Frequenzmodulation
Abkürzung:  FM
Animiertes Diagramm, illustriert den Unterschied zwischen Frequenzmodulation (FM) und Amplitudenmodulation (AM).

Die Frequenzmodulation (FM) ist ein Modulationsverfahren, bei dem die Trägerfrequenz durch das zu übertragende Signal verändert wird. Die Frequenzmodulation ermöglicht gegenüber der Amplitudenmodulation einen höheren Dynamikumfang des Informationssignals. Weiterhin ist sie weniger anfällig gegenüber Störungen. Das Verfahren wurde von John Renshaw Carson schon 1922 mathematisch untersucht und von Edwin Howard Armstrong zuerst praktisch umgesetzt. Die Frequenzmodulation ist eine Winkelmodulation und verwandt mit der Phasenmodulation. Nicht zu verwechseln ist sie mit der als digitale Frequenzmodulation oder auch als Miller-Code bezeichneten Kanalcodierung, welche beispielsweise bei magnetischen Datenträgern zur Datenaufzeichnung Anwendung findet.

Modulation


Ein frequenzmoduliertes Signal kann bei hohen Frequenzen mit Hilfe einer Oszillatorschaltung erzeugt werden, deren frequenzbestimmender Schwingkreis eine spannungsabhängige Kapazität, typischerweise eine Kapazitätsdiode, enthält, an welche das Modulationssignal als Signalspannung gelegt wird. Dadurch ändern sich die Kapazität der Diode und damit auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. FM bei tiefen Frequenzen lässt sich einfacher mit spannungsgesteuerten Oszillatoren erzeugen. Zur digitalen Erzeugung eines frequenzmodulierten Signals lässt sich vorteilhaft eine Direct Digital Synthesis-Schaltung (DDS) oder die Quadraturamplitudenmodulation (IQ-Modulation) verwenden.  

Modulationsgewinn, rauschbegrenzte Empfindlichkeit


Gegenüber einer Amplitudendemodulation (AM) hat ein FM-Demodulator einen Modulationsgewinn – er bewertet das Rauschen weniger als das Nutzsignal. Bei zu geringem Träger-Rausch-Verhältnis (CNR von engl. Carrier to Noise Ratio) verliert die FM diesen Modulationsgewinn. Es treten durch Phasensprünge Fehler bei der Bestimmung der Momentanfrequenz auf, die sich in kurzen Nadelimpulsen im Signal äußern. Dieser Verlust des Modulationsgewinnes beginnt unterhalb von 12 dB CNR und führt unterhalb 5,5…9 dB CNR (FM-Schwelle) zu einer starken Verschlechterung des Empfanges.

Die „Fischchenbildung“ beim analogen SAT-Empfang ist z. B. auf dieses Problem zurückzuführen.

Anwendung der Frequenzmodulation

Funktechnik


FM ermöglicht eine qualitativ gute, störungsarme drahtlose Übertragung von Hörfunkprogrammen. Sie wird auch für den Fernsehton und oft auch beim Sprechfunk genutzt. Während bei AM auch durch einen schmalbandigen Filter das Signal nicht ganz vom Rauschen getrennt werden kann, ist es beim FM-Empfänger trotz des breitbandigen Filters möglich, die Qualität wesentlich zu verbessern:

der Demodulator (Ratiodetektor, Koinzidenzdemodulator, PLL-Demodulator) wird kaum durch Amplitudenschwankungen beeinflusst
Amplitudenschwankungen werden zusätzlich durch eine Signalbegrenzung (Begrenzerverstärker) reduziert die Sendeleistung ist konstant hoch
Frequenzgangfehler bei der Demodulation ergeben nur geringe nichtlineare Verzerrungen Gleichkanalstörungen – also im gleichen Frequenzbereich – erzeugen geringere NF-Störungen als bei Verwendung von AM
Schwunderscheinungen haben kaum Einfluss – die Empfangsfeldstärke darf schwanken

Durch die erste Anwendung von FM beim UKW-Hörfunk kam es vor allem im englischsprachigen Bereich zur technisch unkorrekten Gleichsetzung der Begriffe FM und UKW.

Audio/Video-Technik


Das Videosignal auf Videorekordern und der Ton bei Hifi-Videorekordern ist frequenzmoduliert aufgezeichnet. Analoges Satelliten-TV wird ebenfalls frequenzmoduliert.

Messtechnik


Durch periodische Änderung der Frequenz eines Messgenerators (Wobbelgenerator) innerhalb eines bestimmten Bereiches kann die Durchlasskennlinie einer elektrischen Baugruppe (z. B. Bandpass) oder eines ganzen Systems bestimmt werden. Dabei wird der Amplitudengang als Funktion der Frequenz aufgetragen. Dieser Vorgang wird auch als Wobbeln bezeichnet.

Fernsehtechnik


Der Tonkanal wird bei analogen Fernsehsendern immer auf einem eigenen Träger frequenzmoduliert übertragen. Die Trägerfrequenz liegt 5,5 MHz (CCIR) bzw. 6,5 MHz (OIRT) neben der Bildträgerfrequenz. Im Empfänger wird die Differenzfrequenz durch Mischung von Bild- und Tonträgerfrequenz gewonnen und nach Filterung wie beim UKW-Empfang demoduliert. Die Fernsehnorm SECAM verwendet FM zur Übertragung der Farbinformation.

FM-Anlage für schwerhörige Menschen


Zur Tonübertragung von Rundfunk- und Fernsehton sowie in Schulklassen und Konferenzräumen werden spezielle FM-Tonübertragungsanlagen für schwerhörige Menschen verwendet.

Digitaltechnik


Durch Frequenzumtastung und ähnliche Verfahren können binäre Informationen kodiert und über größere Strecken (zum Beispiel über Telefonleitungen) übertragen werden.

Drucktechnik


Frequenzmodulierte Rasterung: Rasterverfahren, das mit sehr kleinen Bildpunkten gleicher Größe arbeitet. Die Bildwiedergabe wird durch unterschiedlich dichte Streuung der Punkte erreicht. Lichte Bildstellen haben wenig Bildpunkte, tiefe Bildstellen mehr. Im Gegensatz dazu steuert das klassische amplitudenmodulierte Raster die Bildwiedergabe durch Variation der Punktgrößen und Rasterwinkel. FM-Raster ermöglichen eine fotorealistische Halbtonwiedergabe und eine detailreichere Wiedergabe, selbst auf Druckern mit geringer Auflösung. Moiré-Effekte werden vermieden. Auch die Auflösung der Vorlagen kann bei vergleichbarer Ausdruckqualität niedriger sein als bei amplitudenmodulierten Rastern. Ein „unruhiges“ Bild kann in glatten Flächen, homogenen Rasterflächen oder Verläufen entstehen.

Elektronische Musik


Frequenzmodulation (FM) ermöglichte schon bei den frühesten analogen Modular-Synthesizern (um 1960) die Erzeugung recht komplexer Klänge. Beim Umstellen auf Digitaltechnik erkannte man, dass es viel günstiger ist, Phasenmodulation (PM) zu verwenden. Das führt zu einem erheblichen klanglichen Unterschied: ein Grund dafür wurde oben schon genannt – es ist der mit steigender Modulatorfrequenz bei FM schwindende Phasenhub, der dagegen bei PM konstant bleibt. Bei PM bleibt also die Stärke der Partialtöne auch bei Änderung der Modulatorfrequenz konstant, das vereinfacht die Handhabung. Die bei FM schwer zu kontrollierenden Frequenzabweichungen treten bei PM nicht auf, da kein direkter Zugriff auf die Frequenz erfolgt. Das macht die Programmierung von Klängen mittels PM verglichen mit FM für den Musiker wesentlich einfacher. Allerdings wird ein mittels PM erzeugtes Vibrato mit sinkender Frequenz schwächer.

Nur aus historischen Gründen wurde die Bezeichnung FM weiterhin verwendet, z. B. bei den Geräten der Firma Yamaha (DX7 usw.).

Frequenzmodulationen in der Akustik


Frequenzmodulation bestimmt oft den Charakter von Klangkörpern und Musikinstrumenten. Bei Lautsprechern ist sie dagegen unerwünscht.

Klangkörper


Klangkörper, die eine ausgedehnte Fläche haben (z. B. Glocken, Gongs, Röhren, Platten, Bleche), führen oft frequenzmodulierte Eigenschwingungen aus:

Ein Metallblech hat eine gewisse Steifheit, die es dem Versuch, es zu verbiegen, entgegensetzt. Durch Wellenform kann diese Steifheit in einer Richtung vergrößert werden (Wellblech).

Breitet sich eine Biegewelle über ein ebenes Blech aus, entstehen und verschwinden solche Wellen-Strukturen periodisch. Eine senkrecht dazu verlaufende höherfrequente Welle einer (weiteren) Eigenschwingung findet nun genau in diesem Rhythmus ein steiferes oder weicheres Medium vor; die Frequenz dieser Eigenschwingung wird somit aufgrund der daraus resultierenden unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Rhythmus der Biegewelle moduliert.

Ein Beispiel, an welchem sich dies sowohl statisch als auch dynamisch demonstrieren lässt, ist ein von Hand variabel verbogenes Band aus Federstahl (z. B. ein großes Sägeblatt), welches dabei angeschlagen wird.

Musikinstrumente


Saiten von Saiteninstrumenten werden frequenzmoduliert, indem man ihre Länge oder ihre Spannung ändert. Ersteres wird beim Vibrato und dem Glissando bei Streichinstrumenten und auch der Sitar angewendet, letzteres ebenfalls bei der Sitar, besonders aber bei Gitarren. Die Saitenspannung wird verändert, indem sie auf dem Griffbrett zur Seite gezogen werden oder indem bei elektrischen Gitarren der Saitenhalter bewegt wird (siehe hierzu Tremolo (Gitarre)).

Saiten besitzen darüber hinaus eine amplitudenabhängige Eigenfrequenz, die besonders bei darmbespannten Violinen und Saiteninstrumenten mit geringer Saitenspannung bzw. großer Schwingungsamplitude klanglich zum Tragen kommt.

Unter anderem bei Flöten ist die Tonfrequenz vom Anblasdruck abhängig; dadurch kann ebenfalls eine Frequenzmodulation erzeugt werden, welche allerdings zusätzlich eine Amplitudenmodulation (Tremolo) aufweist.

Lautsprecher


Frequenzmodulation kommt bei Lautsprechern vor, die zugleich hohe Frequenzen und tiefe Frequenzen mit hoher Amplitude wiedergeben; eine Frequenzmodulation der hohen Frequenzen entsteht hierbei durch die sich im Rhythmus der tiefen Frequenz auf den Hörer zu- und wegbewegende Membran (Dopplereffekt). Der Effekt ist unerwünscht und kann durch Zwei- oder Mehrwegeboxen vermieden werden.

Kurzbezeichnung von FM-Arten


  • F1 – Frequenzmodulation; ein einziger Kanal, der quantisierte oder digitale Information enthält (ohne Verwendung eines modulierenden Hilfsträgers)

  • F2 – Frequenzmodulation; ein einziger Kanal, der quantisierte oder digitale Information enthält (unter Verwendung eines modulierenden Hilfsträgers)

  • F3 – Frequenzmodulation; ein einziger Kanal, der analoge Information enthält
     

Bild: CC BY-SA 2.5 File:Amfm3_Modulation.gif Autor: Berserkerus
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