Điều chế tần số (FM) đã tồn tại gần như cùng thời với điều chế biên độ (AM), nhưng nó phải đối mặt với một số thách thức. Bản thân FM đã đáng tin cậy, nhưng tiềm năng của nó, đặc biệt là với máy phát FM, ban đầu đã bị bỏ qua. Vào thời kỳ đầu của thông tin liên lạc không dây, người ta tin rằng FM yêu cầu ít băng thông hơn và có khả năng giảm nhiễu và nhiễu xuyên âm tốt hơn. Điều này khiến FM bị lu mờ trong khi AM lại trở nên phổ biến. Sau đó, kỹ sư người Mỹ Edwin Armstrong đã cố gắng một cách có chủ ý để khai phá tiềm năng của máy phát FM. Ông là người tiên phong trong việc sử dụng FM để phát sóng, đi ngược lại xu hướng phổ biến thời đó.

Định nghĩa

Trong điều chế tần số (FM), độ lệch tần số đề cập đến sự thay đổi tối đa của tần số sóng mang so với tần số trung tâm của nó. Tần số của tín hiệu mang được thay đổi dựa trên biên độ của tín hiệu điều chế (thường là tín hiệu âm thanh), và độ lệch này xác định phạm vi mà tần số sóng mang dao động.
Tín hiệu điều chế, mang âm thanh hoặc thông tin dự định, làm cho tần số tức thời của sóng mang dịch chuyển lên trên và xuống dưới tần số trung tâm của nó. Mức độ của sự thay đổi này, được gọi là độ lệch tần số, thường được đo bằng hertz (Hz) và cho biết khoảng cách tối đa mà tần số sóng mang di chuyển so với trung tâm của nó.
Trong phát sóng FM, độ lệch tần số thường bị giới hạn, chẳng hạn như ở mức ±75 kHz, nghĩa là tần số sóng mang có thể thay đổi tối đa 75 kHz theo cả hai hướng. Sự sai lệch này ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh khác nhau của việc truyền FM, bao gồm băng thông cần thiết để truyền tín hiệu, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm và độ trung thực tổng thể của âm thanh.
Cũng đáng lưu ý rằng độ lệch tần số có liên quan đến chỉ số điều chế (β), tỷ lệ giữa độ lệch tần số và tần số tín hiệu điều chế. Chỉ số điều chế xác định mức độ điều chế tần số được áp dụng cho tín hiệu sóng mang và ảnh hưởng đến yêu cầu về phổ và băng thông của tín hiệu FM.

Thách thức của việc tạo ra FM trực tiếp

Mạch tạo tần số FM trực tiếp phải đáp ứng hai yêu cầu đối lập: tần số tức thời phải điều chỉnh nhanh chóng theo tín hiệu điều chế, trong khi tần số trung tâm của dao động cần phải ổn định theo thời gian. Cân bằng những mục tiêu này với một bộ dao động duy nhất có thể khó khăn. Như sẽ được khám phá trong một bài viết sắp tới, một giải pháp là sử dụng máy phát FM gián tiếp, cho phép bộ dao động sóng mang không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu điều chế. 

Một phương pháp khác để ổn định tần số sóng mang là thông qua cơ chế phản hồi, được gọi là điều khiển tần số tự động (AFC). Mạch AFC tăng cường độ ổn định tần số trung tâm mà không cần dựa vào tinh thể trong bộ dao động chính của bộ điều chế.

Các phương án cải thiện

Một bộ điều chế FM hoạt động ở tần số 5 MHz thường có độ lệch tần số khoảng ±4 kHz, nhỏ hơn nhiều so với mức ±75 kHz dùng trong phát thanh FM thương mại. Để đạt được độ lệch tần số lớn hơn, ta có thể sử dụng bộ nhân tần số.

Bộ nhân tần số tạo ra tín hiệu mới với tần số là bội số của tần số ban đầu. Cụ thể, nếu tín hiệu đầu vào là sóng hình sin với góc pha θ, khi đi qua bộ nhân tần số với hệ số n, góc pha của tín hiệu đầu ra sẽ là nθ. Điều này có nghĩa là khi tín hiệu FM được nhân tần số n lần, độ lệch tần số cũng tăng lên n lần.

Ví dụ, với tín hiệu FM có tần số sóng mang 5 MHz và độ lệch tần số ±4 kHz, nếu nhân tần số lên 18 lần, ta sẽ được tín hiệu FM mới với tần số sóng mang là 5 MHz × 18 = 90 MHz và độ lệch tần số là ±4 kHz × 18 = ±72 kHz. Những thông số này gần với chuẩn phát thanh FM thương mại.

Để nhân tần số, người ta thường dùng các mạch nhân đôi (x2) hoặc nhân ba (x3), thực hiện qua nhiều giai đoạn. Chẳng hạn, để đạt hệ số nhân 18, ta có thể kết hợp hai giai đoạn nhân ba và một giai đoạn nhân đôi, như minh họa trong sơ đồ kèm theo.

Điều chế tần số thứ cấp

Có hai cách để đạt được điều chế tần số thứ cấp:

1) Lưới điện tần số điều độ Điều độ viên trạm điều độ trung tâm ra lệnh điều chỉnh phụ tải tới từng nhà máy theo lưu lượng phụ tải và tần số lưới, đồng thời từng tổ máy phát điện điều chỉnh để thực hiện điều chỉnh tần số thứ cấp của toàn lưới.

2) Sử dụng hệ thống điều khiển tự động (AGC) và máy tính (bộ điều phối máy tính) điều khiển các bộ phận của từng nhà máy để thực hiện toàn bộ quá trình điều chỉnh tần số. Mỗi đơn vị tham gia hệ thống phải có nhiều hệ thống điều khiển phối hợp.

Chức năng điều chỉnh tần số sơ cấp của đơn vị có nghĩa là khi tần số lưới vượt quá dải thông thường quy định, việc thay đổi tần số lưới sẽ khiến hệ thống điều tốc của từng đơn vị tham gia điều chỉnh tần số sơ cấp trong lưới tự động tăng hoặc giảm công suất của thiết bị theo sự thay đổi của tần số lưới. Một chức năng đạt được sự cân bằng mới và hạn chế những thay đổi về tần số lưới trong một phạm vi nhất định. Tiểu học tần số Chức năng điều tiết là phương tiện quan trọng để duy trì sự ổn định của lưới điện.

Biến động tải dẫn đến thay đổi tần số và tần số hệ thống có thể được giữ trong phạm vi thay đổi được chỉ định thông qua điều chế tần số sơ cấp và thứ cấp. Đối với độ lệch tần số do phạm vi thay đổi tải nhỏ và thời gian thay đổi ngắn gây ra, nó thường được điều chỉnh bởi bộ điều tốc của máy phát, được gọi là điều chế tần số sơ cấp. Đối với độ lệch tần số do thay đổi tải tương đối lớn và thời gian thay đổi dài gây ra, chỉ riêng bộ điều chỉnh không thể giới hạn nó trong phạm vi xác định và phải sử dụng bộ điều chế tần số để điều chỉnh tần số, được gọi là điều chế tần số thứ cấp.

Để đảm bảo sự ổn định tần số của lưới điện, thông thường cần phải thực hiện điều chỉnh tần số trên liên kết nguồn, nghĩa là điều chỉnh tần số sơ cấp và thứ cấp. Bộ điều chỉnh tần số thứ cấp dùng để chỉ bộ điều chỉnh tần số của bộ máy phát điện. Điều chỉnh độ lệch tần số dài hơn (10 giây ~ 30 phút). Nói chung, có những nhà máy FM làm công việc này.

Độ lệch tần số

Lượng thay đổi của tần số sóng mang do biên độ của tín hiệu điều chế đầu vào tạo ra được gọi là độ lệch tần số.
Tần số sóng mang dao động giữa fmax và fmin khi biên độ tín hiệu đầu vào thay đổi.
Sự khác biệt giữa fmax và fc được gọi là độ lệch tần số. fd = fmax – fc
Tương tự, sự khác biệt giữa fc và fmin cũng được gọi là độ lệch tần số. fd = fc – fmin
Nó được ký hiệu là Δf. Do đó, Δf = fmax – fc = fc – fmin
Do đó, fd = fmax – fc = fc – fmin

Kết luận

Điều chế tần số (FM) được sử dụng trong các ứng dụng như phát thanh FM, radar, thăm dò địa chấn, đo từ xa, theo dõi cơn động kinh ở trẻ sơ sinh dựa trên EEG, tổng hợp âm nhạc, hệ thống radio hai chiều, ghi băng từ và hệ thống phát sóng video. Dựa trên điều này, có thể kết luận rằng trong điều chế FM, cả hiệu quả và băng thông đều bị ảnh hưởng bởi chỉ số điều chế tối đa và tần số điều chế. So với điều chế biên độ, điều chế tần số (FM) cung cấp băng thông rộng hơn, hiệu quả hơn và khả năng chống nhiễu tốt hơn.