Difference between revisions of "Modulation Methods/Frequency Modulation (FM)"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Winkelmodulation und WM–Demodulation
+
|Untermenü=Angle Modulation and Demodulation
|Vorherige Seite=Phasenmodulation (PM)
+
|Vorherige Seite=Phase Modulation (PM)
|Nächste Seite=Rauscheinfluss bei Winkelmodulation
+
|Nächste Seite=Influence of Noise on Systems with Angle Modulation
 
}}
 
}}
==Augenblicksfrequenz==
+
==Instantaneous frequency==
Wir gehen wieder von einem winkelmodulierten Signal aus:  
+
<br>
:$$s(t) =  A_{\rm T} \cdot \cos (\psi(t)).$$
+
We will once again assume an angle-modulated signal:  
Alle Informationen über das Quellensignal $q(t)$  
+
:$$s(t) =  A_{\rm T} \cdot \cos \big[\psi(t)\big].$$
*sind damit ausschließlich in der Winkelfunktion $ψ(t)$ enthalten,  
+
All the information about the source signal &nbsp;$q(t)$  
*während die Hüllkurve $a(t) = A_{\rm T}$ konstant ist.  
+
*is thus exclusively captured by the angular function &nbsp;$ψ(t)$,  
 +
 
 +
*while the envelope &nbsp;$a(t) = A_{\rm T}$&nbsp; is constant.  
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Definitionen:}$&nbsp; Die '''Augenblickskreisfrequenz''' ist die Ableitung der Winkelfunktion nach der Zeit:
+
$\text{Definitions:}$&nbsp;  
 +
*The&nbsp; &raquo;'''instantaneous angular frequency'''&laquo;&nbsp; is the derivative of the angular function with respect to time:
 
:$$\omega_{\rm A}(t) = \frac{ {\rm d}\psi(t)}{ {\rm d}t}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\omega_{\rm A}(t) = \frac{ {\rm d}\psi(t)}{ {\rm d}t}\hspace{0.05cm}.$$
Entsprechend gilt für die '''Augenblicksfrequenz''':  
+
 
 +
*Accordingly, the &raquo;'''instantaneous frequency'''&laquo; is captured by:  
 
:$$f_{\rm A}(t) = \frac{\omega_{\rm A}(t)}{2\pi} = \frac{1}{2\pi} \cdot \frac{ {\rm d}\hspace{0.03cm}\psi(t)}{ {\rm d}t}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$f_{\rm A}(t) = \frac{\omega_{\rm A}(t)}{2\pi} = \frac{1}{2\pi} \cdot \frac{ {\rm d}\hspace{0.03cm}\psi(t)}{ {\rm d}t}\hspace{0.05cm}.$$
Der '''Frequenzhub''' ist die maximale Abweichung $Δf_{\rm A}$ der zeitabhängigen Augenblicksfrequenz $f_{\rm A}(t)$ von der konstanten Trägerfrequenz $f_{\rm T}$. }}
+
 
 +
*The&nbsp; &raquo;'''frequency deviation'''&laquo;&nbsp; is the maximum deviation &nbsp;$Δf_{\rm A}$&nbsp; of the time-dependent instantaneous frequency &nbsp;$f_{\rm A}(t)$&nbsp; from the constant carrier frequency &nbsp;$f_{\rm T}$. }}
  
  
Bei einer Winkelmodulation mit der Trägerfrequenz $f_{\rm T}$ schwankt die Augenblicksfrequenz zwischen
+
For an angle modulation with carrier frequency &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp;, the instantaneous frequency oscillates in the range
 
:$$f_{\rm T} - \Delta f_{\rm A} \le f_{\rm A}(t) \le f_{\rm T} + \Delta f_{\rm A}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$f_{\rm T} - \Delta f_{\rm A} \le f_{\rm A}(t) \le f_{\rm T} + \Delta f_{\rm A}\hspace{0.05cm}.$$
  
Hervorzuheben ist, dass ein grundsätzlicher Unterschied zwischen der Augenblicksfrequenz $f_{\rm A}(t)$ und dem mit einem Spektrum–Analyzer messbaren Spektrum $S(f)$ eines winkelmodulierten Signals $s(t)$ besteht, wie das nachfolgende Beispiel verdeutlichen soll.  
+
It should be emphasized:
 +
# There is a fundamental difference between the instantaneous frequency &nbsp;$f_{\rm A}(t)$&nbsp; and the spectrum &nbsp;$S(f)$&nbsp; of an angle-modulated signal &nbsp;$s(t)$.
 +
#This is illustrated by the following example.&nbsp; $S(f)$&nbsp; can be measured with a spectrum analyzer. 
 +
 
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Die Grafik zeigt oben das phasenmodulierte Signal
+
[[File:P_ID1101__Mod_T_3_2_S1_neu.png |right|frame| Illustration of the instantaneous frequency]]
:$$s(t) =  A_{\rm T} \cdot \cos (\psi(t)) = A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi  f_{\rm T}  \hspace{0.05cm}t + \eta \cdot \sin (2 \pi f_{\rm N} \hspace{0.05cm} t))$$
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; The graph shows the phase-modulated signal
 +
:$$s(t) =  A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\psi(t)\big] = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[2 \pi  f_{\rm T}  \hspace{0.05cm}t + \eta \cdot \sin (2 \pi f_{\rm N} \hspace{0.05cm} t)\big]$$
  
sowie unten die Augenblicksfrequenz
+
as well as the instantaneous frequency plotted beneath
 
:$$f_{\rm A}(t) = \frac{1}{2 \pi} \cdot \frac{ {\rm d}\hspace{0.03cm}\psi(t)}{ {\rm d}t} = f_{\rm T} + \Delta f_{\rm A}\cdot \cos (2 \pi  f_{\rm N} \hspace{0.05cm} t) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$f_{\rm A}(t) = \frac{1}{2 \pi} \cdot \frac{ {\rm d}\hspace{0.03cm}\psi(t)}{ {\rm d}t} = f_{\rm T} + \Delta f_{\rm A}\cdot \cos (2 \pi  f_{\rm N} \hspace{0.05cm} t) \hspace{0.05cm}.$$
  
Die Systemparameter sind dabei $f_{\rm T} = 50 \ \rm kHz$, $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$ und $η = 3$. Daraus ergibt sich der Frequenzhub zu $Δf_{\rm A} = η · f_{\rm N} = 15 \ \rm  kHz$.  
+
Here,&nbsp; the system parameters are:
 +
*&nbsp;carrier frequency&nbsp; $f_{\rm T} = 50 \ \rm kHz$ &nbsp; &rArr; &nbsp; frequency of&nbsp; $z(t)$,
 +
 +
*&nbsp;message frequency&nbsp; $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$ &nbsp; &rArr; &nbsp; frequency of&nbsp; $q(t)$,
 +
 +
*&nbsp;message modulation index&nbsp; $η = 3$.  
 +
 
 +
 
 +
From this,&nbsp; we derive the&nbsp; (maximum)&nbsp;  frequency deviation
 +
*&nbsp;$Δf_{\rm A} = η · f_{\rm N} = 15 \ \rm  kHz$.  
 +
 
  
[[File:P_ID1101__Mod_T_3_2_S1_neu.png |center|frame| Zur Verdeutlichung der Augenblicksfrequenz]]
+
In the middle, the qualitative progression of the sinusoidal source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; is plotted for reference.  
  
In der Mitte ist zur Orientierung der qualitative Verlauf des sinusförmigen Quellensignals $q(t)$ skizziert. Man erkennt aus diesen Grafiken:
 
*Die Augenblicksfrequenz $f_{\rm A}(t)$ kann alle beliebigen Werte zwischen $f_{\rm T} + Δf_{\rm A} = 65 \ \rm kHz$ (bei $t = 50\ \rm  μs, 250 \ μs$, usw.) und $f_{\rm T} \ – Δf_{\rm A} = 35 \ \rm kHz$ (bei $t = 150\ \rm  μs, 350 \ μs$, usw.) annehmen (siehe grüne Markierungen). Zur Zeit $t ≈ 16.7 \ \rm μs$ gilt beispielsweise $f_{\rm A}(t) = 57.5 \ \rm  kHz$ (violetter Pfeil).
 
*Dagegen besteht die Spektralfunktion $S(f)$ aus diskreten Bessellinien bei den Frequenzen ... , $30, 35, 40, 45, \mathbf{50}, 55, 60, 65, 70$, ... (jeweils in $\rm kHz$). Eine Spektrallinie bei $f = 57.5 \ \rm  kHz$ gibt es nicht im Gegensatz zu einer Spektrallinie bei $f = 70 \ \rm  kHz$. Dagegen gilt zu keinem Zeitpunkt $f_{\rm A}(t) = 70 \ \rm  kHz$.
 
  
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From these graphs,&nbsp; one can see:
 +
*The instantaneous frequency &nbsp;$f_{\rm A}(t)$&nbsp; can take on arbitrary values between &nbsp;$f_{\rm T} + Δf_{\rm A} = 65 \ \rm kHz$&nbsp; $($at &nbsp;$t = 50\ \rm  &micro; s,\ 250 \ &micro; s$, etc.$)$ and &nbsp;$f_{\rm T} \ – Δf_{\rm A} = 35 \ \rm kHz$&nbsp; $($at&nbsp; $t = 150\ \rm  &micro; s, \ 350 \ &micro; s$, etc.$)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; green marks.
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*At time &nbsp;$t ≈ 16.7 \ \rm &micro; s$&nbsp;, for example, &nbsp;$f_{\rm A}(t) = 57.5 \ \rm  kHz$&nbsp; holds &nbsp; &rArr; &nbsp; purple arrow.
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*In contrast,&nbsp; the spectral function &nbsp;$S(f)$&nbsp; consists of discrete Bessel lines at the frequencies ... , $30,\ 35,\ 40,\ 45,\ \mathbf{50},\ 55,\ 60,\ 65,\ 70$, ...&nbsp; $($each in &nbsp;$\rm kHz)$.
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 +
*There is no spectral line at&nbsp;$f = 57.5 \ \rm  kHz$,&nbsp; though there is one at &nbsp;$f = 70 \ \rm  kHz$.&nbsp;
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 +
*In contrast,&nbsp; at no time does &nbsp;$f_{\rm A}(t) = 70 \ \rm  kHz$&nbsp; hold.
  
$\text{Ergo:}$&nbsp; Die Augenblicksfrequenz $f_{\rm A}(t)$ ist also keine physikalisch messbare Frequenz im herkömmlichen Sinne, sondern nur eine fiktive, mathematische Größe, nämlich die Ableitung der Winkelfunktion $ψ(t)$.}}
 
  
==Signalverläufe bei Frequenzmodulation==
+
$\text{Therefore:}$&nbsp;
Wie im Kapitel [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)|Phasenmodulation]] gehen wir weiterhin davon aus, dass das Trägersignal $z(t)$ cosinusförmig verläuft und das Quellensignal $q(t)$ spitzenwertbegrenzt ist.
 
  
 +
The&nbsp; '''instantaneous frequency &nbsp;$f_{\rm A}(t)$&nbsp; is thus not a physically measurable frequency'''&nbsp; in the conventional sense,&nbsp; but only an&nbsp; &raquo;'''abstract mathematical quantity'''&laquo;,&nbsp; namely the derivative of the angular function &nbsp;$ψ(t)$.}}
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 +
==Signal characteristics with frequency modulation==
 +
<br>
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As in the chapter &nbsp;[[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)|"Phase Modulation"]]&nbsp; we will assume that the carrier signal &nbsp;$z(t)$&nbsp; has a cosine waveform and the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; is peak-limited.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Definition:}$&nbsp; Ist bei einem Übertragungssystem die Augenblickskreisfrequenz $ω_{\rm A}(t)$ linear abhängig vom Momentanwert des Quellensignals $q(t)$, so spricht man von '''Frequenzmodulation''' (FM):  
+
$\text{Definition:}$&nbsp; If the instantaneous angular frequency&nbsp;$ω_{\rm A}(t)$&nbsp; of a communication system is linearly dependent on the instantaneous value of the source signal  &nbsp;$q(t)$,&nbsp; we call this&nbsp; &raquo;'''frequency modulation'''&laquo;&nbsp; $\rm (FM)$:  
$$\omega_{\rm A}(t) = 2 \pi \cdot f_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot q(t)
+
:$$\omega_{\rm A}(t) = 2 \pi \cdot f_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot q(t)
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
Hierbei bezeichnet $K_{\rm FM}$ eine dimensionsbehaftete Konstante. Beschreibt $q(t)$ einen Spannungsverlauf, so hat $K_{\rm FM}$ die Einheit $\rm V^{–1}s^{–1}$. }}
+
Here,&nbsp; $K_{\rm FM}$&nbsp; denotes a dimensionally restricted constant.&nbsp; If &nbsp;$q(t)$&nbsp; represents a voltage waveform,&nbsp; $K_{\rm FM}$&nbsp; has the unit&nbsp;$\rm V^{–1}s^{–1}$. }}
  
  
Für die Winkelfunktion und das modulierte Signal erhält man bei Frequenzmodulation:  
+
In frequency modulation,&nbsp; the angular function&nbsp; $\psi(t)$&nbsp; and the modulated signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; are given by:  
:$$\psi(t) = \omega_{\rm T} \cdot t + K_{\rm FM} \cdot \int q(t)\hspace{0.1cm}{\rm d}t \hspace{0.05cm}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\psi(t)) \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\psi(t) = \omega_{\rm T} \cdot t + K_{\rm FM} \cdot \int q(t)\hspace{0.1cm}{\rm d}t \hspace{0.05cm}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \big[\psi(t)\big] \hspace{0.05cm}.$$
  
Aus dieser Gleichung lässt sich sofort ablesen:  
+
[[File:EN_Mod_T_3_2_S2_v1.png |right|frame|Relationship between phase and frequency modulation]]
*Auch bei der Frequenzmodulation bewegt sich das äquivalente T+iefpass–Signal wegen der konstanten Hüllkurve  ⇒  $a(t) = A_{\rm T}$ auf einem Kreisbogen.
 
*Ein Frequenzmodulator kann mit Hilfe eines Integrators und eines Phasenmodulators realisiert werden. Der FM–Demodulator besteht demzufolge aus PM–Demodulator und Differenzierer, wie im oberen Teil der folgenden Grafik dargestellt.
 
*Die zweite Darstellung zeigt den umgekehrten Zusammenhang, nämlich die mögliche Beschreibung von PM–Modulator und –Demodulator durch die entsprechenden FM–Komponenten.  
 
  
[[File:P_ID1093__Mod_T_3_2_S2_neu.png |center|frame|Zusammenhang zwischen PM und FM]]
+
From these equations,&nbsp; we can immediately see:
 +
*Even in the case of frequency modulation,&nbsp; the equivalent low-pass signal moves on an circular arc because of the constant envelope &nbsp; ⇒  &nbsp;  $a(t) = A_{\rm T}$.
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 +
*A frequency modulator can be implemented using an integrator and a phase modulator.&nbsp;
  
Man erkennt aus obiger Gleichung auch, dass die auf der Seite [[Modulationsverfahren/Allgemeines_Modell_der_Modulation#Eine_sehr_einfache.2C_leider_nicht_ganz_richtige_Modulatorgleichung|Eine sehr einfache, leider nicht ganz richtige Modulatorgleichung]] im ersten Kapitel dieses Buches angegebene Gleichung im Fall der Frequenzmodulation nur in Sonderfällen gültig sein wird. Die Umwandlung
+
*Consequently,&nbsp; the FM demodulator consists of a PM demodulator and a differentiator,&nbsp; as shown in the upper part of the diagram.
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The lower graph shows the inverse relationship &nbsp; &rArr; &nbsp; a possible description of PM modulator and demodulator in terms of corresponding FM components.
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{{BlaueBox|TEXT=
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$\text{It can also be seen from the above equation:}$&nbsp;
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* The equation encountered earlier in the section &nbsp;[[Modulation_Methods/General_Model_of_Modulation#A_very_simple_.28though_unfortunately_not_always_correct.29_modulator_equation|"A very simple (though unfortunately not always correct) modulator equation"]] &nbsp; in the first chapter of this book,&nbsp; will only hold for frequency modulation in very special cases.  
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*In frequency modulation,&nbsp; the conversion
 
:$$s(t) = a(t) \cdot \cos (\omega (t) \cdot t + \phi(t)) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega (t) \cdot t + \phi_{\rm T})$$
 
:$$s(t) = a(t) \cdot \cos (\omega (t) \cdot t + \phi(t)) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega (t) \cdot t + \phi_{\rm T})$$
ist bei Frequenzmodulation nur manchmal erlaubt, zum Beispiel beim nichtlinearen digitalen Modulationsverfahren [[Modulationsverfahren/Nichtlineare_Modulationsverfahren#FSK_.E2.80.93_Frequency_Shift_Keying|Frequency Shift Keying]] (FSK) mit rechteckförmigem Grundimpuls.  
+
:is only allowed sometimes,&nbsp; such as in the non-linear digital modulation method &nbsp;[[Modulation_Methods/Nonlinear_Digital_Modulation#FSK_.E2.80.93_Frequency_Shift_Keying|$\text{Frequency Shift Keying}$]]&nbsp; $\rm (FSK)$&nbsp; with rectangular basic pulse.}}
  
==Frequenzmodulation eines Cosinussignals==
+
==Frequency modulation of a cosine signal==
Bei cosinusförmigem Quellensignal $q(t)$ und Frequenzmodulation gilt für die Augenblickskreisfrequenz:
+
<br>
 +
For a cosine source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; with frequency modulation,&nbsp; the instantaneous angular frequency is:
 
:$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \omega_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \omega_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
  
 
+
Integrating this over time,&nbsp; we get the angular function:
Integriert man diese über die Zeit, so erhält man die Winkelfunktion:
 
 
:$$\psi(t) = \omega_{\rm T} \cdot t + \frac {K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N}}{\omega_{\rm N}} \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\psi(t) = \omega_{\rm T} \cdot t + \frac {K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N}}{\omega_{\rm N}} \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
  
 +
A comparison with the propositions in the chapter &nbsp;[[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)|"Phase Modulation"]]&nbsp;  makes clear:
 +
*The frequency modulation of a cosine signal yields a qualitatively identical transmitted signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; as the phase modulation of a sinusoidal source signal&nbsp;$q(t)$.&nbsp; However,&nbsp; this requires that the modulator constants are matched according to the ratio  &nbsp;$K_{\rm FM}/K_{\rm PM} = ω_{\rm N}$&nbsp;.
 +
 +
*The transmitted signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; can thus be described uniformly for the two configurations&nbsp; "PM – sine signal"&nbsp; as well as&nbsp; "FM – cosine signal":
 +
:$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t)\big] \hspace{0.05cm}.$$
 +
*However,&nbsp; when using this equation for the modulation index &nbsp;$η$,&nbsp; different equations must be used for phase and frequency modulation:
 +
:$$\eta_{\rm PM} = {K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}},$$
 +
:$$\eta_{\rm FM} = \frac {K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N}}{\omega_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.$$
  
Ein Vergleich mit den Aussagen im Kapitel [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)|Phasenmodulation]]  macht deutlich:
+
*If the source signal is not a harmonic oscillation,&nbsp; but is instead composed of several frequencies,&nbsp; the time signals also differ qualitatively for phase and frequency modulation.&nbsp; This can be seen in the &nbsp;[[Modulation_Methods/General_Model_of_Modulation#Modulated_signals_with_a_digital_source_signal|$\text{earlier comparison of PSK and FSK}$]].  
*Die Frequenzmodulation eines Cosinussignals ergibt qualitativ das gleiche Sendesignal $s(t)$ wie die Phasenmodulation eines sinusförmigen Quellensignals $q(t)$.
 
*Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die Modulatorkonstanten entsprechend dem Verhältnis $K_{\rm FM}/K_{\rm PM} = ω_{\rm N}$ aneinander angepasst sind.
 
*Das Sendesignal $s(t)$ lässt sich somit bei den beiden Konstellationen „PM – Sinussignal” sowie „FM – Cosinussignal” einheitlich beschreiben:
 
:$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
 
*Allerdings sind bei Anwendung dieser Gleichung für den Modulationsindex $η$ bei Phasen– und Frequenzmodulation unterschiedliche Definitionsgleichungen zu verwenden:
 
:$$\eta_{\rm PM} = {K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}},\hspace{0.5cm}\eta_{\rm FM} = \frac {K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N}}{\omega_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.$$
 
*Ist das Quellensignal keine harmonische Schwingung, sondern setzt sich aus mehreren Frequenzen zusammen, so unterscheiden sich die Zeitsignale bei Phasen- und Frequenzmodulation auch qualitativ. Dies erkennt man beispielsweise beim [[Modulationsverfahren/Allgemeines_Modell_der_Modulation#Modulierte_Signale_bei_digitalem_Quellensignal|früheren Vergleich von PSK und FSK]].  
 
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 2:}$&nbsp;  
Wir gehen nun von einem cosinusförmigen Quellensignal $q(t)$ mit der Amplitude $A_{\rm N} = 3 \ \rm V$ und der Frequenz $f_{\rm N} = 5  \ \rm kHz$ aus und betrachten die Signalverläufe von Phasenmodulation (PM) und Frequenzmodulation (FM) bei gleichem Modulationsindex $η = 1.5$.  
+
We will now assume a cosine source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; with amplitude &nbsp;$A_{\rm N} = 3 \ \rm V$&nbsp; and frequency &nbsp;$f_{\rm N} = 5  \ \rm kHz$&nbsp; and we consider the signal characteristics of phase modulation &nbsp; $\rm (PM)$&nbsp; and frequency modulation&nbsp; $\rm (FM)$&nbsp; with the same modulation index &nbsp;$η = 1.5$.  
  
[[File:P_ID1094__Mod_T_3_2_S3_neu.png|center|frame|PM und FM eines Cosinussignals mit η = 1.5]]
+
[[File:P_ID1094__Mod_T_3_2_S3_neu.png|right|frame|$\rm PM$&nbsp; and&nbsp; $\rm FM$&nbsp; of a cosine source signal with &nbsp;$η = 1.5$]]
  
Die mittlere Grafik zeigt das phasenmodulierte Signal für die Modulatorparameter $f_{\rm T} = 50  \ \rm kHz$ und $K_{\rm PM} = \rm 0.5 V^{–1}$  
+
The&nbsp; <u>middle graph</u>&nbsp; shows the phase-modulated signal&nbsp; (red curve)&nbsp; for the modulator parameters &nbsp; $f_{\rm T} = 50  \ \rm kHz$ &nbsp; and &nbsp; $K_{\rm PM} = \rm 0.5 V^{–1}$:
:$$s_{\rm PM}(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$s_{\rm PM}(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)\big ] \hspace{0.05cm}.$$
  
*Bei PM ergibt sich mit $A_{\rm N} = 3 \ \rm V$ für den Modulationsindex (oder Phasenhub) $η = 1.5 ≈ π/2$.  
+
*In phase modulation, &nbsp;$A_{\rm N} = 3 \ \rm V$&nbsp; yields &nbsp;$η = 1.5 ≈ π/2$&nbsp; for the phase deviation&nbsp; (modulation index).
*Die maximale Abweichung der Nulldurchgänge von ihren (äquidistanten) Solllagen beträgt somit etwa ein Viertel der Trägerperiode.  
+
*Ist das Quellensignal $q(t) > 0$, so kommen die Nulldurchgänge verfrüht, bei $q(t) < 0$ verspätet.  
+
*The maximum deviation of the zero crossings from their&nbsp; (equidistant)&nbsp; nominal positions is about a quarter of the carrier period.
 +
 +
*If the source signal is &nbsp;$q(t) > 0$,&nbsp; the zero crossings arrive earlier,&nbsp; and if&nbsp; $q(t) < 0$&nbsp;, they come somewhat too late.  
  
  
Die untere Grafik zeigt das frequenzmodulierte Signal mit gleichem Modulationsindex $η$:
+
The&nbsp; <u>lower graph</u>&nbsp; shows the frequency-modulated signal with the same modulation index &nbsp;$η$:
:$$s_{\rm FM}(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$  
+
:$$s_{\rm FM}(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t)\big ] \hspace{0.05cm}.$$  
  
Erreicht wird in diesem Fall $η = 1.5$ beispielsweise durch die Modulatorkonstante
+
In this case, &nbsp;$η = 1.5$&nbsp; is achieved by the modulator constant
:$$K_{\rm FM} = \frac {\eta \cdot \omega_{\rm N} }{A_{\rm N} } = {K_{\rm PM} \cdot \omega_{\rm N} } = 0.5\,{\rm V}^{-1} \cdot 2 \pi \cdot 5\,{\rm kHz} = 15708\,{\rm V}^{-1}{\rm s}^{-1} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$K_{\rm FM} = \frac {\eta \cdot \omega_{\rm N} }{A_{\rm N} } = {K_{\rm PM} \cdot \omega_{\rm N} } $$
 +
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} K_{\rm FM} = 0.5\,{\rm V}^{-1} \cdot 2 \pi \cdot 5\,{\rm kHz} = 15708\,{\rm V}^{-1}{\rm s}^{-1} \hspace{0.05cm}.$$
  
*Der Frequenzhub beträgt hier $Δf_{\rm A} = η · f_{\rm N} = 7.5 \ \rm  kHz$, und es treten Augenblicksfrequenzen zwischen $42.5$ und $57.5 \ \rm kHz$ auf.  
+
*Here,&nbsp; the frequency deviation is &nbsp;$Δf_{\rm A} = η · f_{\rm N} = 7.5 \ \rm  kHz$,&nbsp; and instantaneous frequencies occur between&nbsp;$f_{\rm T}-Δf_{\rm A} = 42.5$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm T}+Δf_{\rm A} =57.5 \ \rm kHz$.
*Die Nulldurchgänge stimmen nun bei den Maxima und den Minima des Quellensignals $q(t)$ mit denen des Trägersignals $z(t)$ überein, während die maximalen Phasenabweichungen bei den Nulldurchgängen von $q(t)$ zu erkennen sind. }}
+
 +
*The zero crossings now match those of the carrier signal &nbsp;$z(t)$&nbsp; at the maxima and minima of the source signal &nbsp;$q(t)$,&nbsp; while the maximum phase deviations can be seen at the zero crossings of &nbsp;$q(t)$.&nbsp; The exact opposite is the case in phase modulation.}}
  
  
==WM–Spektrum einer harmonischen Schwingung==
+
==Angle modulation spectrum of a harmonic oscillation==
Nun setzen wir für das Quellensignal allgemein eine harmonische Schwingung mit der Phase $ϕ_{\rm N}$ voraus:  
+
<br>
:$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} \cdot t + \phi_{\rm N}).$$
+
Now we assume a harmonic oscillation with phase &nbsp;$ϕ_{\rm N}$&nbsp; for the source signal in general:  
Uns interessiert die Spektralfunktion $S(f)$. Zur einfacheren Darstellung betrachten wir im Folgenden das Betragsspektrum $|S_+(f)|$ des analytischen Signals, aus dem $|S(f)|$ in der bekannten Weise hergeleitet werden kann. Für jede Art von Winkelmodulation in der hier beschriebenen Weise – egal, ob Phasen– oder Frequenzmodulation – und auch unabhängig von der Phase $ϕ_{\rm N}$ des Quellensignals gilt:
+
:$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[2 \pi f_{\rm N} \cdot t + \phi_{\rm N}\big ].$$
:$$|S_{\rm +}(f)| = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}|{\rm J}_n (\eta)| \cdot \delta [f -  (f_{\rm T} + n \cdot f_{\rm N})]\hspace{0.05cm}.$$
+
We are interested in the spectrum&nbsp;$S(f)$.&nbsp; For simplicity,&nbsp; in what follows we will consider the magnitude spectrum &nbsp;$|S_+(f)|$&nbsp; of the analytical signal,&nbsp; from which &nbsp;$|S(f)|$&nbsp; can be derived in the familiar way.&nbsp;
  
Diese Gleichung lässt sich wie folgt begründen:
+
For any type of angle modulation described here – whether it is phase or frequency modulation – and regardless of the phase &nbsp;$ϕ_{\rm N}$&nbsp;of the source signal, the following holds:
*Auf der Seite [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)#.C3.84quivalentes_TP.E2.80.93Signal_bei_Phasenmodulation|Äquivalentes TP-Signal bei PM]] wurde diese Gleichung für ein phasenmoduliertes Sinussignal abgeleitet, wobei $η = A_{\rm N} · K_{\rm PM}$ den Modulationsindex angibt und ${\rm J}_n(η)$ die Besselfunkton erster Art und $n$–ter Ordnung bezeichnet. $K_{\rm PM}$ ist die Modulatorkonstante.
+
:$$|S_{\rm +}(f)| = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}|{\rm J}_n (\eta)| \cdot \delta \big[f (f_{\rm T} + n \cdot f_{\rm N})\big]\hspace{0.05cm}.$$
*Durch eine andere Nachrichtenphase $ϕ_{\rm N}$ ändert sich nur die Phasenfunktion ${\rm arc} \ S_+(f)$, nicht aber das Betragsspektrum $|S_+(f)|$. Dieses wichtige Ergebnis wurde auch durch die [[Aufgaben:3.3Z_Kenngrößenbestimmung|Aufgabe 3.3Z]] bestätigt.
 
*Auf der Seite [[Modulationsverfahren/Frequenzmodulation_(FM)#Frequenzmodulation_eines_Cosinussignals|Frequenzmodulation eines Cosinussignals]] dieses Kapitels wurde gezeigt, dass ein FM–Signal in gleicher Weise wie ein PM–Signal dargestellt werden kann, wenn der Modulationsindex $η = K_{\rm FM} · A_{\rm N}/ω_{\rm N}$ verwendet wird. Folgerichtig sind auch die Betragsspektren bei Phasen- und Frequenzmodulation in gleicher Form darstellbar.
 
  
 +
This equation can be explained as follows:
 +
*In the section &nbsp;[[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)#Equivalent_low-pass_signal_in_phase_modulation|"Equivalent low-pass signal in PM"]]&nbsp; this equation was derived for a phase-modulated sine signal,&nbsp; where &nbsp;$η = A_{\rm N} · K_{\rm PM}$&nbsp; denotes the modulation index and &nbsp;${\rm J}_n(η)$&nbsp; denotes the &nbsp; $n$&ndash;th order Bessel functions of the first kind.&nbsp; $K_{\rm PM}$&nbsp; is the modulator constant.
 +
 +
*When the message phase &nbsp;$ϕ_{\rm N}$&nbsp; changes,&nbsp; only the phase function &nbsp;${\rm arc} \ S_+(f)$ changes,&nbsp; but not the magnitude spectrum &nbsp;$|S_+(f)|$.&nbsp; This important result is confirmed in [[Aufgaben:Exercise_3.3Z:_Characteristics_Determination|"Exercise 3.3Z"]].
  
Wir verweisen hier gerne auch auf den zweiten Teil des Lernvideos [[Winkelmodulation_-_Frequenz-_und_Phasenmodulation_(Lernvideo)|Winkelmodulation - Frequenz- und Phasenmodulation]].
+
*In the&nbsp;[[Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)#Frequency_modulation_of_a_cosine_signal|"Frequency modulation of a cosine signal"]]&nbsp; section,&nbsp; it was shown that a frequency-modulated signal can be represented in the same way as a phase-modulated signal if the modulation index &nbsp;$η = K_{\rm FM} · A_{\rm N}/ω_{\rm N}$&nbsp; is used.&nbsp; Consequently,&nbsp; the magnitude spectra for&nbsp; $\rm PM$&nbsp; and&nbsp; $\rm FM$&nbsp; can also be represented in the same way.  
  
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We would like to refer you to the second part of the&nbsp; (German language)&nbsp; learning video &nbsp;[[Winkelmodulation_-_Frequenz-_und_Phasenmodulation_(Lernvideo)|"Winkelmodulation - FM und PM"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Angle modulation &ndash; FM  and PM".
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 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp;
 +
Let us again consider a harmonic oscillation,&nbsp; here with amplitude &nbsp;$A_{\rm N} = 3 \ \rm V$&nbsp; according to
 +
[[File:P_ID1095__Mod_T_3_2_S4_neu.png|right|frame|Discrete spectra in phase and frequency modulation]]
 +
*phase modulation&nbsp; $\rm (PM)$&nbsp; with &nbsp;$K_{\rm PM} = \rm 0.5 \ \rm  V^{–1}$,
 +
 +
*frequency modulation&nbsp; $\rm (FM)$&nbsp; with &nbsp;$K_{\rm FM} = \rm 15708 \ \rm V^{–1}s^{–1}$.
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 +
 +
The corresponding signal characteristics are shown in &nbsp;[[Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)#Frequency_modulation_of_a_cosine_signal|$\text{Example 2}$]].
 +
*For both transmission systems,&nbsp;  a Bessel spectrum with modulation index &nbsp;$η = 1.5$&nbsp; is obtained for&nbsp;$f_{\rm N} = 5  \ \rm kHz$.
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 +
*The identical magnitude spectra of the analytical signal&nbsp; (positive frequencies only)&nbsp; are shown in the&nbsp; <u>two upper diagrams</u>.
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 +
*Bessel lines with values smaller than &nbsp;$0.03$&nbsp; are ignored in both cases.
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The&nbsp; <u>lower diagrams</u>&nbsp; are valid for the message frequency&nbsp;$f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$:
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 +
*In PM,&nbsp; there is a narrower spectrum compared to &nbsp;$f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$,&nbsp; since the spacing of the Bessel lines is only&nbsp; $3 \ \rm kHz$&nbsp; (left diagram).
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 +
*Since the modulation index &nbsp;$η = 1.5$&nbsp; does not changes,&nbsp; we get the same Bessel weights as for &nbsp;$f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$&nbsp; (upper diagram).
 +
 +
*Also in FM,&nbsp; the Bessel lines now occur at  &nbsp;$3 \ \rm kHz$&nbsp; spacing&nbsp; (lower graph on the right).&nbsp; However,&nbsp; there are significantly more Bessel lines than in the upper right graph&nbsp; (valid for &nbsp;$η = 1.5$&nbsp;) due to the larger modulation index &nbsp;$η = 2.5$&nbsp;.
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 +
*This follows from the fact that for FM,&nbsp; the index&nbsp; $η$&nbsp; is inversely proportional to &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp;.}}
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==Influence of band-limiting in angle modulation==
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<br>
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Let us briefly summarize some previous results of this section,&nbsp; by assuming an example with
 +
*carrier frequency &nbsp;$f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$,
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 +
*message frequency &nbsp;$f_{\rm N} = 5  \ \rm kHz$&nbsp; and
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 +
*modulation index &nbsp;$η = π/2 \approx 1.5$:
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 +
#The spectrum of an angle-modulated oscillation consists of Bessel lines around the carrier frequency &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; at a distance &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; between neighboring samplesand is infinitely extended in theory.
 +
#Even if we ignore all spectral lines with magnitudes smaller than&nbsp;$0.01$,&nbsp; the now finite bandwidth for &nbsp;$η = π/2$&nbsp; is still &nbsp;$B_{\rm HF} = 8 · f_{\rm N} = 40  \ \rm kHz$.
 +
#The locus curve &nbsp;–&nbsp; i.e., the course of the equivalent low-pass signal in the complex plane&nbsp;–&nbsp; is ideally a circular arc with an opening angle of &nbsp;$±1.57 \ {\rm rad} = ±90^\circ$.
 +
#However,&nbsp; this circular arc after vector summation results only if all Bessel lines on the locus rotate with the correct pointer lengths,&nbsp; the correct phase positions and the correct angular frequencies.
 +
#Logically,&nbsp; the circular locus curve is altered when the spectral lines are distorted&nbsp; (e.g. by linear  channel distortions)&nbsp; or missing altogether&nbsp; (e.g. by band-limiting).
 +
#Since the ideal angle demodulator detects the phase &nbsp;$ϕ_r(t)$&nbsp; of the received signal and obtains the sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; from it, the demodulator causes non-linear distortions.&nbsp; This means:&nbsp; The distortions are irreversible and cannot be compensated for by a linear filter.
 +
#At the same time, this means: &nbsp; '''Due to linear distortions in the channel,&nbsp;nonlinear distortions occur in the demodulated signal'''  &nbsp;$v(t)$. &nbsp;
 +
#As a result,&nbsp; new frequencies&nbsp; ("harmonics")&nbsp; are created,&nbsp; which were not in the original source signal &nbsp;$q(t)$.
 +
#The smaller the available bandwidth&nbsp;$B_{\rm HF}$&nbsp; and the larger the chosen modulation index &nbsp;$η$,&nbsp; the larger becomes the distortion factor &nbsp; $K$,&nbsp; which captures nonlinear distortions.&nbsp;
 +
#As a rule of thumb for the required high-frequency bandwidth for a desired distortion factor &nbsp;$K$,&nbsp; one can use the so-called &nbsp; &raquo;'''Carson Rule'''&laquo;:
 +
::$$K < 10\%\text{:}\hspace{0.6cm} B_{\rm HF}  \ge  2 \cdot f_{\rm N} \cdot (\eta +1)\hspace{0.05cm},$$
 +
::$$K < 1\%\text{:}\hspace{0.72cm} B_{\rm HF} \ge 2 \cdot f_{\rm N} \cdot(\eta +2)\hspace{0.05cm}.$$
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 4:}$&nbsp; We continue to assume the system parameters &nbsp;$f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$, &nbsp;$f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$&nbsp; and &nbsp;$η = π/2$.&nbsp; For this case,&nbsp; the graph displays the magnitude spectrum &nbsp;$ \vert S_{\rm TP}(f) \vert$&nbsp; of the equivalent low-pass signal on the left and the corresponding complex time function &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; on the right.
Wir betrachten wieder eine harmonische Schwingung mit der Amplitude $A_{\rm N} = 3 \ \rm V$ nach
 
*einer Phasenmodulation mit $K_{\rm PM} = \rm 0.5 \ \rm  V^{–1}$,  
 
*einer Frequenzmodulation mit $K_{\rm FM} = \rm 15708 \ \rm V^{–1}s^{–1}$.  
 
  
 +
[[File:P_ID1104__Mod_T_3_2_S5_neu.png|right|frame| Influence of band limiting in the case of angle modulation]]
 +
*According to Carson's rule to limit the harmonic distortion to the value &nbsp;$K < 1\%$,&nbsp; an RF bandwidth of &nbsp; $B_{1 \%} ≈ 36 \ \rm  kHz$&nbsp; is required.
 +
 +
*The equivalent low-pass signal is composed of the constant&nbsp;$D_0$&nbsp; and three clockwise&nbsp; $(D_1,\ D_2,\ D_3)$&nbsp;and three counterclockwise &nbsp;$(D_{-1},\ D_{-2},\ D_{-3})$&nbsp; rotating pointers:
 +
:$$\begin{align*}s_{\rm TP}(t) & =  \sum_{n = - 3}^{+3}D_n  \cdot{\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}n \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.05cm} t }\end{align*}$$
  
Die zugehörigen Signalverläufe sind im [[Modulationsverfahren/Frequenzmodulation_(FM)#Frequenzmodulation_eines_Cosinussignals|Beispiel 2]] dargestellt.
+
*The ochre curve in the time domain plot makes it clear that the equivalent low-pass signal differs only slightly from the distortion-free semicircle (thin black line) due to this bandwidth limitation.  
*Bei beiden Systemen ergibt sich für $f_{\rm N} = 5  \ \rm kHz$ ein Besselspektrum mit dem Modulationsindex $η = 1.5$.
 
*Die identischen Betragsspektren des analytischen Signals (nur positive Frequenzen) sind in der oberen Bildhälfte dargestellt. Bessellinien mit Werten kleiner als $0.03$ sind hierbei vernachlässigt.  
 
  
[[File:P_ID1095__Mod_T_3_2_S4_neu.png|center|frame|Diskrete Spektren bei Phasen– und Frequenzmodulation]]
 
  
Die unteren Grafiken gelten für die Nachrichtenfrequenz $f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$. Man erkennt:
+
If one is satisfied with a distortion factor &nbsp;$K < 10\%$&nbsp;, the RF bandwidth &nbsp;$B_{10 \%} ≈ 26\ \rm kHz$&nbsp; is already sufficient.  
*Bei der Phasenmodulation ergibt sich gegenüber $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$ eine schmalere Spektralfunktion, da nun der Abstand der Bessellinien nur mehr $3 \ \rm kHz$ beträgt. Da sich der Modulationsindex $η = 1.5$ nicht ändert, ergeben sich die gleichen Besselgewichte wie bei $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$.  
+
*This also truncates the two Fourier coefficients &nbsp;$D_3$&nbsp; and &nbsp;$D_{-3}$&nbsp; and so the locus curve shown in purple represents a section of a parabola.&nbsp;
*Auch bei der Frequenzmodulation treten nun die Bessellinien im Abstand von $3 \ \rm kHz$ auf. Es gibt aber nun aufgrund des größeren Modulationsindex $η = 2.5$  deutlich mehr Bessellinien als im rechten oberen (für $η = 1.5$ gültigen) Diagramm. Bei Frequenzmodulation ist $η$ umgekehrt proportional zu $f_{\rm N}$.}}
 
  
==Einfluss einer Bandbegrenzung bei Winkelmodulation==
+
*The simulation of this case study yields a distortion factor of &nbsp;$K ≈ 6\%$.
Fassen wir einige Resultate dieses Abschnittss kurz zusammen, wobei wir beispielhaft die Trägerfrequenz $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$, die Nachrichtenfrequenz $f_{\rm N} = 5  \ \rm kHz$ und den Modulationsindex $η = π/2$ voraussetzen:
 
  
*Das Spektrum einer winkelmodulierten Schwingung besteht aus Bessellinien um den Träger $f_{\rm T}$ im Abstand $f_{\rm N}$ der Nachrichtenfrequenz und ist theoretisch unendlich weit ausgedehnt.  
+
*Evidently,&nbsp; Carson's Rule often gives a somewhat overly pessimistic result&nbsp; $(10\%$&nbsp; instead of&nbsp; $6\%)$. }}
  
*Selbst wenn man alle Spektrallinien mit Beträgen kleiner als $0.01$ vernachlässigt, beträgt die dann endliche Bandbreite für $η = π/2$ noch immer $B_{\rm HF} = 8 · f_{\rm N} = 40 \ \rm kHz$.  
+
==Realization of a FM modulator==
 +
<br>
 +
A frequency modulation&nbsp; $s(t)$&nbsp; is obtained when the oscillation frequency of an oscillator is changed to the rhythm of the modulating signal&nbsp; $u(t)$.&nbsp;  RC elements or oscillating circuits usually serve as frequency-determining elements. The left graph shows the form of a possible circuit realization; the exact circuit description can be found in [Mäu 88]<ref name= "Mäu 88">Mäusl, R.:&nbsp; Analoge Modulationsverfahren.&nbsp;  Heidelberg: Dr. Hüthig, 1988.</ref>.&nbsp; The idealized frequency-voltage characteristic is shown on the right.  
  
*Die Ortskurve – also der Verlauf des äquivalenten Tiefpass–Signals in der komplexen Ebene – ist im Idealfall ein Kreisbogen mit einem Öffnungswinkel von $±1.57 \ {\rm rad} = ±90^\circ$.  
+
[[File:EN_Mod_T_3_2_S6.png |right|frame| Realization of a FM modulator and its characteristic curve]]
  
*Dieser Kreisbogen nach der vektoriellen Addition ergibt sich allerdings nur dann, wenn alle Bessellinien in der Ortskurve mit den richtigen Zeigerlängen, Phasenlagen und Kreisfrequenzen rotieren.  
+
Only a few remarks should be made here:
 +
*The applied voltage&nbsp; $u(t)$&nbsp; is additively composed of the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; and a DC component&nbsp;$A_0$&nbsp; which defines the&nbsp; <u>operating point</u>.
 +
 +
*The capacitance&nbsp; $C$&nbsp; of the&nbsp; <u>capacitance diode</u>&nbsp; is approximately proportional to &nbsp;$1/u^{2}(t)$,&nbsp; so the oscillation frequency of the LC oscillator changes depending on &nbsp;$q(t)$.
 +
 +
*When the change in frequency is small,&nbsp; $u(t)$&nbsp; and $f_{\rm A}(t)$ are linearly dependent.&nbsp; Thus, the&nbsp; <u>instantaneous angular frequency</u>&nbsp; with slope &nbsp;$K_{\rm FM}$&nbsp; of the modulator characteristic is given as 
 +
:$$\omega_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot q(t) \hspace{0.05cm}.$$
  
*Logischerweise wird die kreisbogenförmige Ortskurve verändert, wenn Spektrallinien verfälscht werden (z. B. durch lineare Kanalverzerrungen) oder ganz fehlen (z. B. durch eine Bandbegrenzung).  
+
*The&nbsp; <u>push-pull circuit</u>&nbsp; consisting of both capacitance diodes is used,&nbsp; among other things,&nbsp; to compensate for imbalances and thus reduce quadratic distortion.
  
*Da der ideale Winkeldemodulator die Phase $ϕ_r(t)$ des Empfangssignals detektiert und daraus das Sinkensignal $v(t)$ gewinnt, wird dieses verfälscht und zwar sogar nichtlinear &nbsp; ⇒  &nbsp; irreversibel.  
+
*With an input of&nbsp; $A_0+{\rm d}q(t)/{\rm d}t$,&nbsp; the frequency-modulated signal &nbsp;$s(t)$ is obtained at the output.
  
*Das bedeutet gleichzeitig: Aufgrund linearer Verzerrungen im Kanal kommt es zu nichtlinearen Verzerrungen im demodulierten Signal  &nbsp; ⇒  &nbsp;   es entstehen dadurch neue Frequenzen (Oberwellen).  
+
==PLL realization of  FM demodulator==
 +
<br>
 +
The following diagram shows a second possible realization of an FM demodulator.&nbsp; A detailed circuit description of the PLL FM demodulator and further demodulators – for example, using an edge discriminator – can be found in&nbsp; [Mäu 88]<ref name="Mäu 88"/>.  
  
*Je kleiner die zur Verfügung stehende Bandbreite $B_{\rm HF}$ ist und je größer der Modulationsindex $η$ gewählt wird, desto größer wird der die nichtlinearen Verzerrungen beschreibende Klirrfaktor $K$.
+
[[File:EN_Mod_T_3_2_S7.png|right|frame| PLL realization of a FM demodulator]]
 +
In short,&nbsp; this circuit,&nbsp; which operates as a &nbsp; $($"Phase–Locked–Loop",&nbsp; $\rm PLL)$,&nbsp; can be described as follows:
  
*Als Faustformel für die erforderliche HF–Bandbreite für einen geforderten Klirrfaktor $K$ &nbsp; &nbsp; ''Carson–Regel'' gilt:
+
*The phase detector determines the phase differences&nbsp; (distances of zero crossings)&nbsp; between the received signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; and the comparison signal provided by the VCO.  
:$$K < 10\%: B_{\rm HF}  \ge  2 \cdot f_{\rm N} \cdot (\eta +1)\hspace{0.05cm},$$
 
:$$K < 1\%\hspace{0.12cm}: B_{\rm HF} \ge 2 \cdot f_{\rm N} \cdot(\eta +2)\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
*After low-pass filtering and amplification,&nbsp; the output signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; is approximately equal to the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; if it has been FM-modulated at the transmit end.
 +
 +
*The output signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; is simultaneously applied to the input  of the&nbsp; "Voltage Controlled Oscillator",&nbsp; abbreviated as&nbsp; "$\rm VCO$".
 +
 +
*The VCO output signal is permanently readjusted in such a way that its frequency corresponds as closely to the instantaneous frequency&nbsp; $f_{\rm A}(t)$&nbsp; of the received signal&nbsp;$r(t)$.
  
{{GraueBox|TEXT=
 
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp; Wir gehen weiterhin von den Systemparametern $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$, $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$ und $η =  π/2$ aus. Die Grafik zeigt für diesen Fall links das Betragsspektrum $ \vert S_{\rm TP}(f) \vert$ des äquivalenten Tiefpass–Signals und rechts die zugehörige komplexe Zeitfunktion $s_{\rm TP}(t)$.
 
  
[[File:P_ID1104__Mod_T_3_2_S5_neu.png|right|frame| Einfluss einer Bandbegrenzung bei Winkelmodulation]]
 
*Um den Klirrfaktor  auf Werte $K < 1\%$ zu begrenzen, ist nach der sog. Carson–Regel die HF–Bandbreite $B_{1 \%} ≈ 36 \ \rm  kHz$ erforderlich.
 
*In diesem Fall setzt sich das äquivalente Tiefpass–Signal aus der Konstanten $D_0$ und je drei entgegen dem Uhrzeigersinn $(D_1, D_2, D_3)$ bzw. im Uhrzeigersinn $(D_{-1}, D_{-2}, D_{-3})$ drehenden Zeigern zusammen:
 
:$$\begin{align*}r_{\rm TP}(t) & =  \sum_{n = - 3}^{+3}D_n  \cdot{\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}n \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.05cm} t }\end{align*}$$
 
*Die ockerfarbene Kurve in der Zeitbereichsdarstellung macht deutlich, dass sich das äquivalente Tiefpass-Signal durch diese Bandbegrenzung nur geringfügig vom (verzerrungsfreien) Halbkreis unterscheidet.
 
  
Gibt man sich mit einem Klirrfaktor $K < 10\%$ zufrieden, so ist die HF–Bandbreite $B_{10 \%} ≈ 26\ \rm  kHz$ ausreichend.
 
*Damit werden auch die Fourierkoeffizienten $D_3$ und $D_{-3}$ abgeschnitten und die violett dargestellte Ortskurve beschreibt einen Parabelabschnitt.
 
*Die Simulation dieses Fallbeispiels liefert den Klirrfaktor $K ≈ 6\%$. Daran erkennt man, dass die Carson–Regel oft ein etwas zu pessimistisches Ergebnis liefert. }}
 
  
==Realisierung eines FM–Modulators==
 
Eine Frequenzmodulation erhält man dann, wenn die Schwingfrequenz eines Oszillators im Rhythmus des modulierenden Signals verändert wird. Als frequenzbestimmende Elemente dienen meist RC–Glieder oder Schwingkreise.
 
  
[[File:P_ID1097__Mod_T_3_2_S6_neu.png |center|frame| Realisierung eines FM–Modulators und dessen Kennlinie]]
 
  
Die linke Grafik zeigt eine schaltungstechnische Realisierungsform; die genaue Schaltungsbeschreibung finden Sie in [Mäu 88]<ref name= "Mäu 88">Mäusl, R.: ''Analoge Modulationsverfahren.''  Heidelberg: Dr. Hüthig, 1988.</ref>. Rechts ist die idealisierte Frequenz–Spannungskennlinie dargestellt. An dieser Stelle sollen nur einige wenige Anmerkungen gemacht werden:  
+
==Exercises for the chapter==
*Die anliegende Spannung $u(t)$ setzt sich additiv aus dem Quellensignal $q(t)$ und einem Gleichanteil $A_0$ zusammen, der den ''Arbeitspunkt'' festlegt.  
+
<br>
*Die Kapazität $C$ der ''Kapazitätsdiode'' ist näherungsweise proportional zu $1/u^{2}(t)$, so dass sich die Schwingfrequenz des LC–Oszillators abhängig von $q(t)$ verändert.
+
[[Aufgaben:Exercise_3.5:_PM_and_FM_for_Rectangular_Signals|Exercise 3.5: PM and FM for Rectangular Signals]]
*Bei nur kleiner Frequenzänderung hängen $u(t)$ und die Schwingfrequenz linear zusammen. Damit beträgt die ''Augenblickskreisfrequenz'' mit der Steigung $K_{\rm FM}$ der Modulatorkennlinie: &nbsp; $\omega_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot q(t) \hspace{0.05cm}.$
 
*Die ''Gegentaktschaltung'' aus den beiden Kapazitätsdioden dient unter Anderem zur Kompensation von Unsymmetrien und damit zur Verminderung der quadratischen Verzerrungen.
 
*Legt man am Eingang die Summe aus dem Gleichanteil $A_0$ und dem differenzierten Quellensignal – also ${\rm d}q(t)/{\rm d}t$ – an, so erhält man am Ausgang das frequenzmodulierte Signal $s(t)$.
 
  
==PLL–Realisierung eines FM–Demodulators==
+
[[Aufgaben:Exercise_3.5Z:_Phase_Modulation_of_a_Trapezoidal_Signal| Exercise 3.5Z: Phase Modulation of a Trapezoidal Signal]]
Die Grafik zeigt eine Realisierungsmöglichkeit des FM–Demodulators. Weitere FM–Demodulatoren – zum Beispiel mittels Flankendiskriminator – werden in [Mäu 88]<ref name="Mäu 88"/> ausführlich behandelt.
 
  
[[File:P_ID1098__Mod_T_3_2_S7_neu.png  |center|frame| PLL – Realisierung eines FM–Demodulators]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.6:_PM_or_FM%3F_Or_AM%3F|Exercise 3.6: PM or FM? Or AM?]]
  
In Stichpunkten lässt sich diese Schaltung, die als Phasenregelschleife (''Phase–Locked–Loop'', PLL) arbeitet, wie folgt beschreiben:  
+
[[Aufgaben:Exercise_3.7:_Angular_Modulation_of_a_Harmonic_Oscillation| Exercise 3.7: Angular Modulation of a Harmonic Oscillation]]
*Der Phasendetektor ermittelt die Phasenunterschiede (Abstände der Nulldurchgänge) zwischen dem Empfangssignal $r(t)$ und dem vom VCO bereitgestellten Vergleichssignal.  
 
*Das Ausgangssignal $v(t)$ nach Tiefpass–Filterung und Verstärkung ist dann näherungsweise gleich dem Quellensignal $q(t)$, wenn dieses sendeseitig FM–moduliert wurde.
 
*Das Ausgangssignal $v(t)$ wird gleichzeitig an den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators angelegt. Man bezeichnet diesen auch als ''Voltage Controlled Oscillator,'' abgekürzt VCO.
 
*Das Ausgangssignal des VCO wird permanent in der Weise nachgeregelt, dass dessen Frequenz der Augenblicksfrequenz $f_{\rm A}(t)$ des Empfangssignals entspricht.  
 
  
 +
[[Aufgaben:Exercise_3.8:_Modulation_Index_and_Bandwidth|Exercise 3.8: Modulation Index and Bandwidth]]
  
Eine detaillierte Schaltungsbeschreibung des PLL–FM–Demodulators finden Sie ebenfalls in [Mäu 88]<ref name="Mäu 88"/>.
+
[[Aufgaben:Exercise_3.9:_Circular_Arc_and_Parabola|Exercise 3.9: Circular Arc and Parabola]]
  
==Aufgaben zum Kapitel==
 
[[Aufgaben:3.5_PM_und_FM_bei_Rechtecksignalen|Aufgabe 3.5: &nbsp; PM und FM bei Rechtecksignalen]]
 
  
==Quellenverzeichnis==
+
==References==
 +
<br>
 
<references/>
 
<references/>
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 14:35, 13 January 2023

Instantaneous frequency


We will once again assume an angle-modulated signal:

$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \big[\psi(t)\big].$$

All the information about the source signal  $q(t)$

  • is thus exclusively captured by the angular function  $ψ(t)$,
  • while the envelope  $a(t) = A_{\rm T}$  is constant.


$\text{Definitions:}$ 

  • The  »instantaneous angular frequency«  is the derivative of the angular function with respect to time:
$$\omega_{\rm A}(t) = \frac{ {\rm d}\psi(t)}{ {\rm d}t}\hspace{0.05cm}.$$
  • Accordingly, the »instantaneous frequency« is captured by:
$$f_{\rm A}(t) = \frac{\omega_{\rm A}(t)}{2\pi} = \frac{1}{2\pi} \cdot \frac{ {\rm d}\hspace{0.03cm}\psi(t)}{ {\rm d}t}\hspace{0.05cm}.$$
  • The  »frequency deviation«  is the maximum deviation  $Δf_{\rm A}$  of the time-dependent instantaneous frequency  $f_{\rm A}(t)$  from the constant carrier frequency  $f_{\rm T}$.


For an angle modulation with carrier frequency  $f_{\rm T}$ , the instantaneous frequency oscillates in the range

$$f_{\rm T} - \Delta f_{\rm A} \le f_{\rm A}(t) \le f_{\rm T} + \Delta f_{\rm A}\hspace{0.05cm}.$$

It should be emphasized:

  1. There is a fundamental difference between the instantaneous frequency  $f_{\rm A}(t)$  and the spectrum  $S(f)$  of an angle-modulated signal  $s(t)$.
  2. This is illustrated by the following example.  $S(f)$  can be measured with a spectrum analyzer.


Illustration of the instantaneous frequency

$\text{Example 1:}$  The graph shows the phase-modulated signal

$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\psi(t)\big] = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[2 \pi f_{\rm T} \hspace{0.05cm}t + \eta \cdot \sin (2 \pi f_{\rm N} \hspace{0.05cm} t)\big]$$

as well as the instantaneous frequency plotted beneath

$$f_{\rm A}(t) = \frac{1}{2 \pi} \cdot \frac{ {\rm d}\hspace{0.03cm}\psi(t)}{ {\rm d}t} = f_{\rm T} + \Delta f_{\rm A}\cdot \cos (2 \pi f_{\rm N} \hspace{0.05cm} t) \hspace{0.05cm}.$$

Here,  the system parameters are:

  •  carrier frequency  $f_{\rm T} = 50 \ \rm kHz$   ⇒   frequency of  $z(t)$,
  •  message frequency  $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$   ⇒   frequency of  $q(t)$,
  •  message modulation index  $η = 3$.


From this,  we derive the  (maximum)  frequency deviation

  •  $Δf_{\rm A} = η · f_{\rm N} = 15 \ \rm kHz$.


In the middle, the qualitative progression of the sinusoidal source signal  $q(t)$  is plotted for reference.


From these graphs,  one can see:

  • The instantaneous frequency  $f_{\rm A}(t)$  can take on arbitrary values between  $f_{\rm T} + Δf_{\rm A} = 65 \ \rm kHz$  $($at  $t = 50\ \rm µ s,\ 250 \ µ s$, etc.$)$ and  $f_{\rm T} \ – Δf_{\rm A} = 35 \ \rm kHz$  $($at  $t = 150\ \rm µ s, \ 350 \ µ s$, etc.$)$   ⇒   green marks.
  • At time  $t ≈ 16.7 \ \rm µ s$ , for example,  $f_{\rm A}(t) = 57.5 \ \rm kHz$  holds   ⇒   purple arrow.
  • In contrast,  the spectral function  $S(f)$  consists of discrete Bessel lines at the frequencies ... , $30,\ 35,\ 40,\ 45,\ \mathbf{50},\ 55,\ 60,\ 65,\ 70$, ...  $($each in  $\rm kHz)$.
  • There is no spectral line at $f = 57.5 \ \rm kHz$,  though there is one at  $f = 70 \ \rm kHz$. 
  • In contrast,  at no time does  $f_{\rm A}(t) = 70 \ \rm kHz$  hold.


$\text{Therefore:}$ 

The  instantaneous frequency  $f_{\rm A}(t)$  is thus not a physically measurable frequency  in the conventional sense,  but only an  »abstract mathematical quantity«,  namely the derivative of the angular function  $ψ(t)$.

Signal characteristics with frequency modulation


As in the chapter  "Phase Modulation"  we will assume that the carrier signal  $z(t)$  has a cosine waveform and the source signal  $q(t)$  is peak-limited.

$\text{Definition:}$  If the instantaneous angular frequency $ω_{\rm A}(t)$  of a communication system is linearly dependent on the instantaneous value of the source signal  $q(t)$,  we call this  »frequency modulation«  $\rm (FM)$:

$$\omega_{\rm A}(t) = 2 \pi \cdot f_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot q(t) \hspace{0.05cm}.$$

Here,  $K_{\rm FM}$  denotes a dimensionally restricted constant.  If  $q(t)$  represents a voltage waveform,  $K_{\rm FM}$  has the unit $\rm V^{–1}s^{–1}$.


In frequency modulation,  the angular function  $\psi(t)$  and the modulated signal  $s(t)$  are given by:

$$\psi(t) = \omega_{\rm T} \cdot t + K_{\rm FM} \cdot \int q(t)\hspace{0.1cm}{\rm d}t \hspace{0.05cm}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \big[\psi(t)\big] \hspace{0.05cm}.$$
Relationship between phase and frequency modulation

From these equations,  we can immediately see:

  • Even in the case of frequency modulation,  the equivalent low-pass signal moves on an circular arc because of the constant envelope   ⇒   $a(t) = A_{\rm T}$.
  • A frequency modulator can be implemented using an integrator and a phase modulator. 
  • Consequently,  the FM demodulator consists of a PM demodulator and a differentiator,  as shown in the upper part of the diagram.


The lower graph shows the inverse relationship   ⇒   a possible description of PM modulator and demodulator in terms of corresponding FM components.


$\text{It can also be seen from the above equation:}$ 

  • In frequency modulation,  the conversion
$$s(t) = a(t) \cdot \cos (\omega (t) \cdot t + \phi(t)) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega (t) \cdot t + \phi_{\rm T})$$
is only allowed sometimes,  such as in the non-linear digital modulation method  $\text{Frequency Shift Keying}$  $\rm (FSK)$  with rectangular basic pulse.

Frequency modulation of a cosine signal


For a cosine source signal  $q(t)$  with frequency modulation,  the instantaneous angular frequency is:

$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \omega_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$

Integrating this over time,  we get the angular function:

$$\psi(t) = \omega_{\rm T} \cdot t + \frac {K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N}}{\omega_{\rm N}} \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$

A comparison with the propositions in the chapter  "Phase Modulation"  makes clear:

  • The frequency modulation of a cosine signal yields a qualitatively identical transmitted signal  $s(t)$  as the phase modulation of a sinusoidal source signal $q(t)$.  However,  this requires that the modulator constants are matched according to the ratio  $K_{\rm FM}/K_{\rm PM} = ω_{\rm N}$ .
  • The transmitted signal  $s(t)$  can thus be described uniformly for the two configurations  "PM – sine signal"  as well as  "FM – cosine signal":
$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t)\big] \hspace{0.05cm}.$$
  • However,  when using this equation for the modulation index  $η$,  different equations must be used for phase and frequency modulation:
$$\eta_{\rm PM} = {K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}},$$
$$\eta_{\rm FM} = \frac {K_{\rm FM} \cdot A_{\rm N}}{\omega_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.$$
  • If the source signal is not a harmonic oscillation,  but is instead composed of several frequencies,  the time signals also differ qualitatively for phase and frequency modulation.  This can be seen in the  $\text{earlier comparison of PSK and FSK}$.


$\text{Example 2:}$  We will now assume a cosine source signal  $q(t)$  with amplitude  $A_{\rm N} = 3 \ \rm V$  and frequency  $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$  and we consider the signal characteristics of phase modulation   $\rm (PM)$  and frequency modulation  $\rm (FM)$  with the same modulation index  $η = 1.5$.

$\rm PM$  and  $\rm FM$  of a cosine source signal with  $η = 1.5$

The  middle graph  shows the phase-modulated signal  (red curve)  for the modulator parameters   $f_{\rm T} = 50 \ \rm kHz$   and   $K_{\rm PM} = \rm 0.5 V^{–1}$:

$$s_{\rm PM}(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)\big ] \hspace{0.05cm}.$$
  • In phase modulation,  $A_{\rm N} = 3 \ \rm V$  yields  $η = 1.5 ≈ π/2$  for the phase deviation  (modulation index).
  • The maximum deviation of the zero crossings from their  (equidistant)  nominal positions is about a quarter of the carrier period.
  • If the source signal is  $q(t) > 0$,  the zero crossings arrive earlier,  and if  $q(t) < 0$ , they come somewhat too late.


The  lower graph  shows the frequency-modulated signal with the same modulation index  $η$:

$$s_{\rm FM}(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\omega_{\rm T} \cdot t + \eta \cdot \sin (\omega_{\rm N} \cdot t)\big ] \hspace{0.05cm}.$$

In this case,  $η = 1.5$  is achieved by the modulator constant

$$K_{\rm FM} = \frac {\eta \cdot \omega_{\rm N} }{A_{\rm N} } = {K_{\rm PM} \cdot \omega_{\rm N} } $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} K_{\rm FM} = 0.5\,{\rm V}^{-1} \cdot 2 \pi \cdot 5\,{\rm kHz} = 15708\,{\rm V}^{-1}{\rm s}^{-1} \hspace{0.05cm}.$$
  • Here,  the frequency deviation is  $Δf_{\rm A} = η · f_{\rm N} = 7.5 \ \rm kHz$,  and instantaneous frequencies occur between $f_{\rm T}-Δf_{\rm A} = 42.5$  and  $f_{\rm T}+Δf_{\rm A} =57.5 \ \rm kHz$.
  • The zero crossings now match those of the carrier signal  $z(t)$  at the maxima and minima of the source signal  $q(t)$,  while the maximum phase deviations can be seen at the zero crossings of  $q(t)$.  The exact opposite is the case in phase modulation.


Angle modulation spectrum of a harmonic oscillation


Now we assume a harmonic oscillation with phase  $ϕ_{\rm N}$  for the source signal in general:

$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[2 \pi f_{\rm N} \cdot t + \phi_{\rm N}\big ].$$

We are interested in the spectrum $S(f)$.  For simplicity,  in what follows we will consider the magnitude spectrum  $|S_+(f)|$  of the analytical signal,  from which  $|S(f)|$  can be derived in the familiar way. 

For any type of angle modulation described here – whether it is phase or frequency modulation – and regardless of the phase  $ϕ_{\rm N}$ of the source signal, the following holds:

$$|S_{\rm +}(f)| = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}|{\rm J}_n (\eta)| \cdot \delta \big[f - (f_{\rm T} + n \cdot f_{\rm N})\big]\hspace{0.05cm}.$$

This equation can be explained as follows:

  • In the section  "Equivalent low-pass signal in PM"  this equation was derived for a phase-modulated sine signal,  where  $η = A_{\rm N} · K_{\rm PM}$  denotes the modulation index and  ${\rm J}_n(η)$  denotes the   $n$–th order Bessel functions of the first kind.  $K_{\rm PM}$  is the modulator constant.
  • When the message phase  $ϕ_{\rm N}$  changes,  only the phase function  ${\rm arc} \ S_+(f)$ changes,  but not the magnitude spectrum  $|S_+(f)|$.  This important result is confirmed in "Exercise 3.3Z".
  • In the "Frequency modulation of a cosine signal"  section,  it was shown that a frequency-modulated signal can be represented in the same way as a phase-modulated signal if the modulation index  $η = K_{\rm FM} · A_{\rm N}/ω_{\rm N}$  is used.  Consequently,  the magnitude spectra for  $\rm PM$  and  $\rm FM$  can also be represented in the same way.


We would like to refer you to the second part of the  (German language)  learning video  "Winkelmodulation - FM und PM"   ⇒   "Angle modulation – FM and PM".

$\text{Example 3:}$  Let us again consider a harmonic oscillation,  here with amplitude  $A_{\rm N} = 3 \ \rm V$  according to

Discrete spectra in phase and frequency modulation
  • phase modulation  $\rm (PM)$  with  $K_{\rm PM} = \rm 0.5 \ \rm V^{–1}$,
  • frequency modulation  $\rm (FM)$  with  $K_{\rm FM} = \rm 15708 \ \rm V^{–1}s^{–1}$.


The corresponding signal characteristics are shown in  $\text{Example 2}$.

  • For both transmission systems,  a Bessel spectrum with modulation index  $η = 1.5$  is obtained for $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$.
  • The identical magnitude spectra of the analytical signal  (positive frequencies only)  are shown in the  two upper diagrams.
  • Bessel lines with values smaller than  $0.03$  are ignored in both cases.


The  lower diagrams  are valid for the message frequency $f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$:

  • In PM,  there is a narrower spectrum compared to  $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$,  since the spacing of the Bessel lines is only  $3 \ \rm kHz$  (left diagram).
  • Since the modulation index  $η = 1.5$  does not changes,  we get the same Bessel weights as for  $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$  (upper diagram).
  • Also in FM,  the Bessel lines now occur at  $3 \ \rm kHz$  spacing  (lower graph on the right).  However,  there are significantly more Bessel lines than in the upper right graph  (valid for  $η = 1.5$ ) due to the larger modulation index  $η = 2.5$ .
  • This follows from the fact that for FM,  the index  $η$  is inversely proportional to  $f_{\rm N}$ .

Influence of band-limiting in angle modulation


Let us briefly summarize some previous results of this section,  by assuming an example with

  • carrier frequency  $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$,
  • message frequency  $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$  and
  • modulation index  $η = π/2 \approx 1.5$:
  1. The spectrum of an angle-modulated oscillation consists of Bessel lines around the carrier frequency  $f_{\rm T}$  at a distance  $f_{\rm N}$  between neighboring samplesand is infinitely extended in theory.
  2. Even if we ignore all spectral lines with magnitudes smaller than $0.01$,  the now finite bandwidth for  $η = π/2$  is still  $B_{\rm HF} = 8 · f_{\rm N} = 40 \ \rm kHz$.
  3. The locus curve  –  i.e., the course of the equivalent low-pass signal in the complex plane –  is ideally a circular arc with an opening angle of  $±1.57 \ {\rm rad} = ±90^\circ$.
  4. However,  this circular arc after vector summation results only if all Bessel lines on the locus rotate with the correct pointer lengths,  the correct phase positions and the correct angular frequencies.
  5. Logically,  the circular locus curve is altered when the spectral lines are distorted  (e.g. by linear channel distortions)  or missing altogether  (e.g. by band-limiting).
  6. Since the ideal angle demodulator detects the phase  $ϕ_r(t)$  of the received signal and obtains the sink signal  $v(t)$  from it, the demodulator causes non-linear distortions.  This means:  The distortions are irreversible and cannot be compensated for by a linear filter.
  7. At the same time, this means:   Due to linear distortions in the channel, nonlinear distortions occur in the demodulated signal  $v(t)$.  
  8. As a result,  new frequencies  ("harmonics")  are created,  which were not in the original source signal  $q(t)$.
  9. The smaller the available bandwidth $B_{\rm HF}$  and the larger the chosen modulation index  $η$,  the larger becomes the distortion factor   $K$,  which captures nonlinear distortions. 
  10. As a rule of thumb for the required high-frequency bandwidth for a desired distortion factor  $K$,  one can use the so-called   »Carson Rule«:
$$K < 10\%\text{:}\hspace{0.6cm} B_{\rm HF} \ge 2 \cdot f_{\rm N} \cdot (\eta +1)\hspace{0.05cm},$$
$$K < 1\%\text{:}\hspace{0.72cm} B_{\rm HF} \ge 2 \cdot f_{\rm N} \cdot(\eta +2)\hspace{0.05cm}.$$

$\text{Example 4:}$  We continue to assume the system parameters  $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$,  $f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz$  and  $η = π/2$.  For this case,  the graph displays the magnitude spectrum  $ \vert S_{\rm TP}(f) \vert$  of the equivalent low-pass signal on the left and the corresponding complex time function  $s_{\rm TP}(t)$  on the right.

Influence of band limiting in the case of angle modulation
  • According to Carson's rule to limit the harmonic distortion to the value  $K < 1\%$,  an RF bandwidth of   $B_{1 \%} ≈ 36 \ \rm kHz$  is required.
  • The equivalent low-pass signal is composed of the constant $D_0$  and three clockwise  $(D_1,\ D_2,\ D_3)$ and three counterclockwise  $(D_{-1},\ D_{-2},\ D_{-3})$  rotating pointers:
$$\begin{align*}s_{\rm TP}(t) & = \sum_{n = - 3}^{+3}D_n \cdot{\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}n \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.05cm} t }\end{align*}$$
  • The ochre curve in the time domain plot makes it clear that the equivalent low-pass signal differs only slightly from the distortion-free semicircle (thin black line) due to this bandwidth limitation.


If one is satisfied with a distortion factor  $K < 10\%$ , the RF bandwidth  $B_{10 \%} ≈ 26\ \rm kHz$  is already sufficient.

  • This also truncates the two Fourier coefficients  $D_3$  and  $D_{-3}$  and so the locus curve shown in purple represents a section of a parabola. 
  • The simulation of this case study yields a distortion factor of  $K ≈ 6\%$.
  • Evidently,  Carson's Rule often gives a somewhat overly pessimistic result  $(10\%$  instead of  $6\%)$.

Realization of a FM modulator


A frequency modulation  $s(t)$  is obtained when the oscillation frequency of an oscillator is changed to the rhythm of the modulating signal  $u(t)$.  RC elements or oscillating circuits usually serve as frequency-determining elements. The left graph shows the form of a possible circuit realization; the exact circuit description can be found in [Mäu 88][1].  The idealized frequency-voltage characteristic is shown on the right.

Realization of a FM modulator and its characteristic curve

Only a few remarks should be made here:

  • The applied voltage  $u(t)$  is additively composed of the source signal  $q(t)$  and a DC component $A_0$  which defines the  operating point.
  • The capacitance  $C$  of the  capacitance diode  is approximately proportional to  $1/u^{2}(t)$,  so the oscillation frequency of the LC oscillator changes depending on  $q(t)$.
  • When the change in frequency is small,  $u(t)$  and $f_{\rm A}(t)$ are linearly dependent.  Thus, the  instantaneous angular frequency  with slope  $K_{\rm FM}$  of the modulator characteristic is given as
$$\omega_{\rm A}(t) = \omega_{\rm T} + K_{\rm FM} \cdot q(t) \hspace{0.05cm}.$$
  • The  push-pull circuit  consisting of both capacitance diodes is used,  among other things,  to compensate for imbalances and thus reduce quadratic distortion.
  • With an input of  $A_0+{\rm d}q(t)/{\rm d}t$,  the frequency-modulated signal  $s(t)$ is obtained at the output.

PLL realization of FM demodulator


The following diagram shows a second possible realization of an FM demodulator.  A detailed circuit description of the PLL FM demodulator and further demodulators – for example, using an edge discriminator – can be found in  [Mäu 88][1].

PLL realization of a FM demodulator

In short,  this circuit,  which operates as a   $($"Phase–Locked–Loop",  $\rm PLL)$,  can be described as follows:

  • The phase detector determines the phase differences  (distances of zero crossings)  between the received signal  $r(t)$  and the comparison signal provided by the VCO.
  • After low-pass filtering and amplification,  the output signal  $v(t)$  is approximately equal to the source signal  $q(t)$  if it has been FM-modulated at the transmit end.
  • The output signal  $v(t)$  is simultaneously applied to the input of the  "Voltage Controlled Oscillator",  abbreviated as  "$\rm VCO$".
  • The VCO output signal is permanently readjusted in such a way that its frequency corresponds as closely to the instantaneous frequency  $f_{\rm A}(t)$  of the received signal $r(t)$.




Exercises for the chapter


Exercise 3.5: PM and FM for Rectangular Signals

Exercise 3.5Z: Phase Modulation of a Trapezoidal Signal

Exercise 3.6: PM or FM? Or AM?

Exercise 3.7: Angular Modulation of a Harmonic Oscillation

Exercise 3.8: Modulation Index and Bandwidth

Exercise 3.9: Circular Arc and Parabola


References


  1. 1.0 1.1 Mäusl, R.:  Analoge Modulationsverfahren.  Heidelberg: Dr. Hüthig, 1988.