Hiện nay, điều chế tần số (Frequence Modulation - FM) trong lĩnh vực điện tử đang trở thành một phương pháp quan trọng và mạnh mẽ nhất. Điều này là nhờ chúng có khả năng giúp truyền tải tín hiệu một cách ổn định, chống nhiễu và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực. Tuy nhiên, quá trình tổng hợp một sóng đơn thông qua điều chế FM dải hẹp có một số khác biệt về nguyên lý, phương pháp và thiết kế mạch so với các kỹ thuật FM khác. Bài viết này phân tích về điều chế tần số FM và các ứng dụng của nó trong cách mạch điện tử.

Định nghĩa về Single-Tone FM Synthesis

Theo định nghĩa, điều chế tần số trong mạch điện tử là quá trình làm cho tần số tức thời của sóng mang thay đổi theo tín hiệu muốn điều chế. Tín hiệu điều chế của single-tone FM là một dao động hình sin có tần số thấp hơn sóng mang và có dạng như sau:

s(t)=Accos⁡(2πfct+βsin⁡(2πfmt))

Trong đó

• A_c: biên độ sóng mang.
• f_c: tần số sóng mang.
• f_m: tần số tín hiệu điều chế. 
• β là chỉ số điều chế nhằm xác định mức độ lệch tần (nhỏ hơn 1 trong FM dải hẹp).

Đặc điểm của quá trình điều chế FM dải hẹp

Về bản chất, việc chuyển tiếp giữa AM và FM rộng chính là quá trình điều chế FM dải hẹp. Sau quá trình triển khai, nó xuất hiện một số đặc điểm như độ dao động cao, băng thông yêu cầu thấp hay xảy ra méo trong quá trình điều chế. Các đặc điểm này được phân tích cụ thể như phần dưới:

• Đầu tiên, mạch dao động và bộ biến tần giữ được độ tuyến tính cao trong quá trình điều chế là nhờ vào độ lệch tần số nhỏ.
• Tiếp theo, do băng thông là một tài nguyên quý giá nên quá trình điều chế tần số chỉ yêu cầu rất ít băng thông nhằm tiết kiệm phổ tần trong các hệ thống truyền thanh vô tuyến và lĩnh vực hàng không.
• Cuối cùng, do có đặc tính dải hẹp trong quá trình điều chế tần số nên để tránh việc méo xuyên điều chế thì các thành phần trong mạch cần được kiểm soát một cách nghiêm ngặt và cẩn thận.

Phổ tín hiệu điều chế FM có thể được biểu diễn dứi dạng toán học thông qua chuỗi Bessel hoặc xấp xỉ tín hiệu dưới dạng như sau:

Điều này cho thấy tín hiệu có ba thành phần chính: sóng mang và hai biên tần đối xứng quanh tần số sóng mang. Từ đó, việc thiết kế và phân tích mạch có thể dựa vào mô hình tương tự như AM nhưng hiệu quả chống nhiễu được cải thiện.

Công thức trên thể hiện rõ ba thành phần chính của tín hiệu bao gồm sóng mang và hai biên tần số đối xứng xung quanh tần số của sóng mang. Nhờ vậy mà từ các mô hình tương tự như AM thì việc thiết kế và phân tích mạch có thể được thiết kế và phân tích để cải thiện quá trình chống nhiễu. 

Phương pháp tạo ra tín hiệu Single-Tone FM

Để tạo ra tín hiệu FM đơn âm trong thực tế, kỹ sư có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào công nghệ mạch — tương tự (analog) hoặc kỹ thuật số (digital).

Hiện nay, có nhiều phương pháp để tạo ra tín hiệu đơn âm, bao gồm mạch tương tự và mạch kỹ thuật số. Đối với mạch tương tự, các kỹ sư thường sử dụng các diode varactor, transistor hoặc mạch VCO (Voltage Controlled Oscillator) để điều chế ra các tín hiệu đơn âm. Ví dụ, một mạch điều chế tần số VCO thông thường sẽ gồm ba khối chính là bộ phát sóng mang tần, bộ khếch đại và mạng điều khiển tần số. Trong đó, tần số dao động của mạch sẽ thay đổi nhờ vào sóng sin ở cực điều khiển của VCO. Thông thường, các kỹ sư sẽ tích hợp thêm bộ hồi tiếp hoặc sử dụng kỹ thuật PLL để ổn định tần số trung tâm của mạch. Đối với mạch kỹ thuật số, một trong những phương pháp phổ biến nhất để tạo ra Single-Tone FM là nhờ Direct Digital Synthesis (DDS). Tại đây, toàn bộ quá trình điều chế FM sẽ được thực hiện thông qua các phép tính số học để điều chỉnh chính xác các chỉ số điều chế và tần số thiết lập. Một số biến thể của mô hình này được ứng dụng trong quá trình tổng hợp âm dạng FM như chuông điện tử hay các âm sắc kim loại.

Các ứng dụng dụng, thách thức và xu hướng phát triển của Single-Tone NBFM

Single-Tone NBFM có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực từ truyền thông đến nhạc điện tử. Trong hệ thống vô tuyến hàng không, NBFM được dùng để truyền thoại dải hẹp, giúp tiết kiệm phổ tần và tăng khoảng cách kênh. Ở các thiết bị điều khiển từ xa, chẳng hạn máy phát trong đồ chơi hay cảm biến công nghiệp, việc sử dụng FM dải hẹp cho phép tín hiệu hoạt động ổn định trong môi trường nhiễu cao.

Ngày nay, các lĩnh vực lớn như truyền thông, nhạc điện tử hay đều đã ứng dụng rộng rãi single-tone NBFM trong quá trình sản xuất và hoạt động của mình. Cụ thể, NBFM được ứng dụng trong hệ thống vô tuyến hàng không để truyền các thoại có dải hẹp nhằm tiết kiệm phổ tần và tăng khoảng cách giữa các kênh. Ngoài ra, việc sử dụng FM dải hẹp cũng cho phép các tín hiệu hoạt động ổn định trong môi trường có  cao như các đồ chơi trẻ em hay các cảm biến công nghiệp.

Bên cạnh đó, NBFM hiện nay cũng đang có những thách thức cần được xử lý và một trong những vấn đề lớn nhất là việc duy trì độ chính xác ở tần số cao. Nguyên nhân của việc này là khi tần số sóng mang đạt đến mức hàng trăm MHz thì sẽ làm phức tạp các yếu tố ký sinh mạch, trôi nhiệt điều khiển giấy phép phổ tần. Chính vì vậy mà phần lớn các nghiên cứu gần đây đã tập trung nhiều vào các ứng dụng CMOS siêu nhỏ hay PLL kỹ thuật số nhằm khắc phục những hạn chế này.

Vế xu hướng phát triển, quá trình nghiên cứu Single-Tone FM Synthesis trong phạm vi dải hẹp sẽ giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn sự tác động của tham số điều chế đồng thời là vai trò tuyến tính và ảnh hưởng của bộ lọc lên các dạng phổ tín hiệu. Điều này được xem là nền tảng vững chắc để tiếp cận các kỹ thuật tổng hợp cao cấp hơn như multi-carrier FM hay các hệ thống điều chế số phức hợp được dùng trong mạng 5G.