DASAR FREKUENSI MODULASI

Frekuensi Modulasi adalah teknik modulasi radio yang berguna untuk mengirimkan sinyal informasi dari satu tempat ke tempat lain dengan jalan menumpangkan sinyal informasi ke sinyal pembawa/carrier. Adapaun teknik modulasi yang digunakan adalah mengubah-ubah frekuensi pembawa yang besarnya tergantung dari perubahan sinyal informasi.


Biasa digunakan untuk Radio dan TV Analog
Band Radio 
fm Broadcast Freq 88 – 108 MHZ
fm amatir/komunikasi 2 m freq 140 – 150 MHz
Fm amatir/komunikasi 70 cm freq 470 MHz
Band Frekuensi TV
Band I ch 2 – 4 frequensi 47 – 68 MHz
Band III ch 5 – 12 frequensi 174 – 230 MHz
Band IV ch 22 – 37 frequensi 478 – 606 MHz
Band V ch 38 – 61 frequensi 606 – 798 Mhz

Teori Fm 

Sinyal informasi/baseband ditumpangkan pada sinyal carrier
Sinyal informasi bisa berupa audio atau data digital
Perubahan sinyal informasi menyebabkan perubahan frekuensi carrier

Makin Besar Amplitudo sinyal informasi semakin besar frekuensi cariernya

Amplitudo sinyal carrier tetap/tidak berubah

Gambar sinyal  modulasi FM

Pada gambar di atas terdapat dua buah sinyal yaitu sinyal informasi yang berwarna putih dan sinyal termodulasi fm berwarna merah. Pada gambar tersebut terlihat sinyal termodulasi berubah-ubah sesuai dengan perubahan sinyal informasi. Pada saat amplitudo sinyal informasi besar maka jarak gelombang sinyal termodulasi rapat yang sedangkan pada saat amplitudo sinyal informasi kecil maka jarak gelombang sinyal termodulasi renggang. Jarak gelombang yang rapat menandakan bahwa frekuensinya lebih tinggi dibandingkan Jarak gelombang yang renggang.

Pembangkitan FM

Cara termudah menghasilkan FM adalah dengan memasukan sinyal informasi kedalam rangkaian VCO

VCO = Voltage Control Oscilator

•       Sinyal Informasi m(t) dimasukan ke tegangan kontrol VCO

•       Output X_fm(t) sinyal carier dengan amplitudo tetap namun besarnya frekuensi sebanding dengan perubahan tegangan kontrol

•       Jika tidak ada sinyal informasi maka frekuensi pembawa adalah pada frekuensi tengahnya.

•       Jika sinyal informasi diberikan ke VCO maka freq VCO bervariasi diatas dan dibawah freq nominal/freq tengah

•       Frekuensi sesaat VCO output sbb:

F_i(t) = f_c + K_VCOm(t)

•       Fc = frekuensi carier

•       m(t) = sinyal informasi

•       K_VCO = Voltage to frequency gain (Hz/V)

           K_VCO m(t) = konstanta deviasi    

•       Phase sesaat dari VCO output :

q_i(t) = 2pf_ct + 2pK_{VCO 0}ò ^tm(t)dt

•       Untuk penyederhanaan phase awal adalah nol

      •       Maka sinyal FM output

X_fm(t) = A_ccos[2pf_ct + 2pK_{VCO 0}ò ^tm(t)dt]

•       X_fm(t) tergantung sinyal informasi m(t)

•       Untuk mempermudah estimasi bandwidth X_fm(t), digunakan satu tone sinyal informasi

 m(t) = A_mcos(2pf_mt)

•       A_m = Amplitudo                f_m = frekuensi 

•       Df = K_VCOA_m = FM peak freq deviasi sesaat

•       Df/f_m = b = index modulasi

•       Pada spektrum freq, Jumlah sideband yg signifikan timbul untuk satu tone sinyal informasi adalah fungsi dari index modulasi

•       Amplitudo dari berbagai komponen spektral diberikan oleh fungsi besel dari jenis pertama

•       Dengan menggunakan transormasi deret fourier, maka sebaran Magnitude dari FM output terhadap fungsi b adalah sbb :

Menentukan jumlah sidebands signifikan (Penting)

Fungsi Bessel

Sebuah proses matematika yang kompleks untuk menentukan jumlah sidebands yang pemting/besar/berarti.

Komponen frekuensi individu yang membuat gelombang termodulasi tidak jelas. Namun, identitas Fungsi Bessel dapat diterapkan untuk ini.

Persamaan Gelombang termodulasi diberikan oleh:

Dengan menggunakan Fungsi Bessel, gelombang sudut-termodulasi dapat ditulis sebagai:

J_n(m) adalah fungsi Bessel jenis pertama dai tatanan  ke n dengan argumen m.

Dengan demikian, m (t) dapat ditulis kembali sebagai :

Dengan  Memperluas persamaan, menjadi

Dimana m = indeks modulasi

Vc = puncak amplitudo dari carrier unmodulated

J₀(m) = komponen pembawa

J₁(m)= = set pertama frekuensi sisi mengungsi dari operator oleh  ω_m

J₂(m) = set kedua frekuensi sisi mengungsi dari operator dengan 2ω_m

J_n(m) = n set frekuensi sisi mengungsi dari operator oleh nω_m      

 

Plot Fungsi Bessel 

Gambar  Pembawa dan amplitudo sideband untuk indeks modulasi yang berbeda dari sinyal FM berdasarkan fungsi Bessel.

Gambar Plot data fungsi Bessel dari Gambar.sebelumnya

contoh untuk m = 5, 16 sidebands (8 pasang).

Bandwidth Sinyal FM

Semakin tinggi indeks modulasi FM, semakin besar jumlah sidebands yang signifikan/penting/berarti dan lebih luas bandwidth sinyal.

Ketika konservasi spektrum diperlukan, bandwidth dari sinyal FM dapat dibatasi dengan menempatkan batas atas indeks modulasi.

Misalnya: Dalam siaran FM standar, deviasi frekuensi maksimum yang diijinkan adalah 75 kHz dan frekuensi modulasi maksimum yang diijinkan adalah 15 kHz (indeks modulasi: 5)

–      BW_FM = 2(b+1)f_m

–      BW_FM = 2(Df + f_m)

Pre Emphasis

RF Amplifier menghasilkan noise dan degradasi pada frekuensi tinggi ® DG DP (diferensial Gain Diferential Phase)

Rangkaian pre emphasis pada TX menekan frekuensi rendah melewatkan frekuensi tinggi dari sinyal informasi

Rangkaian de emphasis pada RX kebalikan dari Pre emphasis

T = time Konstan

•T = time Konstan

•75 ms region US

•50 ms region eropa termasuk indonesia

FM STEREO

•Sumber suara tidak berasal dari satu arah

•Telinga manusia kiri kanan (Left Right/L R)

• Untuk menghasilkan kualitas suara lebih baik

•Music lebih enak didengar

•STEREO ® Sumber suara kiri/L dan Kanan/R

•Awalnya hanya ada FM mono

•FM Stereo ® kriteria

* Audio kiri ® L

* Audio Kanan ® R

* Pilot tone ® Sinyal penanda siaran stereo

* Pesawat Radio Mono harus bisa terima siaran Stereo

* TX mono harus bisa diterima Radio Stereo

Rangkaian Matrix/Multiplex

Sinyal Mono = L + R

Sinyal Stereo = L – R dimodulasi AM DSBSC dg carier 38 kHz

Sinyal Pilot = 19 khz

Untuk mendapatkan sinyal – R digunakan inverting op-amp sinyal + L/R digunakan non inverting amp

Modulator FM

•Varaktor dioda ® Dioda yang memiliki nilai kapasitansi tergantung dari tegangan reverse yang diberikan

•Varaktor® variable reaktor/kapasitor

•VCO ® Voltage Control Oscilator

  ® Osilator yang frekuensinya diatur oleh tegangan

Rangkaian FM Modulator sederhana dengan varaktor dioda

Cara kerja rangkaian di atas adalah varaktor dioda mempunyai nilai kapasitansi nominal. Bersama dengan induktor akan membentuk rangkaian resonansi yang akan menentukan frekuensi pembawa. Sinyal informasi akan dimasukkan melalui V input. Perubahan tegangan sinyal informasi akan merubah nilai kapasitansi dari varaktor dioda sehingga akan juga mengubah frekuensi. Sehingga frekuensi akan berubah-ubah sesuai dengan perubahan dari sinyal informasi.

FM Single IC

Rangkaian lengkap FM Exciter