주파수 변조가 설명되었습니다
2024-09-03 3438

주파수 변조 (FM)는 무선 통신의 환경을 변화시킨 기술로, 비교할 수없는 사운드 선명도와 간섭에 대한 탄력성을 제공합니다.FM은 현대 통신 시스템에서 방송의 초기 채택에서 현대 커뮤니케이션 시스템에서 주요 역할에 이르기까지 우리가 정보를 전송하고받는 방법의 초석이되었습니다.이 기사는 주파수 변조의 복잡한 작업, 핵심 원칙, 실제 응용 및이 커뮤니케이션 기술을 계속 개선하는 기술 발전을 탐구합니다.고 충실도 오디오 방송 또는 신뢰할 수있는 비상 통신에서 FM의 중요성은 다양한 도메인에서 일관된 신호를 제공하는 데 타의 추종을 불허합니다.

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그림 1 : 주파수 변조 및 FM 라디오

주파수 변조 (FM) 란 무엇입니까?

주파수 변조 (FM)는 방사선 통신에서 핵심 기술이며, 오디오 또는 데이터 일 수있는 들어오는 신호의 진폭에 따라 캐리어 웨이브의 주파수가 조정됩니다.이 프로세스는 변조 신호의 진폭과 캐리어 웨이브의 주파수 변화 사이의 직접적인 관계를 만듭니다.편차라고하는 이러한 변화는 Kilohertz (KHZ)에서 측정됩니다.예를 들어, ± 3 kHz의 편차는 캐리어 주파수가 중심점 위와 아래에서 3kHz를 이동하여 이러한 교대 내에서 정보를 인코딩한다는 것을 의미합니다.편차를 이해하는 것은 FM, 특히 매우 높은 주파수 (VHF) 방송에서 효과적으로 사용하는 솔루션이며, 여기서 주파수는 88.5 ~ 108MHz입니다.여기서는 ± 75 kHz와 같은 큰 편차가 넓은 대역 FM (WBFM)을 생성하는 데 사용됩니다.이 방법은 고 충실도 오디오를 전송하기위한 것이며, 일반적으로 채널 당 약 200 kHz의 상당한 대역폭이 필요합니다.혼잡 한 도시 지역에서는 채널 간의 간섭을 피하기 위해이 대역폭을 관리해야합니다.

대조적으로, 좁은 대역 FM (NBFM)은 모바일 무선 통신에서와 같이 대역폭이 제한 될 때 사용됩니다.NBFM은 약 ± 3 kHz의 더 작은 편차와 함께 작동하며 때로는 10kHz만큼 좁은 대역폭 내에서 작동 할 수 있습니다.이 접근법은 우선 순위가 높은 오디오 충실도보다는 안정적이고 신뢰할 수있는 커뮤니케이션 일 때 이상적입니다.예를 들어, 법 집행 또는 응급 서비스에서 NBFM은 건물 및 터널과 같은 많은 물리적 장벽을 가진 도시 환경에서도 안정성을 보장합니다.더 좁은 대역폭을 사용하면 더 많은 채널이 제한된 스펙트럼 내에서 공존 할 수 있으므로 통신 명확성을 유지하기 위해 채널 할당 및 스펙트럼 활용을 신중하게 관리해야합니다.

주파수 복조 프로세스

그림 2 : 주파수 복조

주파수 복조는 무선 통신에서 구현되어 주파수 변조 된 캐리어 웨이브에서 원래 신호가 정확하게 검색되도록합니다.이 프로세스는 들어오는 신호의 주파수 v ariat 이온을 상응하는 진폭 v ariat 이온으로 변환하여 오디오 또는 데이터 여부에 관계없이 원래 신호를 반영하여 추가 증폭.FM 복조기, 검출기 또는 판별기와 같은이 작업에 사용되는 장치는 신호 충실도를 유지하면서 주파수 이동을 진폭 변화로 다시 변환하도록 설계되었습니다.복조기의 선택은 정밀, 대역폭 효율 및 특정 운영 환경의 필요성에 따라 다릅니다.기술적으로, 탈조는 안테나에 의해 신호를 수신하고 튜너를 사용하여 주변 노이즈 또는 근처 신호에서 분리 될 때 시작됩니다.이 단계는 잔류 노이즈가 복조 정확도를 저하시킬 수 있으므로 필요합니다.그런 다음 분리 된 신호는 복조기를 통과하며, 여기서 주파수 v ariat 이온은 원래 신호의 진폭에 직접 일치하는 전압 v ariat 이온으로 변환됩니다.

사소한 오류조차도 데이터 손실이나 손상으로 이어질 수있는 데이터 통신에서는 스테이크가 더 높습니다.복조 된 신호는 일반적으로 디지털 인터페이스로 공급되며, 여기서 마이크로 컨트롤러 또는 컴퓨터에 의해 처리됩니다.금융 거래 또는 항공 교통 관제와 같은 높은 데이터 무결성이 필요한 환경은 최소한의 왜곡으로 빠른 주파수 변화를 처리 할 수있는 탈체기에 의존합니다.고급 오류 확인 프로토콜 및 실시간 모니터링 시스템은 종종 잠재적 인 문제를 즉시 감지하고 수정하기 위해 사용되므로 강력한 복조 기술이시기 적절한 데이터 전송을 보장합니다.

FM 변조기

주파수 변조 (FM) 신호를 생성하려면 특정 운영 요구에 맞는 다양한 기술이 포함됩니다.변조 기술의 선택은 통신 시스템의 성능과 신뢰성에 영향을 미칩니다.

Varactor 다이오드 오실레이터 :

그림 3 : FM 신호 생성을위한 Varactor Diode Oscillator

FM 신호를 생성하는 일반적인 방법은 발진기 회로 내에서 Varactor 다이오드를 사용하는 것입니다.Varactor Diode의 커패시턴스는 가해진 전압으로 변화하여 발진기 주파수를 직접 변경합니다.이 방법은 좁은 대역 FM (NBFM) 신호를 생성하는 데 효과적입니다.공간과 전력이 제한되는 휴대용 통신 장치에 이상적입니다.그러나이 단순성에는 제한된 주파수 안정성 및 정밀도를 포함한 트레이드 오프가 있습니다.따라서 이는 높은 충실도 또는 넓은 대역 FM (WBFM)을 요구하는 응용 분야에 적합합니다.

위상 잠금 루프 :

그림 4 : 위상 잠금 루프 시스템

보다 정확한 주파수 변조가 필요한 응용의 경우, 위상 잠금 루프 (PLL)가 종종 선호됩니다.PLL은 정확한 주파수 제어를 제공하므로 신호 무결성이 필요한 환경에 이상적입니다.PLL은 발진기 주파수를 입력 신호에 잠그고 시간이 지남에 따라 안정성을 보장하며, 사소한 주파수 편차조차 오디오 품질을 저하시킬 수있는 고 충실도 방송에 이상적입니다.PLL 기반 변조기는 전문 방송 스테이션 또는 항공 교통 관제 시스템과 같은 주파수 표준을 엄격하게 준수 해야하는 시스템에서 사용됩니다.그러나 PLL을 구현하는 것은 어려운 일입니다.최적의 성능을 보장하기 위해 PLL 루프의 매개 변수를 신중하게 관리해야합니다.예를 들어, 루프 대역폭은 입력 신호 v ariat 이온을 정확하게 추적 할 수있을 정도로 넓어 야하지만 노이즈와 원치 않는 주파수를 걸러 내기에 충분히 좁아야합니다.이 균형을 달성하려면 종종 반복 튜닝 및 테스트가 필요하며, 운영자는 전문 장비를 사용하여 루프 매개 변수를 실시간으로 측정하고 조정해야합니다.

장점과 단점

FM 장점

주파수 변조 (FM)는 특히 신호 선명도 및 신뢰성을 유지하는 데 많은 장점을 제공합니다.주요 이점 중 하나는 노이즈 및 신호 강도 v ariat 이온에 대한 FM의 탄력성입니다.FM은 진폭을 변경하여 노이즈가 신호 품질에 영향을 미치는 진폭 변조 (AM)와 달리 주파수 변경을 통해 정보를 인코딩합니다.이 접근법은 신호 강도가 특정 임계 값보다 높으면 FM이 진폭 관련 교란에 덜 취약하게 만듭니다.이 견고성은 특히 수신기가 도시 지역이나 산림과 같은 다른 환경을 통해 이동함에 따라 신호 강도가 변할 수있는 이동 통신에서 특히 유리합니다.변화하는 조건에도 불구하고 명확한 의사 소통을 유지하는 FM의 능력은 이러한 환경에서 이상적입니다.예를 들어, 차량 통신 시스템에서 FM은 다양한 신호 강도를 가진 영역을 이동할 때에도 드라이버와 디스패치 센터 간의 중단없는 통신을 보장합니다.FM의 소음에 대한 면역은 또한 고품질 방송에 완벽하여 종종 진폭에 영향을 미치는 환경 소음을 걸러냅니다.

FM의 또 다른 장점은 비선형 무선 주파수 (RF) 앰프와의 호환성입니다.FM은 낮은 전력 단계에서 변조를 허용하여 주요 왜곡없이 신호를 향상시키는 효율적인 비선형 증폭기를 사용할 수 있습니다.이 효율성은 특히 휴대용 응용 분야에서 유리합니다.예를 들어, 현장 직원이 사용하는 핸드 헬드 라디오에서는 전력이 높은 앰프를 사용하면 원격 위치에서 확장 된 작업 중에 이상적인 전력 공장 증폭기를 사용하면 작업 시간을 연장 할 수 있습니다.

FM 단점

장점에도 불구하고 주파수 변조 (FM)에는 한계가 있습니다.1 차 단점 중 하나는 위상 변조 (PM) 및 QAM (Quartration Amplitude 변조)과 같은 다른 변조 기술과 비교하여 스펙트럼 효율이 낮습니다.FM은 일반적으로 동일한 데이터 속도를 달성하기 위해 더 많은 대역폭이 필요하므로 특히 대역폭이 제한된 환경에서 데이터 집약적 인 응용 프로그램에 적합하지 않습니다.

또 다른 단점은 FM 복조제와 관련된 복잡성과 비용으로, 주파수 v ariat 이온을 진폭 변화로 정확하게 변환해야합니다.이 프로세스에는 정교한 회로 및 정밀 구성 요소가 필요하므로 FM 시스템이 AM 시스템보다 구현 및 유지 관리하는 데 더 비싸게됩니다.또한, FM 신호는 이론적으로 무한대 확장되어 주요 대역폭, 특히 WBFM (Wide Band and FM) 응용 프로그램을 차지하는 측반을 생성합니다.이 대역폭을 관리하려면 신호 저하를 방지하기 위해 정확한 필터링이 필요합니다.제대로 설계되지 않은 필터는 신호 품질 문제, 특히 여러 FM 신호가 함께 가깝게 전송되는 환경에서 신호 품질 문제로 이어질 수 있습니다.

FM 역사 및 개발

주파수 변조 (FM)의 도입은 정적 간섭을 줄이고 신호 선명도를 향상시키는 것을 목표로 무선 기술의 뛰어난 변화를 나타 냈습니다.라디오 초기에 정적은 특히 진폭 변조 (AM)의 주요 문제였습니다.AM 시스템은 진폭의 variat 이온을 통해 정보를 인코딩하기 때문에 노이즈에 매우 취약했습니다.전기 폭풍 및 전력선과 같은 환경 적 요인은 이러한 신호를 쉽게 왜곡 할 수 있습니다.

1928 년 미국 엔지니어 인 Edwin Armstrong은 대역폭을 희생하지 않고 정적을 줄이는 방법으로 FM을 탐색하기 시작했습니다.AM과 달리 FM은 주파수 변경을 통해 정보를 인코딩하여 정적 및 노이즈에 덜 취약합니다.암스트롱의 접근 방식은 혁명적이었으며, 대역폭을 줄이는 것이 신호 품질을 향상시키는 유일한 방법이라는 믿음에 도전했습니다.그는 대역폭을 증가시킴으로써 FM은 도전적인 환경에서도 소음이 적은 우수한 음질을 제공 할 수 있음을 보여 주었다.업계 전문가의 회의론에도 불구하고 암스트롱은 FM의 효과를 증명하기로 결정했습니다.1939 년에 그는 자신의 FM 라디오 방송국을 시작하여 기술의 장점을 선보였습니다.스테이션은 42 ~ 50 MHz 사이의 주파수 대역에서 작동하여 FM의 우수한 음질과 정적에 대한 저항을 보여줍니다.

암스트롱 스테이션의 성공으로 인해 FM의 광범위한 수용이 발생했으며 FCC (Federal Communications Commission)는 결국 FM 대역을 88-108 MHz로 확장하여 광범위한 채택을 촉진했습니다.기존 FM 수신기가 쓸모 없게되면서 제조업체가 재 설계하고 소비자가 장비를 업그레이드하도록 요구했기 때문에 이러한 전환은 어려움이 없었습니다.궁극적으로, 음질, 간섭 저항 및 신뢰성에서 FM의 장점은 초기 어려움을 능가하여 고품질 방송 및 모바일 커뮤니케이션의 표준으로 설정했습니다.

변조 지수 및 편차 비율

주파수 변조 (FM)에서, 변조 지수 및 편차 비율은 신호 선명도에서 스펙트럼 효율에 이르기까지 시스템 성능에 직접 영향을 미치는 매개 변수입니다.

변조 지수는 신호가 좁은 대역 FM (NBFM)인지 와이드 밴드 FM (WBFM)인지 여부를 결정하여 변조 신호 주파수에 대한 주파수 v ariat 이온을 측정합니다.WBFM이 표준 인 전문 방송에서 엔지니어는 신호가 지정된 대역폭 내에 유지되도록 변조 지수를 신중하게 계산해야합니다.이 프로세스에는 지속적인 모니터링 및 조정이 포함되며, 종종 실시간 스펙트럼 분석기를 사용하여 오디오 충실도와 규제 대역폭 한계 간의 올바른 균형을 유지합니다.

가장 높은 변조 신호 주파수에 대한 최대 주파수 편차의 비율 인 편차 비율도 중요한 역할을합니다.WBFM 시스템에서 우수한 오디오 품질에는 높은 편차 비율이 필요하지만 광범위한 수신기 대역폭과 왜곡을 방지하기 위해 고급 필터링을 요구합니다.반대로 NBFM 응용 분야에서 편차 비율이 낮을수록 채널 간격이 더 엄격 해져 스펙트럼을보다 효율적으로 사용할 수 있습니다.올바른 변조 지수 및 편차 비율을 설정하고 유지하는 것은 섬세한 작업입니다.항공 교통 관제와 같은 고분비 환경에서 기술자는 이러한 매개 변수가 간섭을 피하고 명확한 커뮤니케이션을 보장하기 위해 완벽하게 조정되어야합니다.

주파수 변조 대역폭

그림 5 : FM 대역폭

FM 대역폭은 통신 시스템의 품질과 효율성에 영향을 미치는 핵심 요소입니다.주로 주파수 편차와 변조 신호 주파수에 의해 결정되며, 캐리어의 양쪽에 측반이 생성됩니다.이러한 측반은 이론적으로 무한히 연장되지만, 강도는 캐리어로부터 더 감소하여 엔지니어는 품질을 손상시키지 않고 대역폭을 제한 할 수있게합니다.고 충실도 오디오 방송에서 FM의 와이드 대역폭은 우수한 음질을 지원하여 음악과 연설의 구별을 포착합니다.방송 엔지니어는 스펙트럼 할당과 음질의 균형을 유지해야하며, 각 채널은 인접한 주파수를 방해하지 않고 대역폭 내에서 작동하도록해야합니다.

반대로, 좁은 대역 FM (NBFM)은 양방향 무선 통신에 사용되어 대역폭을 보존합니다.여기서 목표는 제한된 스펙트럼의 여러 채널에서 명확한 통신입니다.NBFM의 대역폭 감소는 응급 서비스 응용 프로그램을위한 더 엄격한 채널 간격을 허용합니다.효과적인 FM 대역폭 관리는 특히 많은 라디오 방송국이있는 밀도가 높은 지역에서 이상적입니다.엔지니어는 종종 고급 필터링 및 동적 스펙트럼 관리를 사용하여 신호 중첩을 방지하고 명확한 전송을 유지하기 위해 세 심하게 대역폭을 제어해야합니다.

주파수 변조의 적용

주파수 변조 (FM)는 노이즈 면역 및 신호 선명도로 인해 다양한 필드에서 널리 사용됩니다.몇 가지 주요 응용 프로그램은 다음과 같습니다.

• 라디오 방송 : FM은 음악 및 연설의 표준으로 최소한의 간섭으로 고 충실한 사운드를 제공합니다.방송 엔지니어는 특히 스펙트럼 사용이 많은 도시 지역에서 오디오 품질 및 대역폭 효율성의 균형을 유지하기 위해 FM 송신기를 지속적으로 교정해야합니다.

• 레이더 시스템 : FM은 레이더의 신호 선명도를 향상시켜 정확한 탐지 및 추적에 적합합니다.운영자는 항공 교통 관제 및 군사 감시와 같은 응용 프로그램에 이상적인 레이더 해상도 및 범위를 최적화하기 위해 주파수 편차 매개 변수를 미세 조정해야합니다.

• 지진 전망 : FM은 지하 지질 형성을 탐색하는 데 사용되어 석유 및 가스와 같은 산업에 대한 자세한 데이터를 제공합니다.지하 구조를 정확하게 매핑하려면 FM 변조 신호의 명확성이 필요하여 비용이 많이 드는 시추 오류의 위험을 줄입니다.

• electroencephalography (EEG) : 의료 진단에서 FM은 EEG 테스트에서 뇌 활동 신호의 정확한 전염을 보장합니다.기술자는 왜곡을 피하기 위해 FM 매개 변수를 신중하게 관리하여 간질 및 뇌 손상과 같은 조건에 대한 정확한 판독 값을 보장해야합니다.

FM과 AM의 차이

측면	주파수 변조 (FM)	진폭 변조 (AM)
음질	적은 우수한 음질 소음에 대한 감수성.	일반적으로 음질이 낮아집니다 소음 및 간섭에 대한 감수성.
시스템 비용	복잡성으로 인해 더 많은 비용이 듭니다 변조 및 복조 프로세스.	일반적으로 구현 비용이 저렴합니다 더 간단한 변조 및 복조 회로로 인해.
전송 범위	물리적 장애물에 의해 차단 될 수 있습니다. 유효 범위 제한.	더 먼 거리에서 전송 될 수 있으며 장거리 통신에 이상적입니다.
전력 효율성	보다 전력 효율적이며 휴대용에 이상적입니다 배터리 작동 장치.	덜 전력 효율적이며 더 필요합니다 효과적인 신호 전송, 특히 장거리에 대한 에너지.
방송 범위	더 긴 효과적인 방송 범위 특히 가시 라인 조건에서 고 충실도 오디오를 유지합니다.	고품질을위한 더 짧은 방송 범위 오디오;연장 된 범위를 위해서는 리피터 나 릴레이가 필요합니다.
변조 기술	캐리어의 주파수를 조절합니다 더 나은 소음 면역을 제공하는 신호.	캐리어의 진폭을 조절합니다 신호, 진폭 관련 노이즈에 더 취약하고 간섭.
복조 복잡성	더 복잡하고 정교해야합니다 정확한 신호 재생산 기술.	단순하고 비교적 간단합니다 신호 복조에 충분한 회로.

결론

통신 기술의 끊임없이 진화하는 환경에서 주파수 변조는 탄력적 인 방법으로 눈에 띄며 다양한 플랫폼에서 명확성과 신뢰성을 보장합니다.FM 복조에 필요한 정밀성에서 변조 기술 선택과 관련된 전략적 선택에 이르기까지 FM의 역할은 고품질 오디오, 보안 데이터 전송 및 무선 스펙트럼의 효율적인 사용을 제공하는 데 필요합니다.라디오 방송에서 응급 서비스에 이르기까지 모든 것에 대한 FM에 계속 의존함에 따라 복잡성을 이해하면이 기술에 대한 인식을 향상시킬뿐만 아니라 점점 더 연결된 세계에서의 사용을 최적화 할 수 있습니다.