周波数変調

周波数変調（FM）について

周波数変調（FM）は、情報の伝達において搬送波の周波数を変化させる方法であり、ラジオやテレビといった多くの通信手段で利用されています。特に、FMラジオ放送やアマチュア無線、アナログテレビの音声信号に広く使用されています。この技術は、シンセサイザーの発音方法にも利用されています。

FMの基本概念

FMでは、情報信号の電圧が変化することにより、搬送波の周波数が上下に変動します。この変化によって搬送波の信号が表現され、周波数と振幅を組み合わせた音声信号が形成されます。この仕組みにより、明瞭な音声信号の伝送が可能です。また、「周波数偏移」と呼ばれる現象は、信号によってもたらされた搬送波の周波数変化を指します。

FM変調回路と復調回路

FMの伝送には、発振器が重要な役割を果たします。初期の真空管を用いた方法から、トランジスタの発明以降は、電圧制御発振器（VCO）が主流となりました。これにより、変調信号を制御することでFM変調波を生成することが可能になりました。また、信号の復調には、周波数弁別器（ディスクリミネータ）やPLL回路が利用されます。

FMの特性

FMの特性の一つに「弱肉強食特性」があります。これは、同じ周波数の強い信号が受信されると、弱い信号が隠れてしまう現象を指します。この特性は、通信中に受信する弱い信号が「有害な混信」と見なされる一般的な無線通信の実情と関係があります。そのため、FM受信機の排除能力はコチャンネル特性という指標で示されます。

理論的背景

FMの理論的な表現は、変調波の位相が信号波によって変動することを基にしており、時間積分を用いることで、搬送波の位相と信号の相互作用を表現します。これにより生成される変調波の周波数スペクトルはベッセル関数によって示されます。

占有帯域幅や最大周波数偏移は、カーソンの式を用いて概算され、変調指数が1未満の場合には95%以上の電力が存在する帯域幅を算出することができます。この近似的な帯域幅は、真の帯域幅とは別に「カーソン帯域」と呼ばれます。

FM放送の歴史

FMの技術は1933年にアメリカのエドウィン・アームストロングによって特許が取得されたことから始まります。彼は1937年に世界初のFMラジオ放送局を開設。この発展を背景に、1941年には初の事業としてのFMラジオ放送が行われました。その後、1961年の連邦通信委員会によるFMのステレオ技術の規格化が、多くのFMラジオ局の開局を促しました。

日本におけるFMの歴史

日本では1953年にFM技術を用いた音声放送が開始されました。最初はテレビ放送の音声部分から始まり、1957年にはNHKによりFMラジオの実験放送が行われました。これらの技術革新により、民間のFMラジオも1958年に始まり、日本のラジオリスナーに新たな選択肢を提供しました。

FMステレオ方式

FMの音声放送には「和差方式」が用いられており、これによりモノラル放送との互換性が保たれています。主信号と副信号を組み合わせたコンポジット信号がFM搬送波に変調され、受信機側では信号が分離される仕組みです。さらに、FM-FM方式やAM-FM方式といった多重化技術も、日本のテレビ放送での音声多重に利用されています。

FMは情報伝達の効率を提供する重要な技術であり、その応用分野は放送や音楽制作において広範囲にわたります。

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