Frequenzmodulation

Modulation

Statt der Amplitude lassen sich bei der Trägerwelle auch die Frequenz oder die Phasenlage im Takt der Modulation ändern. Die beiden Modulationsarten sind eng verwandt, aber nicht ganz das Gleiche. Mit der Frequenz ändert sich auch die Phasenlage der Schwingung gegenüber einer unmodulierten Welle. Andererseits ist keine Phasenverschiebung möglich, ohne dass nicht die Welle mal schneller oder langsamer schwingt. Bei beiden Modulationsarten ändern sich also Frequenz und Phase.

Frequenzmodulation Phasemlage

Von Frequenzmodulation spricht man, wenn sich die Frequenz der Trägerschwingung mit der Aussteuerung, also mit der Amplitude des Modulationssignals ändert. Die maximale Änderung der Phase des Trägers ist dann abhängig von der Modulationsfrequenz. Bei der Phasenmodulation ist es umgekehrt.
Zur Modulation braucht man einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). Das erreicht man zum Beispiel, wenn in einem LC-Oszillatoor die Schwingkreiskapazität mit einer Kapazitätsdiode ergänzt wird. Die Kapazität der Diode ändert sich mit dem Modulationssignal und damit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises.

Voltage Controlled Oszillator

Die Frequenz schwankt also mit der Modulation um einen mittleren Wert herum. Die maximale Abweichung in eine Richtung wird Frequenzhub genannt. Beim UKW-Rundfunk wurde der auf maximal 75kHz festgelegt.

FM Bandbreite

Die Bandbreite ist aber wesentlich höher als 2x der Frequenzhub. Durch das kontinuierliche Stauchen und Strecken der Trägerwelle weicht diese von der idealen Sinusform ab, wodurch Oberwellen entstehen. Theoretisch ist die Bandbreite bei der Frequenzmodulation unendlich hoch. Darum ist es notwendig die Bandbreite zu begrenzen. Das Signal wird zwar etwas verzerrt, wenn man ihm die Oberwellen wegnimmt. Allerdings tragen die weit von der Mittenfrequenz etfernten Oberwellen kaum etwas bei. Man begrenzt die Bandbreite im Monobetrieb auf 180kHz und bei Stereosendern auf 210kHz, wobei der Klirrfaktor unter 1% bleibt.


Demodulation

Bei der Demodulation geht man den Umweg über die Amplitudenmodulation. Wie wird aus einem frequenzmodulierten Signal eine Amplitudenabhängige Modulation? Der einfachste Weg wäre einen Spannungsteiler mit einem frequenzabhängigen Bauelement, zum Beispiel einer Spule, zu nehmen. Mit steigende Frequenz wird die Spannung über der Spule größer. Diese Amplitudenänderung kann anschließend, wie bei der AM, ein einfacher Hüllkurvendemodulator in die NF umwandlen.

FM Demodulation einfach

Diese Methode hätte den großen Vorteil, dass die Umwandlung linear, ohne Verzerrungen abläuft. Sie ist aber für die Praxis ungeeignet, weil ein sehr großer Frequenzhub notwendig wäre, um eine nennenswerte Spannungsänderung zu erhalten. Wir brauchen ein Verfahren, welches eine viel höhere Amplitudenänderung aus der Frequenzänderung erzeugt.
Beim sogenannten Flankendemodulator wird die Spule durch einen kompletten Schwingkreis ersetzt. Seine Resonanzfrequenz liegt etwas neben der Mittenfrequenz des FM-Signals. Nahe der Resonanzfrequenz ändert sich die Spannung über dem Schwingkreis sehr stark. Man benutzt also eine Flanke der Schwingkreiskennlinie für die AM-Erzeugung.

FM Flankendemodulator

Allerdings eignet sich das Verfahren nur für geringe Aussteuerung, da die Flanken der Kennlinie nicht linear sind und bei großem Frequenzhub Verzerrungen entstehen. Bessere Ergebnisse erreicht man mit zwei Schwingkreisen, die gegenphasig angesteuert werden und leicht oberhalb und unterhalb der Mittenfrequenz abgestimmt sind. Mit zwei gegenphasig angesteuerten nichtlinearen Kennlinien heben sich die Nichtlinearitäten gegenseitig auf und es entsteht eine resultierende Kennlinie, die weitestgehend linear ist.

Gegentakt-Flankendemodulator

Nachteilig ist hier, dass die Schwingkreise sehr genau abgeglichen werden müssen. Durch Alterung und Temperatureinflüsse können sich die Resonanzfrequenzen verschieben.
In der Praxis am häufigsten eingesetzt wurde der Phasendiskriminator. Hier wird die Frequenzänderung zunächst in eine Änderung der Phasenlage und dann in ein amplitudenmoduliertes Signal umgewandelt.

Phasendiskriminator

Die genaue Erklärung der Funktionsweise des Phasendiskriminators und des daraus abgeleiteten Ratiodetektors findet sich in dem oben verlinkten Video.



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