Modulação de frequência

Um sinal pode ser transportado por uma onda de rádio AM ou FM.

FM tem melhor rejeição de ruído (RFI) do que AM, como mostrado nesta dramática demonstração de publicidade de Nova York pela General Electric em 1940. O rádio tem receptores AM e FM. Com um arco elétrico de milhões de volts como fonte de interferência por trás dele, o receptor AM produziu apenas um rugido de estática, enquanto o receptor FM reproduziu claramente um programa de música do transmissor experimental de FM de Armstrong W2XMN em Nova Jersey.

Modulação de frequência (FM) é a codificação de informações em uma onda portadora variando a frequência instantânea da onda. A tecnologia é usada em telecomunicações, radiodifusão, processamento de sinal e computação.

Na modulação de frequência analógica, como a transmissão de rádio, de um sinal de áudio representando voz ou música, o desvio de frequência instantâneo, ou seja, a diferença entre a frequência da portadora e sua frequência central, tem uma relação funcional com a amplitude do sinal modulante.

Os dados digitais podem ser codificados e transmitidos com um tipo de modulação de frequência conhecido como chaveamento por deslocamento de frequência (FSK), no qual a frequência instantânea da portadora é deslocada entre um conjunto de frequências. As frequências podem representar dígitos, como '0' e '1'. O FSK é amplamente usado em modems de computador, como modems de fax, sistemas de identificação de chamadas telefônicas, abridores de portas de garagem e outras transmissões de baixa frequência. Radioteletipo também usa FSK.

A modulação de frequência é amplamente usada para transmissão de rádio FM. Também é usado em telemetria, radar, prospecção sísmica e monitoramento de recém-nascidos para convulsões via EEG, sistemas de rádio bidirecional, síntese de som, sistemas de gravação de fita magnética e alguns sistemas de transmissão de vídeo. Na transmissão de rádio, uma vantagem da modulação de frequência é que ela tem uma relação sinal-ruído maior e, portanto, rejeita a interferência de frequência de rádio melhor do que um sinal de modulação de amplitude de potência igual (AM). Por esse motivo, a maioria das músicas é transmitida por rádio FM.

No entanto, sob condições de multipercurso severas o suficiente, ele funciona muito pior do que o AM, com artefatos distintos de ruído de alta frequência que são audíveis com volumes mais baixos e tons menos complexos. Com volume alto o suficiente e desvio de portadora, começa a ocorrer distorção de áudio que, de outra forma, não estaria presente sem multipercurso ou com um sinal AM.

Modulação de frequência e modulação de fase são os dois principais métodos complementares de modulação de ângulo; a modulação de fase é freqüentemente usada como uma etapa intermediária para alcançar a modulação de frequência. Esses métodos contrastam com a modulação de amplitude, na qual a amplitude da onda portadora varia, enquanto a frequência e a fase permanecem constantes.

Teoria

Se a informação a ser transmitida (ou seja, o sinal de banda-base) é xm())(t)} e a transportadora sinusoidal é xc())= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Ace⁡ ⁡ (2D D fc)){displaystyle x_{c}(t)=A_{c}cos(2pi f_{c}t),}, onde f_c é a frequência de base da transportadora, e A_c é a amplitude do transportador, o modulador combina o portador com o sinal de dados da banda-base para obter o sinal transmitido:

Sim.())= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Ace⁡ ⁡ (2D D ∫ ∫ 0)f(? ? )D? ? )= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Ace⁡ ⁡ (2D D ∫ ∫ 0)Não.fc+f? ? xm(? ? )]D? ? )= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Ace⁡ ⁡ (2D D fc)+2D D f? ? ∫ ∫ 0)xm(? ? )D? ? ){displaystyle {begin{aligned}y(t)&=A_{c}cos left(2pi int _{0}^{t}f(tau)dtau right)&=A_{c}cos left(2pi int _{0}^{t}left[f_{c}+f_{ Delta }x_{m}(tau)right]dtau right)&=A_{c}cos left(2pi f_{c}t+2pi f_{Delta }int _{0}^{t}x_{m}(tau)dtau right)\end{aligned}}}

Onde? f? ? = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =KKfAmNão. Não. }=K_{f}A_{m}}, KKfNão. K_{f}} ser a sensibilidade do modulador de frequência e AmNão. A_{m}} ser a amplitude do sinal de modulação ou sinal de banda base.

Nesta equação, f(? ? ){displaystyle f(tau),} é o frequência instantânea do oscilador e f? ? Não. f_{Delta },} é o desvio de frequência, que representa a mudança máxima longe de f_c em uma direção, assumindo x_m()) é limitado ao intervalo ±1.

Embora a maior parte da energia do sinal esteja contida em f_c ± f_Δ, ela pode ser mostrado pela análise de Fourier que uma faixa mais ampla de frequências é necessária para representar com precisão um sinal de FM. O espectro de frequência de um sinal FM real tem componentes que se estendem infinitamente, embora suas amplitudes diminuam e os componentes de ordem superior sejam frequentemente negligenciados em problemas práticos de projeto.

Sinal de banda base senoidal

Matematicamente, um sinal de modulação de banda base pode ser aproximado por um sinal de onda contínua senoidal com uma frequência f_m. Este método também é chamado de modulação de tom único. A integral de tal sinal é:

∫ ∫ 0)xm(? ? )D? ? = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =pecado⁡ ⁡ (2D D fm))2D D fm{displaystyle int _{0}^{t}x_{m}(tau)dtau ={frac {sin left(2pi f_{m}tright)}{2pi f_{m}}},}

Nesse caso, a expressão para y(t) acima é simplificada para:

Sim.())= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Ace⁡ ⁡ (2D D fc)+f? ? fmpecado⁡ ⁡ (2D D fm))){displaystyle y(t)=A_{c}cos left(2pi) f_{c}t+{frac Não. Delta }}{f_{m}}}sin left(2pi f_{m}tright)right,}

onde a amplitude AmNão. A_{m},} do sinusoid modulando é representado no desvio de pico f? ? = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =KKfAmNão. Não. }=K_{f}A_{m}} (ver desvio de frequência).

A distribuição harmônica de uma portadora de onda senoidal modulada por tal sinal senoidal pode ser representada com funções de Bessel; isso fornece a base para uma compreensão matemática da modulação de frequência no domínio da frequência.

Índice de modulação

Como em outros sistemas de modulação, o índice de modulação indica quanto a variável modulada varia em torno de seu nível não modulado. Refere-se a variações na frequência portadora:

h= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? ffm= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =f? ? |xm())|fm- Sim. Delta {}f}{f_{m}}}={frac {f_{Delta }left|x_{m}(t)right|}{f_{m}}}}

Onde? fmNão. f_{m},} é o componente de maior frequência presente no sinal de modulação x_m()), e ? ? f{displaystyle Delta {}f,} é a devida frequência de pico – ou seja, o desvio máximo frequência instantânea da frequência da transportadora. Para uma modulação de onda sine, o índice de modulação é visto como a razão do desvio de frequência de pico da onda transportadora para a frequência da onda de seno modulante.

Se h≪ ≪ 1{displaystyle hll 1}, a modulação é chamada banda estreita FM (NFM), e sua largura de banda é aproximadamente 2fmNão. 2f_{m},}. Às vezes índice de modulação <math alttext="{displaystyle hh<0- Sim.<img alt="{displaystyle hé considerado como NFM, de outra forma banda larga FM (WFM ou FM).

Para sistemas de modulação digital, por exemplo chaveamento de deslocamento de frequência binária (BFSK), onde um sinal binário modula a portadora, o índice de modulação é dado por:

h= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? ffm= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? f12TS= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2? ? fTS- Sim. Delta {}f}{f_{m}}}={frac - Sim. {1}{2T_{s}}=2Delta {}fT_{s} }

Onde? TSNão. T_{s},} é o período de símbolo, e fm= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =12TSNão. f_{m} = {1}{2T_{s}}},} é usado como a mais alta frequência da forma de onda binária modulando por convenção, embora seja mais preciso dizer que é o mais alto fundamental da forma de onda binária de modulação. No caso da modulação digital, a transportadora fcNão. f_{c},} nunca é transmitido. Em vez disso, uma das duas frequências é transmitida, ou fc+? ? fNão. f_{c}+Delta {}f} ou fc- Sim. - Sim. ? ? fNão. f_{c}-Delta {}f}, dependendo do estado binário 0 ou 1 do sinal de modulação.

Se h* * 1{displaystyle hgg 1}, a modulação é chamada banda larga FM e sua largura de banda é aproximadamente 2f? ? Não. 2f_{Delta },}. Enquanto a banda larga FM usa mais largura de banda, ele pode melhorar a relação sinal-ruído significativamente; por exemplo, duplicando o valor de ? ? f{displaystyle Delta {}f,}, mantendo fmNão. f_{m}} constante, resulta em uma melhoria de oito vezes na relação sinal-ruído. (Compare isso com espectro de propagação de chirp, que usa desvios de frequência extremamente largos para alcançar ganhos de processamento comparáveis aos modos tradicionais e mais conhecidos de dispersão).

Com uma onda FM modulada por tom, se a frequência de modulação for mantida constante e o índice de modulação for aumentado, a largura de banda (não desprezível) do sinal FM aumenta, mas o espaçamento entre os espectros permanece o mesmo; alguns componentes espectrais diminuem em força enquanto outros aumentam. Se o desvio de frequência for mantido constante e a frequência de modulação aumentada, o espaçamento entre os espectros aumenta.

A modulação de frequência pode ser classificada como banda estreita se a mudança na frequência da portadora for aproximadamente a mesma que a frequência do sinal, ou como banda larga se a mudança na frequência da portadora for muito maior (índice de modulação > 1) do que a frequência do sinal. Por exemplo, FM de banda estreita (NFM) é usado para sistemas de rádio bidirecionais, como o Family Radio Service, no qual a operadora pode desviar apenas 2,5 kHz acima e abaixo da frequência central com sinais de fala de até 3,5 kHz de largura de banda. FM de banda larga é usado para transmissão FM, na qual música e fala são transmitidas com até 75 kHz de desvio da frequência central e transportam áudio com largura de banda de até 20 kHz e subportadoras de até 92 kHz.

Funções de Bessel

Espectro de frequência e cachoeira de um 146.52MHz portador, frequência modulada por um 1.000Sinusóide Hz. O índice de modulação foi ajustado para cerca de 2.4, de modo que a frequência do transportador tem pequena amplitude. Várias bandas laterais fortes são aparentes; em princípio um número infinito é produzido em FM, mas as bandas laterais de ordem superior são de magnitude negligível.

Para o caso de uma portadora modulada por uma única onda senoidal, o espectro de frequência resultante pode ser calculado usando funções de Bessel do primeiro tipo, em função do número da banda lateral e do índice de modulação. As amplitudes da portadora e banda lateral são ilustradas para diferentes índices de modulação de sinais FM. Para valores particulares do índice de modulação, a amplitude da portadora torna-se zero e toda a potência do sinal está nas bandas laterais.

Como as bandas laterais estão em ambos os lados da portadora, sua contagem é dobrada e então multiplicada pela frequência de modulação para encontrar a largura de banda. Por exemplo, um desvio de 3 kHz modulado por um tom de áudio de 2,2 kHz produz um índice de modulação de 1,36. Suponha que nos limitamos apenas às bandas laterais que têm uma amplitude relativa de pelo menos 0,01. Em seguida, examinar o gráfico mostra que esse índice de modulação produzirá três bandas laterais. Essas três bandas laterais, quando dobradas, nos fornecem (6 × 2,2 kHz) ou uma largura de banda necessária de 13,2 kHz.

Regra de Carson

Uma regra do polegar, A regra de Carson afirma que quase todos (≈98 por cento) do poder de um sinal modulado de frequência está dentro de uma largura de banda BTNão. B_{T},} de:

BT= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2(? ? f+fm)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2fm(β β +1)Não. B_{T}=2left(Delta f+f_{m}right)=2f_{m}(beta +1)}

Onde? ? ? f{displaystyle Delta f,}, como definido acima, é o desvio máximo da frequência instantânea f()){displaystyle f(t),} da frequência de portador central fc{displaystyle f_{c}}, β β - Sim. é o índice de modulação que é a proporção de desvio de frequência para maior frequência no sinal de modulação e fmNão. f_{m},}é a maior frequência no sinal de modulação. A condição para a aplicação da regra de Carson é apenas sinais sinusoidal. Para sinais não-sinusoidal:

BT= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2(? ? f+W)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2W(D+1)Não. B_{T}=2(Delta f+W)=2W(D+1)}

onde W é a frequência mais alta no sinal de modulação, mas de natureza não senoidal e D é a taxa de desvio, que é a relação entre o desvio de frequência e a frequência mais alta do sinal não senoidal modulante.

Redução de ruído

FM fornece relação sinal-ruído (SNR) aprimorada, em comparação, por exemplo, com AM. Comparado com um esquema AM ideal, o FM normalmente tem um SNR mais fraco abaixo de um certo nível de sinal chamado limite de ruído, mas acima de um nível mais alto – a melhoria total ou o limite de silêncio total – o SNR é muito melhor do que o AM. A melhoria depende do nível de modulação e desvio. Para canais de comunicação de voz típicos, as melhorias geralmente são de 5 a 15 dB. A transmissão FM usando um desvio mais amplo pode alcançar melhorias ainda maiores. Técnicas adicionais, como pré-ênfase de frequências de áudio mais altas com redução de ênfase correspondente no receptor, geralmente são usadas para melhorar o SNR geral em circuitos de FM. Como os sinais FM têm amplitude constante, os receptores FM normalmente possuem limitadores que removem o ruído AM, melhorando ainda mais o SNR.

Implementação

Modulação

Os sinais de FM podem ser gerados usando modulação de frequência direta ou indireta:

• A modulação FM direta pode ser alcançada alimentando diretamente a mensagem na entrada de um oscilador controlado por tensão.
• Para a modulação indireta de FM, o sinal de mensagem é integrado para gerar um sinal modificado por fase. Isso é usado para modular um oscilador controlado por cristal, e o resultado é passado através de um multiplicador de frequência para produzir um sinal de FM. Nesta modulação, a banda estreita FM é gerada levando a banda larga FM mais tarde e, portanto, a modulação é conhecida como modulação indireta FM.

Demodulação

Modulação FM

Existem muitos circuitos detectores de FM. Um método comum para recuperar o sinal de informação é através de um discriminador Foster-Seeley ou detector de razão. Um loop de bloqueio de fase pode ser usado como um demodulador de FM. A detecção de inclinação desmodula um sinal FM usando um circuito sintonizado que tem sua frequência ressonante ligeiramente deslocada da portadora. À medida que a frequência aumenta e diminui, o circuito sintonizado fornece uma amplitude variável de resposta, convertendo FM em AM. Receptores AM podem detectar algumas transmissões FM por este meio, embora não forneça um meio eficiente de detecção para transmissões FM.

Aplicativos

Efeito Doppler

Quando um morcego ecolocalizador se aproxima de um alvo, seus sons de saída retornam como ecos, que são desviados por Doppler para cima na frequência. Em certas espécies de morcegos, que produzem chamadas de ecolocalização de frequência constante (CF), os morcegos compensam o deslocamento Doppler diminuindo a frequência de chamada conforme se aproximam de um alvo. Isso mantém o eco de retorno na mesma faixa de frequência da chamada de ecolocalização normal. Essa modulação dinâmica de frequência é chamada de Compensação Doppler Shift (DSC) e foi descoberta por Hans Schnitzler em 1968

Armazenamento em fita magnética

O FM também é usado em frequências intermediárias por sistemas VCR analógicos (incluindo VHS) para gravar as porções de luminância (preto e branco) do sinal de vídeo. Comumente, o componente de crominância é registrado como um sinal AM convencional, usando o sinal FM de frequência mais alta como polarização. FM é o único método viável de gravar o componente de luminância ("preto-e-branco") de vídeo em (e recuperar vídeo de) fita magnética sem distorção; os sinais de vídeo têm uma grande variedade de componentes de frequência - de alguns hertz a vários megahertz, muito amplos para equalizadores trabalharem devido ao ruído eletrônico abaixo de -60 dB. O FM também mantém a fita no nível de saturação, atuando como uma forma de redução de ruído; um limitador pode mascarar variações na saída de reprodução e o efeito de captura FM remove a impressão e o pré-eco. Um tom piloto contínuo, se adicionado ao sinal - como foi feito no V2000 e em muitos formatos de banda alta - pode manter o jitter mecânico sob controle e auxiliar na correção da base de tempo.

Esses sistemas FM são incomuns, pois têm uma relação entre portadora e frequência máxima de modulação inferior a dois; contraste isso com a transmissão de áudio FM, onde a proporção é de cerca de 10.000. Considere, por exemplo, uma portadora de 6 MHz modulada a uma taxa de 3,5 MHz; pela análise de Bessel, as primeiras bandas laterais estão em 9,5 e 2,5 MHz e as segundas bandas laterais estão em 13 MHz e -1 MHz. O resultado é uma banda lateral de fase reversa em +1 MHz; na demodulação, isso resulta em saída indesejada em 6 – 1 = 5 MHz. O sistema deve ser projetado para que essa saída indesejada seja reduzida a um nível aceitável.

Som

FM também é usado em frequências de áudio para sintetizar o som. Essa técnica, conhecida como síntese FM, foi popularizada pelos primeiros sintetizadores digitais e tornou-se um recurso padrão em várias gerações de placas de som de computadores pessoais.

Rádio

Um transmissor de rádio FM americano em Buffalo, NY no WEDG

Edwin Howard Armstrong (1890–1954) foi um engenheiro elétrico americano que inventou o rádio de modulação de frequência de banda larga (FM). Ele patenteou o circuito regenerativo em 1914, o receptor super-heteródino em 1918 e o circuito super-regenerativo em 1922. Armstrong apresentou seu artigo, "Um método de redução de distúrbios na sinalização de rádio por um sistema de modulação de frequência", (que primeiro descreveu o rádio FM) antes da seção de Nova York do Institute of Radio Engineers em 6 de novembro de 1935. O artigo foi publicado em 1936.

Como o nome indica, FM de banda larga (WFM) requer uma largura de banda de sinal mais ampla do que a modulação de amplitude por um sinal de modulação equivalente; isso também torna o sinal mais robusto contra ruídos e interferências. A modulação de frequência também é mais robusta contra fenômenos de desvanecimento de amplitude de sinal. Como resultado, o FM foi escolhido como o padrão de modulação para transmissão de rádio de alta frequência e alta fidelidade, daí o termo "rádio FM" (embora por muitos anos a BBC o tenha chamado de "rádio VHF" porque a transmissão FM comercial usa parte da banda VHF - a banda de transmissão FM). Os receptores de FM empregam um detector especial para sinais de FM e exibem um fenômeno conhecido como efeito de captura, no qual o sintonizador "captura" a mais forte de duas estações na mesma frequência enquanto rejeita a outra (compare isso com uma situação semelhante em um receptor AM, onde ambas as estações podem ser ouvidas simultaneamente). No entanto, o desvio de frequência ou a falta de seletividade podem fazer com que uma estação seja ultrapassada por outra em um canal adjacente. O desvio de frequência era um problema nos primeiros receptores (ou baratos); a seletividade inadequada pode afetar qualquer sintonizador.

Um sinal FM também pode ser usado para transportar um sinal estéreo; isso é feito com multiplexação e demultiplexação antes e depois do processo FM. O processo de modulação e demodulação FM é idêntico nos processos estéreo e mono. Um amplificador de comutação de radiofrequência de alta eficiência pode ser usado para transmitir sinais FM (e outros sinais de amplitude constante). Para uma determinada intensidade de sinal (medida na antena do receptor), os amplificadores de comutação usam menos energia da bateria e normalmente custam menos do que um amplificador linear. Isso dá ao FM outra vantagem sobre outros métodos de modulação que requerem amplificadores lineares, como AM e QAM.

FM é comumente usado em frequências de rádio VHF para transmissões de alta fidelidade de música e fala. O som da TV analógica também é transmitido usando FM. O FM de banda estreita é usado para comunicações de voz em configurações de rádio amador e comercial. Em serviços de transmissão, onde a fidelidade de áudio é importante, FM de banda larga é geralmente usado. No rádio bidirecional, o FM de banda estreita (NBFM) é usado para conservar a largura de banda para serviços móveis terrestres, móveis marítimos e outros serviços de rádio.

Há relatos de que em 5 de outubro de 1924, o professor Mikhail A. Bonch-Bruevich, durante uma conversa científica e técnica no Laboratório de Rádio de Nizhny Novgorod, relatou sobre seu novo método de telefonia, baseado em uma mudança no período de oscilações. A demonstração da modulação de frequência foi realizada no modelo de laboratório.