Frekans modülasyonu (frequency modulation – FM), taşıyıcı dalga frekansının, bilgi sinyalinin frekans ve genliğine bağlı olarak değiştirilmesidir. Frekans modülasyonu, genlik modülasyonundan daha günceldir. Günümüzde, ticari amaçla yayın yapan FM vericiler 87,5 MHz -108 MHz arasında yayın yaparlar. Genlik modülasyomı ile yayın yapan A-M vericilerde orta, uzun ve kısa dalgalar kullanılır. Orta dalgadan yayın yapan A-M vericiler 550-1600 KHz, uzun dalgadan 150-350 KHz, kısa dalgadan ise 6-18 MHz arasında yayın yaparlar.

Genlik Modülasyonu ve Frekans Modülasyonunun Özellikleri:
Genlik Modülasyonunun Özellikleri:

1- Modülasyon anında taşıyıcının genliği değişir, frekansı ise sabittir.
2- Modülasyon anında, taşıyıcının altında ve üstünde olmak üzere iki adet kenar band oluşur.
3- BW, modüle eden sinyal frekansının iki katına eşittir.
4- A-M vericiler, güçlü vericilerdir.
5- A-M ‘de önemli olan sinyalin uzak mesafelerde dinlenmesidir. Bu yüzden ses kalitesi düşüktür.
6- A-M yayınlan almak için ayrıca bir antene gerek yoktur.
7- A-M alıcıların ara frekansı 455 KHz. dir.
8- % 100 modülasyonda modülasyon faktörü l ‘e eşittir.
9- Modülasyon sinyal frekansının yükselmesi, taşıyıcı dalga genliğinin çok hızlı değişmesine neden olur.
10- Modülasyon sinyal genliğinin yükselmesi, taşıyıcı dalga genliğinin çok yükselmesine neden olur.

Frekans Modülasyonunun Özellikleri:

1. Modülasyon anında, taşıyıcının frekansı değişir, genliği ise sabittir.
2. Modülasyon anında çok sayıda kenar bandları oluşur.
3. BW, modülasyon faktörüyle değişir.
4. F-M vericiler, A-M vericiler gibi çok güçlü değildir.
5- F-M ‘de önemli olan sesin bozulmadan en uzak mesafelere gönderilmesidir. Sesin kalitesi yüksektir, stereo yayın yapılabilir.
6- F-M yayınları almak için bir antene ihtiyaç vardır.
7- F-M alıcılarda ara frekans değeri 10,7 MHz.dir.
8- Modülasyon faktörü genellikle l ‘den büyüktür.
9- Modülasyon sinyal frekansının yükselmesi, taşıyıcı frekansının değişme hızını arttırır.
10- Modülasyon sinyal genliğinin büyümesi, taşıyıcının frekans değişme sınırını genişletir.

Prensibi

Frekans modülasyonu için iki önemli sinyal vardır. Bunlar, alçak frekanslı bilgi ve yüksek frekanslı taşıyıcı sinyalidir. Modüle edilmemiş taşıyıcının frekansına, merkez yada sükunet frekansı adı verilir. Örneğin, 3 KHz. ‘lik bilgi sinyali ile 100 MHz. ‘lik taşıyıcı, frekans modülasyonuna tabi tutulursa, buradaki 100 MHz. taşıyıcının merkez frekansıdır.

Modülasyon için gerekli olan sinyaller, şekil 4.13 ‘te bilgi ve merkez frekanslı taşıyıcı sinyali olarak gösterilmiştir. Modüle eden (bilgi) sinyalin (+} alternanslarında, taşıyıcının frekansı yükselir. Bu değer merkez frekansının üstündedir. Taşıyıcının en yüksek frekansı, bilgi sinyalinin (+} max değerinde elde edilir. Bilgi sinyalinin {-) alternanslarında, taşıyıcının frekansı azalır. Bu değer merkez frekansının altındadır. En düşük taşıyıcı frekansı, bilgi sinyalinin (-) max değerinde elde edilir. Modüle eden sinyalin genliği sıfırsa, taşıyıcı frekansı merkez frekansına eşittir.

Şekil 4.13 – Frekans Modülasyonlu Sinyalin Elde Edilmesi

Şekil 4.13 ‘te görüldüğü gibi frekans modülasyonlu dalganın frekansı bir akordiyon misali merkez frekansının üstüne ve altına çıkar. Bir F-M ‘lu dalganın frekansı, modüle eden sinyal genliğinin değişimine bağlı olarak merkez frekansının altında ve üstünde değerler alır. İşte taşıyıcı frekansının, modüle eden sinyalin (+) ve (-) tepe değerlerinin sebep olduğu frekans değişme miktarına FREKANS SAPMASI (DEĞİŞME MİKTARI, DEVİASYONU) denir.

Modüle eden sinyalin genliği ne kadar büyük ise frekans modülasyonlu sinyalin, frekans değişme miktarı da o kadar fazladır.
Örneğin, düşük genlikli modüle eden sinyal, 100 MHz. lik bir taşıyıcı frekansını 99,99 MHz ile 100,01 MHz. arasında değiştiriyorsa, buradaki frekans sapması ±10 KHz dir. Yani, taşıyıcının frekansı merkez frekansının 10 KHz üstüne ve 10 KHz altına düşer.

Düşük Genlikli Bilgi Sinyali Büyük Genlikli Bilgi Sinyali

Şekil 4.14 – Frekans Sapmasının. Bilgi Sinyal Genliğiyle İlişkisi

Aynı merkez frekanslı taşıyıcı sinyali, büyük genlikli modüle eden sinyalle modülasyona tabi tutulup, taşıyıcı frekansını 99,95 MHz. ile 100,05 MHz arasında değiştiriyorsa buradaki frekans sapması ±50 KHz.dir. Frekans sapma değerlerine bakılarak, bilgi sinyal genliği hakkında bilgi sahibi olunabilir.

Frekans modülasyonunda, askeri amaçla yayın yapan FM vericilerde ±40 KHz, sivil amaçla yayın yapan FM vericilerde ise ±75 KHz. ‘lik frekans sapması kabul edilmiştir. FM yayını yapan vericilerin, frekans bandları dışında komşu kenar band frekansları bulunabileceğinden istasyonlar arası karışıma sebebiyet verilmemesi için sivil amaçlı F-M vericilerde ±75 KHz. (150 KHz) ‘lik bandın alt ve üst kısımlarında 25 ‘er KHz. ‘lik emniyet bandı bırakılmıştır. Böylece band genişliği 200 KHz. ‘e çıkarılmıştır. Buna benzer bir şekilde, askeri amaçla yayın yapan vericilerde mevcut band genişliğinin alt ve üst kısımlarına 10 ‘ar KHz. ‘lik emniyet bandı ilave edilerek toplam 100 KHz. ‘lik bir band genişliği tahsis edilmiştir.

Modülasyon Yüzdesi

Frekans modülasyonunda tam sapma, genlik modülasyonundaki % 100 modülasyonunun karşılığıdır. (Sivil amaçlı yayınlarda ±75 KHz.) Tam sapmanın aşılması durumunda AŞIRI MODÜLASYON gerçekleşir.

% 50 modülasyonda, ±75 KHz . 0,5 = ±37.5 KHz.
% 30 modülasyonda, ±75 KHz . 0,3 = ±22,5 KHz. ‘lik frekans sapması olur.
Genlik modülasyonundan olduğu gibi, frekans modülasyonunda modülasyon yüzdesi, bilgi sinyalinin taşıyıcının y
üzde kaçının modüle edebildiğinin ifadesidir.

Modülasyon yüzdesi,

%m = (±50 KHz. / ±75 KHz.).100 = %66,7 olarak bulunur.

Frekans Modülasyonunda Modülasyon İndeksi ve Band Genişliği

 

Şekildeki 4.15 ‘teki devre, frekans modülasyonlu sinyalin nasıl meydana geldiğini açıklayan basit bir devredir. Kapasitif mikrofon, tank devresine bağlıdır. Kapasitif mikrofon, sabit ve hareketli plakalardan oluşur. Ses sinyalleri yoksa, diyagram ile sabit plaka arasında belli bir mesafe olacağından, mikrofonun da belli bir C değeri vardır. Ses sinyalleri ile bareber diyafram hareket edecek, sabit plaka arasındaki mesafe de değişeceğinden, kondansatörün C kapasite değeri de değişecektir.

Şekil 4.15 – Kapasitif Mikrofonun F-M Verici Devresi

Devredeki, kapasitif mikrofon ve bobinden meydana gelen tank devresi, NPN transistörden meydana gelmiş bir osilatörü doğrudan bağlıdır. Kapasitif mikrofona, herhangi bir ses sinyali uygulanmadığı zaman, f = 1 / (2π√LC) formülüne göre osilatör merkez frekansında bir sinyal üretecektir. Bu sinyal, taşıyıcı sinyalidir. Kapasitif mikrofona, SF sinyali uygulandığı zaman mikrofonun C değeri değişeceğinden, f = 1 / (2π√LC) ‘ye göre taşıyıcının frekansı da değişecektir.

Kapasitif mikrofonun diyaframı, ses dalgalarının frekansına göre titreşeceğinden, tank devresindeki C değeri de değişecektir. Dolayısıyla osilatör frekansı da ses frekans dalgaları ile değiştirilmiştir.

Merkez frekanslı taşıyıcı sinyalinin frekansı, ses frekans sinyallerinin seviyesine göre değiştirildiğinden, bu devrenin çıkışından F-M sinyal elde edilir.

Varikap diyod üzerindeki, ters polarma gerilimi belli sınırlar içinde değiştikçe diyod kapasitansı doğrusal olarak değişen bir elemandır. Bu devrede kullanılan osilatör Colpits tipindedir. Varaktör diyoda R₁ ve R₂ voltaj bölücü dirençlerle bir ters gerilim verilerek kapasitans değişiminin lineer olduğu bölge seçilir. Osilatör frekansını, L bobini, C₁ ile C₂ ‘nin eşdeğer kapasite değeri ve varaktör kapasitansı belirler. Bilgi sinyali uygulandığında, diyodun ters polarma DC gerilimi üzerinde, ses frekans sinyaline bağlı olarak bir AC sinyal meydana gelir. Dolayısıyla, varikabın kapasitansı, DC sinyal üzerindeki AC gerilimin değişimine bağlı olarak değişir. Buna bağlı olarakta osilatör tank devresinin toplam kapasitansı, bilgi sinyalinin genliği ile orantılı olarak değişir. Böylece, osilatör frekansı, bilgi sinyalinin genliğine bağlı olarak değiştirilerek frekans modülasyonu gerçekleştirilmiş olunur. Taşıyıcının merkez frekansı (osilatör frekansı):

Şekil 4.16 – Varikap Diyodla Yapılan F-M Modülatörü

f = 1 / (2π√LC) formülüyle bulunur.

C = [(C₁.C₂) / (C₁+C₂)] + [(C_C.C_D) / (C_C+C_D)] ‘dir. Burada C_D varikap kapasitesidir.

Bu tip devrelerde, osilatörün tank devresine paralel bir endüktif veya kapasitif etki söz konusudur. Devre, iki kısımdan oluşur. Reaktans modulatörü ve osilatör.

Şekil 4.17 – Reaktans Etkisi Gösteren Devreler

Şekil 4.17(a) ‘da görüldüğü gibi kondansatör üstte direnç altta ise kapasitif etki, (b) ‘de görüldüğü gibi direnç üstte, bobin altta ise yine kapasitif etki, (c) ‘de örüldüğü gibi direnç üstte, kondansatör altta veya bobin üstte diren. altta ise endüktif etki gösterir.

Şekil 4.18 – Osilatörün Tank Devresine Kapasitif Etki Gösteren Reaktans Modülatörü

Şekil 4.18 ‘deki devrede, transistörün beyzi ile kollektörü arasında kondansatör (c), beyzi ile şase arasında R direnci mevcuttur. Yani, kondansatör üstte, direnç alttadır. Şekil 4.17 ‘ye göre bu devre "Rout" yazan kısımda kapasi
tif etki gösterir. Bu kapasitif etki ise uygulanan ses sinyaline göre değişir. Bu kapasitif etki gösteren reaktans modülatörü C_C kuplaj kondansatörü vasıtasıyla, blok olarak olarak gösterilen osilatörün tank devresine paraleldir. Reaktans modülatörün göstermiş olduğu hayali kapasite ile osilatörün tank devresi paralel olduğundan (C_eş = C_hayali + C_o), osilatörün frekansı

1 / (2π√L_o.C_es) formülüne göre değişecektir. Ses frekanslı sinyal yok iken osilatör

1 / (2π√L_o.C_o) ‘a göre merkez frekansında sinyal üretecektir. Yani, uygulanan ses frekanslı sinyal ile, osilatörün frekansı değişecektir.

Şekil 4.19 – Osilatörün Tank Devresine Endüktif Etki Gösteren Reaktans Modülatörü

Şekil 4.19 ‘daki devrede, transistörün beyzi ile kollektörü arasında R direnci, beyzi ile şase arasında C kondansatörü mevcuttur. Burada direnç üstte, kondansatör alttadır. Şekil 4.17 ‘ye göre bu devre "e_out" yazan kısımda hayali endüktif bir etki gösterir. Bu endüktif etki uygulanan ses sinyaline göre değişir. Bu hayali endüktif etki, osilatörün tank devresine parelel bağlıdır.

Ses frekanslı giriş sinyali yok iken osilatörün çalışma frekansı 1 / (2π√L_o.C_o) ‘dır. Bu değere aynı zamanda taşıyıcının merkez frekansı da denir. Girişe ses sinyali uygulandığı zaman, reaktans modülatörün çıkışındaki (e_out) hayali endüktans ile L_o bobini paraleldir. (L_eş = L_hayali // L_o)

Bu esnada osilatörün frekansı 1 / (2π√L_eş.C_o) olur.

Kısaca şekil 4.19 ‘da merkez frekansında taşıyıcı sinyali üreten osilatörün frekansı, ses frekanslı sinyale göre değişmiştir. Buda frekans modülasyonlu sinyalin elde edilmesidir.