Frequenzmodulation FM

1. Einleitung

 

In diesem Beitrag möchte ich möglichst einfach und in verständlich Form die Frequenzmodulation  ( FM ) erläutern.

Es geht dabei um das Verstehen des Modulationsprinzip und nicht um komplizierte, schaltungstechnische und tiefgreifende mathematische Zusammenhänge.

1.1 Entstehungsgeschichte der Frequenzmodulation (FM)

Es ist interessant einiges über die Entstehungsgeschichte der Frequenzmodulation und die finanzielle Situation der Erfinder zu erfahren, die leider meistens mit einer finanziellen Pleite enden!

John Renshaw Carson war ein US-amerikanischer Nachrichtentechniker.

1922 publizierte er eine mathematische Abhandlung zur Frequenzmodulation ( FM ).

Edwin Howard Armstrong, ein US-amerikanischer Elektroingenieur und Erfinder, entwickelte und erfand Geräte und Verfahren für die Funktechnik.

Einige davon, wie der Superheterodyn-Empfänger kurz „Superhet“ ( Überlagerungsempfänger ) und die Frequenzmodulation (FM), sind heute noch alltäglich.

In den Jahren 1927 bis 1933 reichte Armstrong vier Patente ein, die sich mit der Technik der Frequenzmodulation (FM) beschäftigten, die ihm auch zugesprochen wurden.

Das Prinzip der Frequenzmodulation war schon seit ca.1922 bekannt, es wurden aber immer nur Versuche mit Schmalband – FM unternommen.

Aus der Theorie dazu und den erzielten Ergebnissen wurde der Schluss gezogen, dass die FM-Modulation praktisch wertlos sei !!!

Da Armstrong 1922 RCA das Vorkaufsrecht auf zukünftige Erfindungen eingeräumt hatte, demonstrierte er die Technik zwischen 1933 und 1934 David Sarnoff und den Technikern von RCA.

Es wurde entschieden, dass weitere Tests nötig seien.

Ab Mai 1934 wurde ein noch nicht für Fernsehausstrahlungen benutzter Sender von NBC, einer Tochter von RCA, auf dem Empire State Building dafür bis Oktober 1935 in Betrieb genommen.

Die Breitband-Frequenzmodulation ( FM ) zeigte ihre Vorzüge, sogar bei schweren Gewittern war die Übertragung frei von Störungen und hatte dabei die beste Wiedergabequalität, die bis dahin mit Funksendungen erreicht worden war.

RCA und Sarnoff aber reagierten zurückhaltend auf seine Neuheit.

Zu groß schienen die erforderlichen Umstellungen auf der Sender- und der Empfangsseite zu sein, um die neue Technik voll zu nutzen. Außerdem war Sarnoff der Überzeugung, dass dem Fernsehen, in das RCA stark investierte, die Zukunft gehören würde, nicht dem Radio.

So kam Armstrong zu dem Schluss, dass er nur mit einem eigenen Sender die Vorzüge der neuen Technik verbreiten könne.

Er verkaufte einen Anteil seiner RCA Aktien und ließ einen eigenen FM -Versuchssender bauen. Nach einer ersten Ablehnung gelang es ihm schließlich, gegen Ende 1939 eine Sendeerlaubnis der FCC für den Bereich 41 bis 44 MHz zu bekommen.

Die ersten 25 FM -Empfänger ließ er Ende 1937 von General Electric produzieren. General Electric wurde auch der erste Lizenznehmer seiner FM – Patente.

Die erste Ausstrahlung des Senders in Alpine war am 18. Juli 1939.

Armstrong entwickelte ein vollständiges FM -System mit Sende- und Empfangsgeräten und versuchte, andere, kleinere Firmen als RCA für die neue Technik zu gewinnen.

Im Herbst 1939 lagen der FCC über 150 Anträge für FM -Rundfunkstationen vor. Wegen der vielen Anträge wäre der ursprünglich zugeteilte Frequenzbereich bald zu eng geworden.

So wurde am 20. Mai 1940 der Bereich für FM -Sendungen von der FCC auf 42 bis 50 MHz ( vorher 41- 44 MHz ) geändert und für kommerzielle Sender ab dem 1. Januar 1941 zugelassen.

Ab 1939 wurden Empfänger fast nur noch für das Militär produziert. Das wirkte sich auch stark auf Armstrongs finanzielle Situation aus.

Der Krieg unterbrach Armstrongs Bemühungen, die Verbreitung des FM -Rundfunk voranzutreiben. Er arbeitete in dieser Zeit bis 1945 als Zivilangestellter für das US – Militär.

1945, nach dem Krieg, entschied die FCC, wegen befürchteter Störungen durch die Sonnenaktivität und auch der höheren Wahrscheinlichkeit von Überreichweiten im bestehenden FM -Band, das ursprünglich genehmigte Frequenzband ( 42- 50 MHz ) in den Bereich 88 – 108 MHz zu verschieben. ( wo es auch heute noch Ist )

Durch die Frequenzverlegung wurden mehr als eine halbe Million FM -Radios und ca. 50 FM – Sendestationen, die bis zu diesem Zeitpunkt im Einsatz waren, unbrauchbar!!

Die noch junge FM -Industrie warf dies um Jahre zurück. Um 1950 waren dann wieder über 600 FM -Sender aktiv.

Obgleich die Qualität von FM- den AM-Übertragungen weit überlegen war, dauerte es noch Jahrzehnte, bis sich die FM -Sender ( UKW ) weitflächig gegen die stark vertretenen AM-Stationen      ( LW und MW  ) behaupten konnten.

 

2. Frequenzmodulation ( FM )

2.1 Grundlagen

Die Frequenzmodulation ( FM ) ist ein Modulationsverfahren, bei dem die Frequenz des HF-Trägers  höher resp. tiefer entsprechend dem zu übertragende Audio-Signal, moduliert wird.

Die Frequenzmodulation ( FM ) ermöglicht gegenüber der Amplitudenmodulation ( AM ) einen höheren Dynamikumfang des Audio – Signals.

Die Frequenzmodulation ist eine Winkelmodulation.

 

2.2 Frequenzmodulation ( FM )

 1. Diagramm

( Frequenzmoduliertes HF-Signal )

 

fm 123

Quelle Internet, Wikipedia

 

Das 1. Diagramm zeigt ein frequenzmoduliertes HF-Signal ( FM ) sowie ein Audio –Informationssignal                                                                                                                                         ( Audio-Signal, gestrichelt eingezeichnet ).

Der Träger hat im obigen Beispiel die 15-fache Frequenz des Audio-Informationssignals.

Das dargestellte Audio-Signal ist eine einfache Kosinusschwingung.                                                          ( 0° = + 1,  90° =  0,  180° = -1,  270° = 0,  360° = +1 )

Man erkennt, dass dort, wo der Momentanwert der Spannung des Signals am niedrigsten ist           ( bei -1), die Frequenz des modulierten Signals ebenfalls am niedrigsten ist.

Während des Nullpunktdurchlaufs des Audio-Informationssignals ( bei t = 0.25 resp. t = 0,75 ) hat der modulierte FM -Träger dieselbe Frequenz wie der unmodulierte FM -Träger.

Je größer die Amplitude oder Frequenz des Audio-Informationssignals ist, desto größer ist auch die benötigte HF – Bandbreite.

 

2. Diagramm

( Frequenzänderung durch Audio-Signal )

 

FM 456

Quelle Internet, Wikipedia

 

Im 2. Diagramm ist die Änderung der Frequenz des FM -Trägers in Abhängigkeit des Audio-Signal gemäss dem 1. Diagramm dargestellt.                                                                                                            ( delta f, T :   Beispiel: HF-Wert: + 21 resp. – 9  gemäss der vertikalen Skala )

Der unmodulierte Träger  ist gestrichelt eingezeichnet ( HF – Wert 15 f,T  der vertikalen Skala ).

 

3. Diagramm

( Phasenwinkeländerung durch Audio-Signal )

 

 FM789

Quelle Internet, Wikipedia

 

Das 3. Diagramm zeigt den Phasenwinkel des HF-Trägers.

Der unmodulierte Träger ist als gestrichelte dargestellt. ( Gerade Linie )

Das FM-modulierte Signals wird durch die durchgezogene Linie dargestellt.                                       ( Gebogene Linie )

 

Einfachste Darstellung einer FM- Erzeugung

 

fm mmmm

 

Quelle Internet Wikipedia

 

Darstellung eines CW- / SSB- / FM- Empfängers ( „Superhet“)

 

fm blockschema

 

Quelle Internet: Wikipedia

 

 

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