに増幅するために元の信号をミラーリングします。FM復調装置、検出器、または判別器などのこのタスクに使用されるデバイスは、信号の忠実度を維持しながら周波数シフトを振幅変化に戻すように設計されています。復調器の選択は、精度、帯域幅効率、および特定の動作環境の必要性に依存します。技術的には、復調は、信号がアンテナによって受信され、周囲のノイズまたはチューナーを使用して近くの信号から分離されると開始されます。残留ノイズが復調精度を分解できるため、このステップが必要です。その後、分離された信号は復調器を通過し、周波数v ariatイオンは、元の信号の振幅に直接対応する電圧V ariatイオンに変換されます。

マイナーなエラーでさえデータの損失や腐敗につながる可能性があるデータ通信では、利害関係が高くなっています。復調された信号は通常、マイクロコントローラーまたはコンピューターによって処理されるデジタルインターフェイスに供給されます。金融取引や航空交通管制など、高いデータの整合性を必要とする環境は、最小限の歪みで急速な周波数の変化を処理できる復調剤に依存しています。高度なエラーチェックプロトコルとリアルタイムの監視システムが採用されることがよくあり、潜在的な問題をすぐに検出および修正し、堅牢な復調技術によりタイムリーなデータ送信を確保します。

FMモジュレーター

周波数調整（FM）信号の生成には、それぞれが特定の運用ニーズに合わせて調整されたさまざまな手法が含まれます。変調技術の選択は、通信システムのパフォーマンスと信頼性に影響します。

バラクターダイオードオシレーター：

図3：FM信号を生成するためのバラクタダイオード発振器

FM信号を生成する一般的な方法は、発振器回路内のバラクターダイオードを使用することです。バラクターダイオードの静電容量は、印加電圧で変化し、発振器の周波数を直接変化させます。この方法は、狭帯域FM（NBFM）信号を生成するのに効果的です。スペースと電源が限られているポータブル通信デバイスに最適です。ただし、このシンプルさには、限られた周波数の安定性と精度を含むトレードオフがあります。したがって、これは、高い忠実度またはワイドバンドFM（WBFM）を要求するアプリケーションにはそれほど適していません。

位相ロックループ：

図4：位相ロックループシステム

より正確な周波数変調を必要とするアプリケーションでは、多くの場合、位相ロックループ（PLL）が推奨されます。PLLは正確な周波数制御を提供し、信号の完全性が必要な環境に最適です。PLLはオシレーター周波数を入力信号にロックし、時間の経過とともに安定性を確保します。これは、マイナーな周波数偏差でさえオーディオの品質を低下させる可能性のある高忠実度ブロードキャストに理想的です。PLLベースのモジュレーターは、プロのブロードキャストステーションや航空交通制御システムなど、周波数標準に厳密に付着する必要があるシステムで使用されます。ただし、PLLSの実装は課題をもたらします。PLLループのパラメーターは、最適なパフォーマンスを確保するために慎重に管理する必要があります。たとえば、ループ帯域幅は、入力信号v ariatイオンを正確に追跡するのに十分な幅でなければなりませんが、ノイズと不要な周波数をフィルタリングするのに十分狭くなります。このバランスを達成するには、多くの場合、反復的な調整とテストが必要であり、オペレーターは特殊な機器を使用してループパラメーターをリアルタイムで測定および調整します。

利点と短所

FMの利点

周波数変調（FM）は、特に信号の明確さと信頼性を維持する上で、多くの利点を提供します。大きな利点の1つは、FMのノイズと信号強度v ariatイオンに対する回復力です。振幅変調（AM）とは異なり、ノイズは振幅を変更することで信号の品質に影響しますが、FMは周波数の変化を通じて情報をエンコードします。このアプローチにより、信号強度が特定のしきい値を超えたままであれば、FMは振幅関連の妨害の影響を受けにくくなります。この堅牢性は、レシーバーが都市部や森林などのさまざまな環境を移動するにつれて信号強度が変化する可能性があるモバイル通信では特に有利です。これらの設定では、条件が変化しているにもかかわらず、明確な通信を維持するFMの能力が理想的です。たとえば、車両通信システムでは、FMは、さまざまな信号強度のある領域を移動する場合でも、ドライバーとディスパッチセンター間の途切れのない通信を保証します。FMのノイズへの免疫は、高品質のブロードキャストにも最適であり、しばしば振幅に影響する環境ノイズを除外します。

FMのもう1つの利点は、非線形無線周波数（RF）アンプとの互換性です。FMは、より低いパワーステージでの変調を可能にし、主要な歪みなしに信号を強化する効率的な非線形アンプの使用を可能にします。この効率は、ポータブルアプリケーションで特に有益です。たとえば、フィールド担当者が使用するハンドヘルドラジオでは、より少ないパワーに飢えたアンプを使用すると、遠隔地での拡張操作中に理想的な運用時間を延長できます。

FM短所

その利点にもかかわらず、周波数変調（FM）には制限があります。主な欠点の1つは、位相変調（PM）や二次振幅変調（QAM）など、他の変調技術と比較してスペクトル効率が低いことです。FMは通常、同じデータレートを達成するためにより多くの帯域幅を必要とし、特に帯域幅が限られている環境では、データ集約型アプリケーションには適していません。

もう1つの欠点は、FM復調器に関連する複雑さとコストであり、周波数V ariatイオンを振幅変化に正確に変換する必要があります。このプロセスには、洗練された回路と精密コンポーネントが必要であるため、FMシステムはAMシステムよりも実装および維持するのに費用がかかります。さらに、FM信号は、特にワイドバンドFM（WBFM）アプリケーションで、理論的には無限に拡張され、主要な帯域幅を占めるサイドバンドを生成します。この帯域幅を管理するには、信号分解を防ぐために正確なフィルタリングが必要です。設計が不十分なフィルターは、特に複数のFM信号が近くに送信される環境で、品質の問題を信号につながる可能性があります。

FMの歴史と開発

周波数変調（FM）の導入は、静的干渉を減らし、信号の明確さを改善することを目的とした無線技術の顕著な変化を示しました。無線の初期には、静的が大きな問題であり、特に振幅変調（AM）がありました。AMシステムは、振幅でV ariatイオンを介して情報をエンコードしたため、ノイズの影響を非常に受けやすくなりました。電気嵐や送電線などの環境要因は、これらの信号を簡単に歪める可能性があります。

1928年、アメリカのエンジニアであるエドウィン・アームストロングは、帯域幅を犠牲にすることなく静的を減らす方法としてFMを探求し始めました。AMとは異なり、FMは周波数の変更を通じて情報をエンコードし、静的およびノイズに対する脆弱性を低下させます。アームストロングのアプローチは革新的であり、帯域幅を減らすことが信号品質を改善する唯一の方法であるという信念に挑戦しました。彼は、帯域幅を増やすことで、FMは挑戦的な環境でさえ、ノイズが少ないほど優れた音質を提供できることを実証しました。業界の専門家からの懐疑論にもかかわらず、アームストロングはFMの有効性を証明することを決意しました。1939年、彼はテクノロジーの利点を紹介するために彼自身のFMラジオ局を立ち上げました。ステーションは、42〜50 MHzの周波数帯域で動作し、FMの優れた音質と静的に対する抵抗を示しました。

アームストロングのステーションの成功により、FMがより広く受け入れられ、連邦通信委員会（FCC）は最終的にFMバンドを88-108 MHzに拡大し、広範な採用を促進しました。既存のFMレシーバーが時代遅れになり、メーカーが再設計し、消費者が機器をアップグレードする必要があるため、この移行には課題がないわけではありませんでした。最終的に、FMの音質、干渉抵抗、信頼性における利点は、最初の困難を上回り、高品質の放送とモバイル通信の標準として確立しました。

変調指数と偏差比

周波数変調（FM）では、変調指数と偏差比は、信号の明確性からスペクトル効率まで、システムのパフォーマンスに直接影響する価値のあるパラメーターです。

変調指数は、変調信号の周波数に対する周波数v ariatイオンを測定し、信号が狭帯域FM（NBFM）またはワイドバンドFM（WBFM）であるかどうかを決定します。WBFMが標準である専門放送では、エンジニアは、信号が指定された帯域幅内にとどまることを確認するために、変調インデックスを慎重に計算する必要があります。このプロセスには、継続的な監視と調整が含まれ、多くの場合、リアルタイムスペクトルアナライザーを使用して、オーディオフィデリティと規制帯域幅の制限の適切なバランスを維持します。

最大周波数偏差と最高の変調信号周波数の比である偏差比も大きな役割を果たします。WBFMシステムでは、優れたオーディオの品質には高い偏差比が必要ですが、歪みを防ぐために、より広いレシーバーの帯域幅と高度なフィルタリングが必要です。逆に、NBFMアプリケーションでは、偏差率が低いため、チャネル間隔を狭くすることができ、スペクトルをより効率的に使用します。これは、緊急サービスなどの通信システムで現実的です。正しい変調指数と偏差比を設定して維持することは、微妙なタスクです。航空交通管制などのハイステークス環境では、技術者は干渉を回避し、明確なコミュニケーションを確保するために、これらのパラメーターを完全に調整していることを確認する必要があります。

周波数変調帯域幅

図5：FM帯域幅

FM帯域幅は、通信システムの品質と効率の両方に影響を与えるコア要因です。これは主に、周波数偏差と変調信号の周波数によって決定され、キャリアの両側にサイドバンドが作成されます。理論上、これらのサイドバンドは無限に拡張されますが、その強度はキャリアからさらに減少し、エンジニアは品質を損なうことなく帯域幅を制限できます。忠実度の高いオーディオブロードキャストでは、FMのワイド帯域幅は優れた音質をサポートし、音楽とスピーチの区別を捉えています。ブロードキャストエンジニアは、音質とスペクトル割り当てのバランスをとる必要があり、各チャネルが隣接する周波数を妨げることなく帯域幅内で動作するようにします。

逆に、帯域幅を節約するために、狭帯域FM（NBFM）が双方向の無線通信で使用されます。ここで、目標は、限られたスペクトルの複数のチャネル間の明確な通信です。NBFMの帯域幅の削減により、緊急サービスアプリケーション用のチャネル間隔が狭くなります。効果的なFM帯域幅管理は、特に多くのラジオ局を備えた人口密度の高い地域で理想的です。エンジニアは、高度なフィルタリングと動的スペクトル管理を使用して、信号の重複を防ぎ、明確な送信を維持するために、帯域幅を細心の注意を払って制御する必要があります。

周波数変調の適用

周波数変調（FM）は、ノイズの免疫と信号の明確さのために、さまざまなフィールドで広く使用されています。ここにいくつかの主要なアプリケーションがあります：

•ラジオ放送：FMは、音楽とスピーチの放送の標準であり、干渉を最小限に抑えながら忠実度の高いサウンドを提供します。ブロードキャストエンジニアは、FM送信機を継続的に調整して、特に都市部でのオーディオ品質と帯域幅の効率のバランスをとる必要があります。

•レーダーシステム：FMは、レーダーの信号の明確さを強化し、正確な検出と追跡に最適です。オペレーターは、航空交通管制や軍事監視などの用途で理想的なレーダー解像度と範囲を最適化するために、周波数偏差パラメーターを微調整する必要があります。

•地震の調査：FMは、地下の地層を探索するために使用され、石油やガスなどの産業に詳細なデータを提供します。FM変調信号の明確性は、地下構造を正確にマッピングするために必要であり、費用のかかる掘削エラーのリスクを減らします。

•脳波（EEG）：医療診断では、FMはEEGテストでの脳活動シグナルの正確な伝播を保証します。技術者は、歪みを避けるためにFMパラメーターを慎重に管理し、てんかんや脳損傷などの状態の正確な測定値を確保する必要があります。

FMとAMの違い

側面	周波数変調（FM）	振幅変調（AM）
音質	より少ない優れた音質 ノイズに対する感受性。	一般に、音質が低くなります ノイズと干渉に対する感受性。
システムコスト	の複雑さにより、よりコストがかかります 変調と復調プロセス。	通常、実装するのに安価です より単純な変調と復調回路のため。
トランスミッション範囲	物理的な障害によってブロックされる可能性があります、 有効範囲を制限します。	より長い距離にわたって送信することができます、 長距離通信に最適です。
電力効率	より電力効率が高く、ポータブルに最適です バッテリー操作デバイス。	電力効率が低く、より多くが必要です 特に長距離にわたる効果的な信号伝達のためのエネルギー。
ブロードキャスト範囲	より長い効果的なブロードキャスト範囲 特に見通しの条件で、高忠実度のオーディオを維持します。	高品質のためのより短いブロードキャスト範囲 オーディオ;多くの場合、拡張カバレッジのためにリピーターまたはリレーが必要です。
変調技術	キャリアの周波数を調節します 信号、より良い騒音免疫を提供します。	キャリアの振幅を調節します シグナル、振幅関連のノイズの影響を受けやすくなり、 干渉。
復調の複雑さ	より複雑で、洗練されたものが必要です 正確な信号の繁殖のためのテクノロジー。	比較的簡単で、シンプルです 信号復調に十分な回路。

結論

通信技術の進化し続ける状況では、周波数変調は回復力のある方法として際立っており、さまざまなプラットフォームで明確さと信頼性を確保しています。FM復調に必要な精度から、変調技術の選択に伴う戦略的選択まで、高品質のオーディオ、安全なデータ送信、無線スペクトルの効率的な使用を提供する際にFMの役割が必要です。ラジオブロードキャストから緊急サービスまで、FMに依存し続けているため、その複雑さを理解することは、このテクノロジーの評価を高めるだけでなく、ますます接続されている世界での使用を最適化するようになります。