📡 FM変調スペクトル解析 - 問題演習

🔍 FM変調の基礎おさらい

FM信号の数学的表現

s(t) = A cos(ωct + β sin(ωmt))
ここで:
• A: 搬送波振幅
• ωc: 搬送波角周波数
• ωm: 変調信号角周波数
• β: 変調指数 = Δf/fm

スペクトル展開

s(t) = A Σ(n=-∞ to ∞) Jn(β) cos((ωc + nωm)t)
ここで Jn(β) は第一種n次ベッセル関数
重要なポイント:
• FM信号のスペクトルは搬送波周波数を中心に無限に広がる
• 実用的な帯域幅はカーソンの法則:BW ≈ 2(Δf + fm)
• 変調指数βによってスペクトル分布が変化

ベッセル関数表(参考)

β J₀(β) J₁(β) J₂(β) J₃(β) J₄(β)
0.5 0.938 0.242 0.031 0.003 0.000
1.0 0.765 0.440 0.115 0.020 0.002
2.0 0.224 0.577 0.353 0.129 0.034
2.4 0.003 0.520 0.431 0.198 0.066
5.0 -0.178 -0.328 0.047 0.365 0.391

🎯 問題演習

問題1: 基本的なスペクトル(β = 1.0)

搬送波周波数 fc = 100 MHz、変調信号周波数 fm = 15 kHz、変調指数 β = 1.0 のFM信号について:

  1. 主要なスペクトル成分(振幅が0.1以上)の周波数と相対振幅を求めよ
  2. スペクトル概形を描け
  3. カーソンの法則による必要帯域幅を求めよ
解答1

1. 主要なスペクトル成分:

  • fc (100 MHz): J₀(1.0) = 0.765
  • fc ± fm (100 MHz ± 15 kHz): J₁(1.0) = 0.440
  • fc ± 2fm (100 MHz ± 30 kHz): J₂(1.0) = 0.115

2. スペクトル概形:

99.97 99.985 100.00 100.015 100.03 周波数 (MHz) 0 0.5 1.0 相対振幅 0.115 0.440 0.765 0.440 0.115

3. 必要帯域幅:

Δf = β × fm = 1.0 × 15 kHz = 15 kHz
BW = 2(Δf + fm) = 2(15 + 15) = 60 kHz
問題2: 搬送波成分がゼロになる条件

FM信号において搬送波成分が最小(ほぼゼロ)になる変調指数βを求め、その時のスペクトル分布を説明せよ。

解答2

搬送波成分がゼロになる条件:

J₀(β) ≈ 0 となる変調指数は β ≈ 2.4 です。

β = 2.4 のスペクトル分布:

fc-3fm fc-2fm fc-fm fc fc+fm fc+2fm fc+3fm 0 0.3 0.6 0.198 0.431 0.520 ≈0 0.520 0.431 0.198
特徴: 搬送波成分が消失し、側波帯成分が支配的になります。これは抑圧搬送波FM(SCFM)として利用されることがあります。
問題3: 狭帯域FMと広帯域FMの比較

以下の2つのFM信号を比較せよ:

  1. それぞれの変調指数βを求めよ
  2. どちらが狭帯域FM、広帯域FMか判定せよ
  3. それぞれの必要帯域幅を求めよ
解答3

1. 変調指数:

信号A: β = Δf/fm = 2.5 kHz / 5 kHz = 0.5
信号B: β = Δf/fm = 75 kHz / 5 kHz = 15

2. 判定:

  • 信号A (β = 0.5 < 1): 狭帯域FM
  • 信号B (β = 15 >> 1): 広帯域FM

3. 必要帯域幅:

信号A: BW = 2(Δf + fm) = 2(2.5 + 5) = 15 kHz
信号B: BW = 2(Δf + fm) = 2(75 + 5) = 160 kHz
実用例:
• 信号A: 業務用無線などで使用
• 信号B: FMラジオ放送(標準的な最大偏移は±75 kHz)
問題4: 複数変調信号によるFM

2つの正弦波で同時に変調されるFM信号を考える:

  1. 各変調信号に対する変調指数を求めよ
  2. 総合的な必要帯域幅を推定せよ
解答4

1. 各変調指数:

β1 = Δf1/f1 = 6 kHz / 3 kHz = 2.0
β2 = Δf2/f2 = 12 kHz / 8 kHz = 1.5

2. 総合的な必要帯域幅:

複数変調信号の場合、各信号による偏移は加算される:

Δf_total = Δf1 + Δf2 = 6 + 12 = 18 kHz
fm_min = min(f1, f2) = 3 kHz
BW ≈ 2(Δf_total + fm_min) = 2(18 + 3) = 42 kHz
複雑なスペクトル構造 fc = 50 MHz 必要帯域幅 ≈ 42 kHz
実際のスペクトルは3kHzと8kHzの組み合わせにより、多数の側波帯成分を持つ複雑な構造になります。
問題5: 音声信号によるFM変調

音声信号(300 Hz ~ 3.4 kHz)で変調されるFM送信機について:

  1. 最大変調指数を求めよ
  2. 必要な占有帯域幅を求めよ
  3. この信号が12.5 kHzチャネル間隔に適合するか評価せよ
解答5

1. 最大変調指数:

変調指数は低い周波数で最大になります:

βmax = Δfmax / fmin = 5 kHz / 0.3 kHz = 16.67

2. 必要な占有帯域幅:

BW = 2(Δfmax + fmax) = 2(5 + 3.4) = 16.8 kHz

3. チャネル間隔適合性:

占有帯域幅 16.8 kHz > チャネル間隔 12.5 kHz
結論:適合しません
改善案:
• 最大偏移を±3.75 kHzに制限
• または25 kHzチャネル間隔を使用
• 改善後: BW = 2(3.75 + 3.4) = 14.3 kHz < 25 kHz ✓
問題6: デジタル信号によるFSK変調

2値FSK(Frequency Shift Keying)システムについて:

  1. 変調指数を求めよ
  2. 必要帯域幅を推定せよ
  3. このシステムの特徴を述べよ
解答6

1. 変調指数:

fm = データレート/2 = 1200/2 = 600 Hz
β = Δf/fm = 600 Hz / 600 Hz = 1.0

2. 必要帯域幅:

BW = 2(Δf + fm) = 2(600 + 600) = 2400 Hz = 2.4 kHz

3. システムの特徴:

  • β = 1.0 → 中程度の変調指数
  • 狭帯域でデジタル通信に適している
  • 雑音に対する耐性が良好
  • 復調が比較的簡単
9.9994 10.000 10.0006 周波数 (MHz) 搬送波 -600Hz +600Hz BW = 2.4 kHz
問題7: 実用FM放送システム

日本のFMラジオ放送について:

  1. 最大変調指数を求めよ
  2. 占有帯域幅を計算し、チャネル間隔との関係を評価せよ
  3. なぜこの帯域幅設計が可能なのか説明せよ
解答7

1. 最大変調指数:

βmax = Δfmax / fmin ≈ 75 kHz / 0.05 kHz = 1500
(実際には音声の最低周波数を50Hz程度として計算)

2. 占有帯域幅:

BW = 2(Δfmax + fmax) = 2(75 + 15) = 180 kHz
チャネル間隔 = 100 kHz < 占有帯域幅 = 180 kHz

3. 設計が可能な理由:

  • ガードバンド: 隣接チャネルとの地理的分離
  • 周波数再利用: 十分離れた地域での同一周波数使用
  • 受信機の選択度: 高性能フィルタによる隣接妨害除去
  • 送信電力制御: サービスエリア制限による干渉軽減
CH1 CH2 CH3 180kHz占有 チャネル間隔: 100kHz
重要な概念: チャネル間隔 < 占有帯域幅でも、適切な周波数計画により干渉を回避できる
問題8: 総合問題 - FM変調システム設計

新しい無線通信システムを設計する。以下の要求仕様を満たすFMシステムのパラメータを決定せよ:

  1. 適切な最大周波数偏移を決定せよ
  2. 変調指数の範囲を求めよ
  3. このシステムの特性を評価せよ
解答8

1. 最大周波数偏移の決定:

隣接チャネル干渉を避けるため、占有帯域幅 ≤ チャネル間隔

BW = 2(Δf + fmax) ≤ 25 kHz
2(Δf + 3) ≤ 25
Δf ≤ 9.5 kHz
推奨: Δf = 8 kHz(余裕を考慮)

2. 変調指数の範囲:

βmin = Δf/fmax = 8 kHz / 3 kHz = 2.67
βmax = Δf/fmin = 8 kHz / 0.3 kHz = 26.67
変調指数範囲: 2.67 ≤ β ≤ 26.67

3. システム特性評価:

項目 評価
占有帯域幅 22 kHz ✓ チャネル間隔内
変調指数 2.67-26.67 ✓ 広帯域FM
S/N改善 約12 dB ✓ 要求満足
スペクトル効率 低い △ 音質優先
CH n CH n+1 CH n+2 22kHz 25kHz間隔 チャネル配置設計
設計のポイント:
• 占有帯域幅をチャネル間隔の88%に制限
• 3kHzの余裕でガードバンド確保
• 高い変調指数により優れた雑音特性を実現