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CM · 変調の基礎

周波数変調 FM

FM はメッセージを搬送波の瞬時周波数に載せます。振幅はそのままで、搬送波の山と山の間隔だけが狭くなったり広くなったりするので、情報は振幅ではなく周波数にあります。このユニットでは、それがなぜ FM を雑音に強くするのかを学びます。

周波数は揺れても振幅は一定

上の淡い金色の曲線がメッセージ、下の青い波形が FM で変調された搬送波です。スライダーで偏移を大きくすると、メッセージの山の下では搬送波の山が詰まり、谷の下では間延びします。その間、波形の上下にある金色の点線、つまり振幅はまったく動きません。

周波数偏移 Δfβ = 0.2
メッセージ周波数 fm は固定し、偏移 Δf だけを大きくするので、右に出る値がそのまま β = Δf/fm です。β が大きくなるにつれて、狭帯域から広帯域へ移ります。
今の偏移の瞬時周波数
f(t) = fc + Δf cos(ωm t)
ほぼ無変調

周波数にメッセージを載せる

AM が振幅を揺らしたのに対し、FM は振幅をそのままにして、搬送波が 1 秒に何回振動するか、つまり瞬時周波数をメッセージに合わせて押したり引いたりします。瞬時周波数は f(t) = fc + kf m(t) と書き、メッセージの値が大きいほど搬送波は速く振動します。振幅が変わらないので、包絡線は図の金色の点線のように平らな直線になります。

変調指数 β が幅を決める

瞬時周波数が搬送波周波数から最も大きく外れる量を周波数偏移 Δf といいます。これをメッセージ周波数 fm で割った β = Δf/fm が FM の変調指数です。β が 1 より小さければ周波数がわずかに揺れるだけの狭帯域 FM、1 より大きければ周波数が大きく振れる広帯域 FM です。位相は周波数を時間で積分したものなので、信号は s(t) = Ac cos(2π fc t + β sin(ωm t)) と書けます。

観察f(t) = fc + Δf cos(ωm t)
メッセージが瞬時周波数を押し引きする。
選ぶβ = Δf / ?
変調指数は、偏移をメッセージ周波数で割った値です。

カーソンの法則と雑音への強さ

FM の帯域幅は、カーソンの法則により B = 2(Δf + fm) と見積もります。偏移を大きくするほど、帯域を多く占めるということです。その代わり情報は周波数にしかないので、受信機はリミッタで振幅を一定の大きさに切りそろえ、振幅に乗った雑音をまとめて捨てられます。広い帯域を差し出して雑音への強さを買う、この取引が FM の核心です。

空欄B = 2(Δf ? fm)
カーソンの法則では、偏移とメッセージ周波数を足して二倍します。
自分でB ≈ ?
広帯域では偏移が帯域を支配し、B ≈ 2Δf になります。

最初の画面に戻ると

偏移を大きくすると、メッセージの山の下では搬送波がさらに詰まり、谷の下ではさらに間延びしましたが、金色の点線で描いた振幅は最後まで平らなままでした。偏移が 0 に近い最初の状態は搬送波がそのままで、変調がないのと同じなので赤く表示され、β が十分に大きくなって広帯域 FM になるとメーターが金色に変わりました。FM で覚えておくべきは、メッセージが振幅ではなく瞬時周波数にあることです。だから振幅に乗った雑音は切り捨ててかまいません。

周波数変調(FM)は、メッセージを搬送波の瞬時周波数に載せて f(t) = fc + kf m(t) とする方式です。振幅は一定で、情報は周波数にあります。変調指数 β = Δf/fm が 1 より小さければ狭帯域、大きければ広帯域で、信号は s(t) = Ac cos(2π fc t + β sin(ωm t)) と書けます。帯域幅はカーソンの法則により B = 2(Δf + fm) で、振幅が一定なので振幅の雑音を切り落とせるため雑音に強いのです。

次のユニットで

AM と FM で、アナログ変調はひと区切りです。次のユニットからは、メッセージを数に変えます。まず、連続信号を一定の間隔で標本化し、その値を段に区切ってビットで書き表す PCM を見ます。十分に頻繁に標本をとれば元の信号をそのまま復元できる、という標本化定理が出発点です。