Trong kỹ thuật truyền thanh bằng sóng dài, sóng trung và sóng ngắn, thường dùng phướng pháp điều biên(sóng AM); còn với sóng cực ngắn thường dùng điều tần (sóng FM).

Định nghĩa

FM là viết tắt của Frequency Modulation, nghĩa là điều chế tần số. Đây là một phương pháp truyền tải thông tin bằng cách thay đổi tần số của sóng mang theo tín hiệu đầu vào, thường được áp dụng trong:

• Phát thanh
• Truyền hình
• Các hệ thống truyền thông không dây

Phương pháp này được phát minh vào năm 1933 bởi kỹ sư người Mỹ Edwin Armstrong và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để truyền âm thanh trung thực hơn trong phát thanh radio . Phát sóng FM có chất lượng âm thanh vượt trội so với sóng AM, công nghệ phát thanh radio cạnh tranh chính, FM được sử dụng cho hầu hết các chương trình phát nhạc. Các đài phát thanh FM sử dụng tần số VHF. Thuật ngữ "băng tần FM" mô tả dải tần số ở một quốc gia được dành riêng cho phát sóng FM.

Trong kỹ thuật điện tử, điều chế tần số được sử dụng để truyền tải tín hiệu âm thanh và hình ảnh, giúp giảm thiểu nhiễu và cải thiện chất lượng truyền dẫn. Điều chế tần số (hay biến điệu tần số, tiếng Anh: Frequency modulation viết tắt là "FM") được áp dụng trong kỹ thuật vô tuyến điện và xử lý tín hiệu.

Nguyên lý cơ bản

Điều chế Tần số được sử dụng ngày càng rộng rãi bởi tính ổn định cao khả năng mang được thông tin hơn. Giống như điều chế biên độ, đây là một trong hai phương pháp điều chế tín hiệu cơ bản, đồng thời là nền tảng cho các phương pháp điều chế hiện đại như FSK, ASK, PSK và QAM.

Tuỳ theo kiểu điều chế mà sự phụ thuộc giữa tín hiệu điều chế (FM Signal) với thông tin nguồn sẽ có thể khác nhau. Ví dụ, khi đã được điều chế, tín hiệu đầu ra có thể xác định bằng một trong ba công thức sau:

Trên cơ sở đó, mô hình dưới đây minh họa sự thay đổi tần số của tín hiệu đã điều chế theo biến thiên của tín hiệu nguồn:

Hình bên cho thấy rằng: khi tín hiệu nguồn bằng 0, tần số sóng mang là F₀. Khi tín hiệu đat biên độ cực đại, tần số sóng mang cũng tăng lên mức cao nhất, tạo nên sự thay đổi “nhanh” và “chậm” của bước sóng. 

Các phương pháp điều chế

Điều chế tần số (FM - Frequency Modulation) là kỹ thuật quan trọng trong truyền thông vô tuyến, nơi tần số của sóng mang được điều chỉnh theo tín hiệu điều chế. Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện điều chế tần số, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến:

1. Điều Chế Tần Số Băng Hẹp (NBFM):

Điều chế tần số băng hẹp (NBFM) được sử dụng khi độ lệch tần số của sóng mang nhỏ hơn nhiều so với tần số tín hiệu. Phương pháp này thích hợp cho các ứng dụng cần băng thông hẹp, như liên lạc vô tuyến nghiệp dư và một số hệ thống thông tin di động.

2. Điều Chế Tần Số Băng Rộng (WBFM):

Điều chế tần số băng rộng (WBFM) có độ lệch tần số lớn hơn, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chất lượng âm thanh cao như phát thanh FM. Điều này cho phép truyền tải nhiều thông tin hơn và cải thiện chất lượng âm thanh.

3. Điều Chế Tần Số Sóng Mang Số (Digital Frequency Modulation):

Sử dụng tín hiệu số để điều chỉnh tần số của sóng mang. Đây là một phương pháp hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin số như truyền hình số và các mạng viễn thông di động.

Quá trình điều chế tần số có thể được mô tả bằng biểu thức toán học như sau:

Một số ưu và nhược điểm của các phương pháp điều chế tần số:

Các phương pháp điều chế tần số khác nhau đáp ứng các nhu cầu cụ thể trong truyền thông, từ các hệ thống liên lạc đơn giản đến các hệ thống phát thanh, truyền hình và viễn thông hiện đại.

So sánh giữa sóng FM và AM

Trong hệ thống radio AM, mỗi trạm chiếm băng thông tối đa là 10KHz, nên khoảng cách giữa các sóng mang là 10 kHz. Trong hệ thống radio FM, mỗi trạm chiếm băng thông là 200KHz, do đó khoảng cách giữa các sóng mang là 200 kHz.

Tần số khác nhau

Điều chế tần số (FM) có nghĩa là tần số của tàu sân bay tần số cao không phải là hằng số, mà là một phương pháp điều chế thay đổi trong một phạm vi nhất định với tín hiệu điều chỉnh và biên độ của nó là hằng số.

Điều chế biên độ (AM) có nghĩa là tần số của tần số mang là không đổi và biên độ của nó thay đổi theo tín hiệu điều chế. Điều chế biên độ, còn được gọi là sóng trung bình, dao động từ 503 đến 1060KHz. Điều chế biên độ là một tín hiệu điện sử dụng mức âm thanh để thay đổi biên độ. Khoảng cách xa, và nó bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các yếu tố thời tiết, phù hợp cho phát thanh liên tỉnh.

AM và FM chỉ khác nhau trong cách điều chế sóng điện từ

Cả sóng điện từ tín hiệu và sóng điện từ dao động cục bộ đều có tần số chênh lệch (tức là tần số trung gian) sau khi đi qua bộ trộn, sau đó khuếch đại và phát hiện tần số trung gian để có được tín hiệu âm thanh, sau đó khuếch đại tín hiệu âm thanh và âm thanh qua tai nghe hoặc loa. Superheterodyne có nghĩa là tần số dao động cục bộ cao hơn một tần số trung gian cao hơn tần số tín hiệu. Ngược lại, nếu tần số dao động cục bộ thấp hơn một tần số trung gian so với tần số tín hiệu, nó được gọi là chênh lệch siêu âm.

Chất lượng âm thanh

Sóng AM: Chất lượng âm thanh của sóng AM thường kém hơn so với FM do dễ bị nhiễu từ các nguồn điện tử khác và hiện tượng phai mờ (fading). Sóng AM thích hợp cho việc truyền tải giọng nói hơn là âm nhạc vì băng thông hẹp và chất lượng âm thanh thấp.

Sóng FM: cung cấp chất lượng âm thanh tốt hơn, ít bị nhiễu hơn do kỹ thuật điều chế tần số ít nhạy cảm với nhiễu từ môi trường. Sóng FM có băng thông rộng hơn, thích hợp cho truyền tải âm nhạc và âm thanh có độ trung thực cao.

Khả năng chống nhiễu

Sóng AM: Dễ bị nhiễu bởi các thiết bị điện tử và điều kiện thời tiết do nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ của sóng mang. Nhiễu có thể đến từ các nguồn như động cơ, đèn neon, và thậm chí từ hoạt động mặt trời.

Sóng FM: Khả năng chống nhiễu tốt hơn do nhiễu thường ảnh hưởng đến biên độ hơn là tần số. Sóng FM có thể lọc bỏ phần lớn nhiễu, dẫn đến âm thanh rõ ràng hơn. Tuy nhiên, sóng FM bị giới hạn bởi tầm phủ sóng và hiệu ứng địa hình.

Ứng dụng

Biến điệu sóng điện từ không chỉ đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện tại mà còn là nền tảng cho những lĩnh vực khác nhau:

• Truyền thông: Đây là lĩnh vực ứng dụng rộng rãi nhất, tất cả thiết bị đều dựa trên nguyên lý biến đổi tín hiệu để truyền tải thông tin.

• Vệ tinh: Vệ tinh sử dụng biến điệu để truyền tải dữ liệu xuống Trái Đất và ngược lại, tạo nên các dịch vụ như truyền hình, định vị toàn cầu (GPS).
• Radar: Radar sử dụng phương pháp này để phát hiện và xác định vị trí của các vật thể.
• Y tế: Một số thiết bị y tế như máy chụp X-quang, máy MRI cũng sử dụng sóng điện từ để tạo ra hình ảnh bên trong cơ thể người.
• Hàng không: Hệ thống điều khiển không lưu, liên lạc hàng không đều dựa trên công nghệ biến đổi tín hiệu để đảm bảo an toàn cho các chuyến bay.

Lưu ý khi phân tích

Phân tích biến điệu của sóng điện từ đòi hỏi sự chính xác và hiểu biết chuyên sâu, do đó bạn cần chú ý đến các yếu tố sau:

• Cần xác định loại biến điệu (AM, FM, PM) để chọn đúng phương pháp phân tích phù hợp. Mỗi loại biến điệu có đặc trưng phổ tần khác nhau, đòi hỏi các kỹ thuật xử lý tín hiệu riêng biệt.
• Nắm rõ tần số mang và tần số tín hiệu để tính toán các thông số quan trọng như băng thông, hiệu suất biến điệu.
• Đánh giá mức độ nhiễu trong tín hiệu nhận được và ảnh hưởng của nó đến chất lượng truyền thông.
• Xác định các loại mất mát (tắt dần, nhiễu, méo) và ảnh hưởng của chúng đến tín hiệu.
• Sử dụng các thiết bị đo chuyên dụng như máy phân tích phổ, oscilloscope để thu thập dữ liệu và phân tích tín hiệu.