FM-радіо
FM-радіо (англ. FM broadcasting) — технологія радіотрансляції, винайдена Едвіном Говардом Армстронгом, який використав частотну модуляцію (FM), щоб забезпечити високу точність відтворення звуку по радіо. Термін FM є англомовною абревіатурою терміна «частотна модуляція» (англ. frequency modulation).
При частотній модуляції інформація передається за допомогою зміни частоти сигналу-носія, цим вона відрізняється від амплітудної модуляції (AM), яка змінює амплітуду сигналу, лишаючи частоту незмінною.
У більшості країн світу FM-радіостанції використовують ультракороткі радіохвилі на частоті від 87,5 до 108,0 МГц[1]. Однак є деякі винятки з цього правила:
- у більшості країн — колишніх республік СРСР також може використовуватись частота 65-74 МГц;
- в Японії використовуються частоти 76-95 МГц.
Частота, на якій працює кожна окрема станція, зазвичай обирається числом, кратним 100 кГц. У Південній Кореї, на Філіппінах, Південній Америці та деяких інших країнах використовують лише непарні значення. У деяких країнах Європи та Африки — лише парні. В Італії використовують значення, кратні 50 кГц.
Частотна модуляція мовлення демонструє кращу стійкість до амплітудного шуму, оскільки інформація передається на миттєвій частоті, а не на амплітуді сигналу. У широкосмугових ЧМ-системах, таких як ЧМ-мовлення, більшість амплітудних коливань відхиляються детектором, а подальше зменшення досягається шляхом обмеження. У своїй статті 1936 року Едвін Армстронг пояснив, що широкосмугова частотна модуляція (WFM) з обмежувачем має набагато більшу стійкість до амплітудного шуму, ніж амплітудно-модульовані системи, а також зазначив, що ця перевага не діє для вузькосмугової частотної модуляції (NFM).
Частотна модуляція або FM — це форма модуляції, яка передає інформацію шляхом зміни частоти несучої хвилі; старіша амплітудна модуляція або AM змінює амплітуду несучої, залишаючи її частоту постійною. При FM відхилення частоти від призначеної несучої в будь-який момент часу прямо пропорційне амплітуді вхідного (аудіо) сигналу, визначаючи миттєву частоту переданого сигналу. Оскільки широкосмугові FM-сигнали потребують більшої пропускної здатності, ніж AM-сигнали, FM-мовлення розподіляється на діапазони вищих частот (VHF та UHF), де доступні ширші канали.
Максимальне відхилення частоти несучої визначається та регулюється ліцензійними органами в кожній країні. Для стереомовлення максимально дозволене відхилення несучої зазвичай становить ±75 кГц, хоча в Сполучених Штатах дозволені вищі значення при використанні систем SCA. Для монофонічного мовлення найпоширеніше дозволене максимальне відхилення становить ±75 кГц, хоча деякі країни вказують нижче значення для монофонічного мовлення, наприклад, ±50 кГц.
Ширину пропускної здатності FM-передачі можна приблизно визначити за допомогою правила Карсона, яке стверджує, що необхідна ширина пропускної здатності дорівнює подвоєному максимальному відхиленню плюс подвоєному найвищому модулюючому діапазону частоти. Для передачі, що включає RDS, це дає 2 × 75 кГц + 2 × 60 кГц = 270 кГц.
Секрет стійкості FM (частотної модуляції) полягає в тому, що корисний сигнал захований у швидкості (частоті) коливань, а не в їхній висоті (амплітуді).
Ось як це працює:
1. Проблема амплітуди (AM)
Уявіть радіохвилю як морські хвилі. В AM-мовленні звук передається зміною висоти цих хвиль. Проблема в тому, що більшість природних та техногенних завад (блискавки, іскріння двигунів, робота електроприладів) — це теж різкі стрибки "висоти" або напруги. Приймач не може відрізнити, де зміна висоти хвилі була зроблена на радіостанції, а де — через удар блискавки. Тому в АМ ми чуємо тріск і шум.
2. Постійна обвідна (Constant-envelope) у FM
У FM-мовленні амплітуда (висота хвилі) завжди залишається однаковою. Інформація кодується тим, наскільки часто хвилі слідують одна за одною. Оскільки "зріст" хвилі не несе ніякої інформації, він має бути стабільним. Ця стабільна лінія "верхівок" хвиль і називається постійною обвідною.
3. Магія обмежувача (Limiting)
Коли FM-сигнал подорожує в ефірі, на нього теж накладаються завади, які "скубуть" його за верхівки, роблячи їх нерівними. Але оскільки ми знаємо, що у справжнього FM-сигналу всі піки мають бути однакової висоти, приймач використовує каскад, який називається обмежувачем (limiter).
Він просто "відрізає" все, що виходить за межі встановленого рівня амплітуди. Це схоже на те, якби ви пропускали нерівний паркан через калібрувальний станок, який зрізає всі зайві верхівки, роблячи їх ідеально рівними.
Чому це прибирає шум?
Після того, як обмежувач "зрізав" амплітудний шум, у нас залишається чистий сигнал з постійною амплітудою, де збережена лише частота. Оскільки шум від електроприладів переважно "живе" в амплітуді (яку ми щойно відрізали), він просто зникає, і ми чуємо чистий звук.
У FM ми ігноруємо "гучність" (амплітуду) радіохвилі, фокусуючись лише на її "ритмі" (частоті). Оскільки завади псують саме гучність, ми просто відсікаємо все зайве обмежувачем, відновлюючи ідеальну форму сигналу без втрати самої інформації.
Pre-emphasis (передспотворення) та De-emphasis (корекція) — це спосіб «обманути» шум, який виникає під час передачі ФМ-сигналу. Ось як це працює поетапно:
- Трикутний шум. В ФМ-системах специфіка така, що шум розподіляється нерівномірно. Що вища частота звуку (писк, тарілки, скрипка), то більше там «шипіння» ефіру. Цей шум має «трикутну» форму: на низьких частотах його майже немає, а на високих він максимальний.
- Pre-emphasis (на передавачі). Щоб корисний звук не потонув у цьому шумі, ми штучно підсилюємо високі частоти ще до того, як відправити сигнал в антену.Низькі частоти залишаємо як є. Високі — робимо значно гучнішими.Тепер на високих частотах наш корисний сигнал набагато сильніший за шум ефіру.
- De-emphasis (у приймачі). Радіоприймач отримує цей «перекошений» сигнал (де забагато високих). Щоб звук став природним, приймач робить зворотну дію: послаблює високі частоти до нормального рівня. Головний бонус: Коли приймач зменшує гучність високих частот сигналу, він одночасно зменшує і гучність шуму, який налип в ефірі.
Рівень цього підсилення вимірюється в мікросекундах. В Україні та Європі — 50мс. В Америці — 75мс. Якщо налаштувати приймач неправильно, звук буде або занадто глухим, або занадто «цикаючим».
Проблема сучасної музики: Старі стандарти розраховували на спокійну музику. У сучасному року чи електроніці й так багато «верхів». Якщо їх ще додатково підсилити перед передачею, сигнал може вийти за межі частотної смуги. Тому на радіостанціях стоять спеціальні лімітери, які стежать, щоб високі частоти не «перевантажили» ефір.
Тобто ми робимо високі частоти гучнішими перед передачею, щоб потім у приймачі приглушити їх разом із шумом.
Ідея Едвіна Армстронга полягала в тому, що одну радіочастоту можна використовувати як «контейнер». Замість того, щоб передавати лише один звук, ми додаємо до нього «піднесучі» (subcarriers) — додаткові сигнали на вищих частотах, які не чутно звичайним вухом, але які розуміє приймач. Щоб старі моно-приймачі могли слухати стерео-станції (зворотна сумісність), інженери застосували математичний трюк:
- Основний канал (L+R): Передається сума лівого і правого каналів. Моно-радіо бачить тільки цей сигнал і відтворює повний звук в один динамік.
- Стерео-різниця (L−R): Передається окремо на високій частоті (38 кГц).
- Результат: Стерео-приймач робить обчислення:
- (L+R) + (L-R) = 2L (отримуємо чистий лівий канал).
- (L+R) - (L-R) = 2R (отримуємо чистий правий канал).
Пілот-тон (19кГц) - синусоїдf 19 кГц, яка служить опорною фазою для декодування стереофонічної інформації. При запису радіопередач на магнітну плівку пілот-тон є проблемою, оскільки вносить додаткові залишкові високочастотні компоненти сигналу, що залишилися після демультиплексування (докладніше дивіться MPX-фільтр).
Стерео сигнал завжди шумніше за моно. Коли ми знаходемось далеко від станції, ми чуєте шипіння. Якщо перемкнути радіо в режим «Mono», шипіння зникає. Це тому, що канал «різниці» (L-R) дуже чутливий до завад. Саме тому сучасні автомагнітоли автоматично переходять у моно, коли сигнал слабшає.
Вихідна потужність FM-передавача є одним із параметрів, що визначає, наскільки передвач здатен щільно покрити площу. Іншими важливими параметрами є висота передавальної антени та коефіцієнт підсилення антени . Потужність передавача слід ретельно вибирати, щоб покривати необхідну площу, не створюючи перешкод для інших станцій, розташованих далі. Практична потужність передавача коливається від кількох міліват до 80 кВт. Зі збільшенням потужності передавача понад кілька кіловат експлуатаційні витрати стають високими та вигідними лише для великих станцій. ККД більших передавачів зараз перевищує 70% (вхід змінного струму до виходу радіочастотної потужності) лише для FM-передачі. Для порівняння, до використання високоефективних імпульсних джерел живлення та підсилювачів LDMOS цей показник становив 50%. ККД різко падає, якщо додається будь-яка цифрова служба HD Radio.
Радіохвилі УКХ-діапазону зазвичай не поширюються далеко за межі горизонту, тому дальність прийому FM-станцій зазвичай обмежена 50–60 кілометрами. Вони також можуть бути заблоковані пагорбами та меншою мірою будівлями. Люди з чутливішими приймачами або спеціалізованими антенними системами, або ті, хто знаходиться в районах з більш сприятливим рельєфом, можуть приймати корисні FM-сигнали на значно більших відстанях.
Більшість країн Європи планують відмовитись від FM-радіостанцій на користь нового формату цифрового радіо (Digital Audio Broadcasting, DAB). Норвегія стала першою країною, у якій до кінця 2017 року припинили мовлення національні FM-станції (хоча деякі місцеві ще залишилися)[2]. У Швейцарії перехід на стандарт DAB планується протягом 2020—2024[3]. Загалом, в сучасності, будь-яке радіомовлення стає практично неактуальним у зв'язку з розвитком мережі інтернет та можливістю отримувати контент за запитом.
- ↑ Transmission standards for FM sound broadcasting at VHF. ITU Rec. BS.450. Міжнародний телекомунікаційний союз. с. 4—5. Архів оригіналу за 6 листопада 2012. Процитовано 4 лютого 2017.
- ↑ Norway is first country to turn off FM radio and go digital-only. newscientist.com. 10 січня 2017. Архів оригіналу за 27 січня 2017. Процитовано 4 лютого 2017.
- ↑ Global Summary (PDF). WorldDAB. 29 липня 2016. Архів оригіналу (PDF) за 6 жовтня 2016. Процитовано 4 лютого 2017.