Rádio a televize: Vysílání     Amplitudová modulace      Zmenšení šířky pásma AM    Metody AM a demodulace     Odstranění nevýhod AM      Frekvenční modulace     Odvození šířky pásma FM     Poměr signál-šum     Metody FM a demodulace     Impulsní modulace     VCO     Rozhlasový příjem     Schéma rozhl. přijímače     Stereo     Televizní příjem a televizor


Odvození vztahu pro šířku pásma FM

Jednou ze základních charakteristik způsobu modulace je šířka pásma, kterou zabírá modulovaný signál, tedy amplitudy komponent Fourierova rozvoje modulovaného signálu. Stanovme si je pro případ, kdy nosnou vlnu o kmitočtu wN modulujeme frekvenčně jediným harmonickým signálem o frekvenci w. Znamená to, že naše modulační napětí vm(t) má tvar

vm(t)=VM cos(wM t).

Vztah pro proud modulované vlny je i(t) =  icos(F (t)). Okamžitý kmitočet i se definuje jako = d(t)/dt. Tato definice odpovídá pro harmonický průběh tomu, co rozumíme kmitočtem harmonického průběhu. Je-li totiž F (t) lineární funkcí času, (t) =wt, pak okamžitý kmitočet je roven skutečnému kmitočtu nosné vlny, wN. Při frekvenční modulaci měníme okamžitý kmitočet úměrně modulačnímu signálu vm, wN+kmvm(t), kde km je konstanta úměrnosti. 

Dosazením do vztahu pro wi dostáváme

i=dF (t)/dt=wt+kmVM cos(wt).

Vypočítáme-li z toho F (t) a položíme-li integrační konstantu rovnou nule (integrační konstanta znamená konstantní posun fáze nosné vlny a nemá proto vliv na její frekvenční spektrum), dostaneme

F (t)=wt+(kmV/w)sin(wt)

a tedy průběh proudu nosné vlny potom bude

i(t) = icos(F (t)) =
 = icos(wt+(kmV/w)sin(w
t)).

Veličině kmV/wM se říká index frekvenční modulace a označuje se mf. S použitím pojmu indexu frekvenční modulace bude tedy vztah pro proud nosné vlny vypadat takto:

i(t)=i0 cos(wt+mf sin(wt)).

V argumentu cosinu je součet dvou členů a můžeme proto použít vzorce

cos(x+y)=cos(x).cos(y)-sin(x).sin(y).

Dostaneme pro i(t):

i(t)=i[cos(wt)cos(msin(wt))-sin(wt)sin(msin(wt))].

Abychom mohli pokročit dále, musíme si uvést trigonometrické identity, pomocí nichž lze vyjádřit cos(m fsin(wt)) a sin(msin(wt)). Jsou to tyto identity:

cos(msin(wt))=J0(m)+2J2(m)cos(2wt)+2J4(m)cos(4wt)+...

sin(msin(wt))=2J1(m)sin(wt)+2J3(m)sin(3wt)+2J5(m)sin(5wt)+...

Zde jsme symboly J0(m), J1(m), J2(m),...,Jk(m),... označili Besselovy funkce prvního druhu a k-tého řádu. Definice těchto funkcí není pro nás podstatná, jen je důležité si uvědomit, že veličiny J0(m), J1(m),... reprezentují číselné hodnoty v intervalu cca <-0.4,+1>. Jediná funkce J0(m) je pro hodnotu m= 0 rovna jedné, pro všechna ostatní k tyto Besselovy funkce mají pro m= 0 hodnotu 0. Je-li tedy amplituda našeho modulačního signálu VM rovna nule, je roven nule i index frekvenční modulace a průběh nosné vlny je harmonický s frekvencí wN. Dosadíme-li tyto identity do vztahu

i(t) = i[cos(wN t)cos(msin(wt))-sin(wt)sin(msin(wt))],

a vyjádříme-li součin harmonických funkcí

cos(x)cos(y) jako (1/2)[cos(x+y) +cos(x-y)]

a podobně pro součin sinů, dostaneme následující výraz:

i(t) = i{J0(m)cos(wt) +

+ J1(m)[cos((ww)t) - cos((wN  - w)t)] +

+ J2(m)[cos((w+ 2w)t)+cos((wN  - 2w)t)] +

+ J3(m)[cos((w+ 3w)t)-cos((wN  - 3w)t)] +

+ J4(m)[cos((w+ 4w)t)+cos((wN  - 4w)t)] +...}.

Zatímco jsme tedy v případě amplitudově modulovaného signálu měli ve spektru jen kmitočet nosné a dva postranní kmitočty wN  wM a wwM, máme v případě kmitočtové modulace harmonickým signálem o kmitočtu wM ve spektru kmitočtově modulované nosné vlny kmitočet nosné a nekonečně mnoho postranních kmitočtů, wN  - w, wN  - 2wM , wN  - 3w, wN  - 4w,... a ww, w+ 2w, w+ 3w, w+ 4w,... Teoreticky je proto šířka pásma frekvenčně modulovaného signálu nekonečně veliká. V praxi však se ukazuje, že když je index frekvenční modulace malý, m< 1, je významný jen člen s J0 a J1, tedy člen obsahující kmitočet nosné a první pár postranních kmitočtů; ostatní členy s Jk pro = 2,3,4,... je možno zanedbat. Pro m> 1 je možné ukázat, že podstatné budou jen členy do indexu k = [m]+1 (hranaté závorky označují, jak je obvyklé, celou část čísla), členy s vyššími indexy bude opět možné zanedbat. Protože uvedený vzorec se dá aplikovat i na případ mf < 1 (pro mf < 1 je [m]=0), můžeme obecně napsat, že šířka pásma B potřebná pro přenos informace s maximálním kmitočtem fMmax frekvenční modulací s indexem frekvenční modulace mf je rovna B=2([m]+1)fM, max. Vzhledem k tomu, že při modulaci obecně měníme jak amplitudu modulačního signálu VM, tak i jeho kmitočet wM, měníme tím index frekvenční modulace a tím i amplitudu jednotlivých frekvenčních složek Fourierova rozvoje signálu nosné vlny. Při frekvenční modulaci se tedy obecně mění i amplituda nosné vlny. Při příjmu FM signálu však využíváme jen faktu, že přenášená informace je obsažena ve změnách okamžitého kmitočtu nosné vlny, na amplitudě signálu nezáleží.


Verze pro tisk