Questão:
A modulação FM é ainda mais resistente ao ruído quando recebe a mesma largura de banda de um sinal AM?
JanKanis
2017-08-20 20:35:36 UTC
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O rádio modulado FM é muito mais resistente a ruídos e pode oferecer melhor qualidade de som do que o rádio AM. Mas os sinais FM também usam mais largura de banda do que os sinais AM. Em geral, um sinal de largura de banda mais ampla é mais resistente ao ruído / pode enviar mais dados do que um sinal de largura de banda mais estreita. A largura de banda de um sinal FM pode de fato ser escolhida, e pode-se criar sinais FM de banda larga ou estreita, com os de banda larga dando melhor qualidade de som.

A melhor resistência ao ruído do FM é apenas uma função de sua largura de banda maior , ou esta resistência ao ruído também é uma propriedade inerente do FM? Em outras palavras, um sinal FM de banda estreita que usa a mesma largura de banda de um sinal AM ainda produz melhor qualidade de som?

Tenho certeza de que isso vai gerar respostas. O ruído (QRN) é sempre modulado em amplitude, e os receptores FM têm um limitador que equaliza a entrada, pois discrimina a frequência ou fase da entrada dentro do passa-banda, independentemente de quão largo possa ser.
Um responda:
Marcus Müller
2017-08-20 21:36:21 UTC
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O rádio modulado FM é muito mais resistente ao ruído e pode fornecer melhor qualidade de som do que o rádio AM.

Sob certas condições, claro! Ou seja, ruído aditivo e um canal de desvanecimento.

ou esta resistência ao ruído também é uma propriedade inerente do FM?

Huh, isso surpreendentemente pode ser um questão bastante filosófica sobre o que realmente é a largura de banda, mas vamos decompô-la.

Vamos primeiro supor que nosso ruído é branco. Isso significa que temos uma densidade espectral de potência de ruído constante. Isso é muito útil aritmeticamente, porque significa que a potência do ruído é simplesmente proporcional à largura de banda observada.

Com AM, isso significa simplesmente que SNR de áudio == RF SNR, se você usar um filtro tão amplo como o áudio que você deseja ouvir.

Com FM, ok, primeiro precisamos descobrir o que você quer dizer com "a mesma largura de banda". Porque isso é muito difícil - a largura de banda ocupada por um sinal de FM é realmente difícil de definir, pois seu espectro tem uma forma de Bessel específica. Não me deixe começar.

Felizmente, temos a Regra de largura de banda de Carson, que nos dá a quantidade de largura de banda necessária para transportar um sinal FM para incluir pelo menos 98% da energia.

Essa regra é

$$ CBW = 2 (\ Delta f + f_m) $$

Com $ f_m $ sendo a frequência de áudio mais alta que precisamos transportar, e $ \ Delta f $ sendo o desvio de frequência, ou seja. o maior desvio da frequência central nominal para a qual a portadora será movida.

Então, sim, a diferença entre AM e FM é que FM pode realmente fazer uso da maior largura de banda que usa para transportar informações. AM está condenado a transportar todas as informações dentro da largura de banda de áudio.

Por outro lado, isso significa que puramente de uma perspectiva de largura de banda de entrada e saída de largura de banda, você nunca pode construir um sistema FM que seja mais eficiente do que um Sistema AM.

Então: vamos dar uma olhada no lado das informações. O que você quer fazer ao se comunicar é obter informações de A para B. O ruído pode estar no caminho, mas, na verdade, o que importa é o quanto as informações de A chegam a B.

Então, vamos digamos que escolhemos uma modulação FM que tem uma largura de banda $ b $ e definimos $ \ alpha $ como a razão entre a largura de banda ocupada e a largura de banda de áudio.

$$ b = 2 (\ Delta f + f_m) = \ alpha f_m $$

então, em comparação com o mesmo sinal de áudio transmitido usando AM, precisamos primeiro reduzir a largura de banda por um fator de $ \ frac 1 {\ alpha} $. O que significa que apenas $ \ frac 1 {\ alpha} $ da informação original² atinge o receptor FM, de todo ¹.

A vantagem do FM realmente é que ele só é sensível a mudanças aparentes na frequência, não na amplitude. Isso nos leva ao modelo de canal:

A maioria dos canais exibe algum tipo de desbotamento. Isso não apenas altera a amplitude do sinal de recepção ao longo do tempo (lentamente, normalmente), mas também ao longo da frequência. O que significa que com AM, você pode ter má sorte, e apenas digamos que a frequência de 400 Hz da frequência da portadora é bastante amortecida, e você não consegue entender o que o outro lado está dizendo.

Com FM, certamente, você "atingirá" essa frequência também, mas apenas por um curto período, e também, isso realmente não importa - contanto que a potência do ruído em outras frequências não seja mais alta, isso não impede a qualidade do áudio!

Então, essa é a sua vantagem inerente do FM.

Tecnicamente, isso é especialmente bom e fácil de motivar: você está usando um PLL para receber, ou seja, você não procura por mudanças de fase mais rápidas do que a taxa de mudança do seu sinal de áudio (e isto é, basicamente, a largura de banda de áudio) permite que sejam. Portanto, embora seu ruído esteja certamente presente em todo o CBW, o que importa acontece apenas dentro de $ 2f_m $ em torno da posição atual da portadora. Assim, o FM faz uso da autocorrelação do sinal.

  • FM é sempre mais amplo do que AM para a mesma largura de banda de áudio
  • FM não é sensível ao ruído em toda a sua largura de banda, mas apenas em uma parte específica dela
  • O canal é melhor para FM do que para AM


¹: Isso presume que a informação está espalhada uniformemente pela largura de banda de áudio. Não é, mas levar isso em consideração nos leva rapidamente à modelagem de fala, fala discretizada e codecs de voz. E porque o analógico é um beco sem saída, e porque sabemos disso desde os anos 80. Mas isso está simplesmente fora do escopo.

²: Eu percebo que isso é realmente acenar. Precisamos definir informações no contexto de um sinal contínuo - que nos levaria a entropia diferencial e outros enfeites.

De qualquer forma, podemos pegar um atalho, conhecendo o teorema da amostragem (que na verdade é mais um resultado dessa consideração do que algo que leva a ela, mas mesmo assim): Qualquer sinal analógico de largura de banda finita $ f_m $ pode ser digitalizado com uma taxa de amostragem de $ 2f_m $. Por outro lado, um sinal analógico de largura de banda $ f_m $ pode transportar tanta informação quanto duas vezes essa largura de banda em números digitais, dado um SNR fixo (que define quantos bits podem estar em cada número digital). Corolário, a informação discreta transportável é proporcional à largura de banda, e isso se traduz diretamente em um conteúdo de informação analógico, com observadores de resolução finita.

Ótima resposta. Portanto, para o ruído relevante nas transmissões de estações de rádio analógicas de voz / música, o FM é mais resistente ao ruído, mas também possui uma largura de banda inerentemente maior. Há algo que pode ser dito sobre o quanto de FM, fornecendo som de melhor qualidade, pode ser atribuído ao aumento da largura de banda? Ou isso requer a definição de muitos termos vagos?
Estou disposto a dizer "isso requer muita teoria que não posso recitar de cima da minha cabeça", para ser honesto :) (sim, e, OK, "qualidade de som" é realmente muito vago e exige de nós para criar modelos psicoacústicos e modelos de como a distorção FM tem em nosso canal e modelos de ruído afetam isso.) Não estou disposto a dizer que a robustez pode * apenas * ser atribuída ao aumento da largura de banda! * Não * é um método de espalhamento espectral. A questão é que apenas a distorção de fase prejudica o receptor, não a variação de amplitude.
Mas você está certo, acima de um determinado índice de modulação, a qualidade do som provavelmente não aumenta com o aumento da largura de banda - mas isso é apenas um efeito do filtro de loop em um PLL, que é uma implementação * específica * (embora boa e popular) de um receptor FM, então para largura de banda realmente alta ou regimes de largura de banda realmente alta, deixamos o terreno onde podemos fazer declarações gerais interessantes e temos que analisar receptores específicos. Talvez seja um pouco tarde para perguntar, mas talvez ajude a entender e responder à sua pergunta: * Por que * você pergunta?
Eu esperaria que muito tivesse a ver com o design do receptor. A maneira mais simples de fazer um receptor AM é usar um detector de pico ou um clipper de meia onda. Esse dispositivo funcionará bem na ausência de ruído, mas durante a maior parte de cada onda será sensível ao ruído, mas não ao sinal. Eu esperaria que um multiplicador de quatro quadrantes pudesse produzir resultados muito melhores, mas fazê-lo em um rádio analógico seria caro (rádios digitais são, é claro, outra questão).
Por que estou perguntando, como um precursor da minha pergunta de acompanhamento https://ham.stackexchange.com/questions/9098/what-are-the-technical-reasons-that-there-are-no-frequency- modulado-transmissio. O que estou perguntando por interesse histórico e tentando entender melhor o rádio.
Ótima resposta. É possível explicar um pouco mais: "FM não é sensível a ruídos em toda a sua largura de banda, mas apenas em uma parte específica dela"?
@QasimChaudhari imagine um PLL. O erro de fase é filtrado pela passagem baixa pelo filtro de loop. Conseqüentemente, o erro de fase de alta frequência (ou seja, o ruído que está longe da frequência portadora instantânea) deve contribuir menos (ou nada).


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