Radioteknikk : stereo [2 ed.] 8200356205 [PDF]

Zitiervorschau

FRANK KOBBERØD

Radioteknikk

Stereo

•sjonalbiblioteket Depot biblioteket

UNIVERSITETSFORLAGET AS Oslo - Bergen - Stavanger - Tromsø

®

Universitetsforlaget AS 1980 2. utgave 1986. ISBN 82-00-35620-5

Det må ikke kopieres fra denne boka utover det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom Staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Sats:

VAVICA A/S, 3900 Porsgrunn 1986

Trykk: Handelstrykkeriet, Sandefjord

Forord Dette heftet om stereo er skrevet for den videregående skolen, studieretning for håndverk og industri. Stoffutvalget tilfredsstiller kravene til pensum for videregående kurs II på radio- og TVlinjen. I 2. utgave er det i kapittel 2 tatt ut noe unødvendig stoff. I kapit­ tel 3 er en del forklaringer og framstillinger forenklet, og kapitlet er supplert med nytt stoff. Faglærer Kristian T. Sundsdal har gjennomgått og bearbeidet 2. utgave og faglærer Karsten Rislå har gitt verdifulle forslag til endringen

Trondheim, høsten 1986

Frank Kobberød

Innhold 1

Innledning ............................................................................ 1.1 Historikk .................................................................... 1.2 Pilottonesystemet ......................................................

5 5 6

2

Sendersiden .......................................................................... 2.1 Multiplekssignalet ....................................................... 2.2 Matematisk behandling av multiplekssignalet ........ 2.3 Stereodekodere ............................................................ 2.4 Frekvensmultipleksprinsippet ................................... 2.5 Tidsmultipleksprinsippet .......................................... 2.6 Båndbredde ved stereo .............................................. 2.7 Signal/støy-forhold....................................................

7 7 11 12 13 14 15 16

3

Mottakersiden ...................................................................... 19 3.1 Stereomottakeren ....................................................... 19 3.2 Krav til mottakeren .................................................... 20 3.3 Stereodekodere .......................................................... 21 3.3.1 Gjenvinning av underbærebølgen................... 21 3.3.2 Frekvensmultipleksdekodere.......................... 22 3.3.3 Tidsmultipleksdekodere.................................. 24 3.3.4 Kort sammenligning mellom frekvensmulti­ pleksdekodere og tidsmultipleksdekodere .... 26 3.4 Praktiske koplinger.................................................... 27 3.5 Integrerte stereodekodere .......................................... 29 3.5.1 Gjenvinning av underbærebølgen ved hjelp av faselåst sløyfe............................................ 30 3.5.2 Presentasjon av noen integrerte stereodekodere: MC 1310, TDA 1005 og TCA4500 ....... 32 3.6 Integrerte stereodekodere i praktiske koplinger .... 36 3.6.1 Kopling med MC 1310 .................................... 36 3.6.2 Kopling med TDA 1005 .................................. ' 38 3.6.3 Kopling med TCA 4500 .................................. 39 3.7 Målinger ...................................................................... 40 3.7.1 FM signal/støy-forhold .................................. 40 3.7.2 FM-frekvensområde........................................ 41 3.7.3 Harmonisk forvregning .................................. 41 3.7.4 FM-kanalseparasjon........................................ 42 3.8 Pilottone-og bærebølgeundertrykkelse ................... 43

1

Innledning

1.1

Historikk -

England var først ute med stereosendinger. De brukte i 1926 to mellombølgesendere, og fikk på denne måten overført to kanaler. Flere andre har siden eksperimentert mye med denne metoden. Den er lite praktisk i bruk, og i begynnelsen av 1950-årene ble det arbeidet målbevisst for å overføre stereo på én kringkastingskanal. I løpet av 1950-årene ble hele 22 forskjellige stereokringkastingssystemer utviklet bare i USA. Av disse var 11 for FM-kringkasting, 7 for AM-kringkasting og 4 for TV-lyd. Disse systemene ble vurdert av National Stereophonic Radio Committee (NSRC), og tidlig skilte Zenits pilottonesystem seg ut. Allerede i 1960 ble dette pilottonesystemet satt i regulær drift, men offisielt ble det ikke anerkjent av FCC (USAs televerk) før i juni 1961. Russerne skulle ikke være dårligere, og i 1959 utviklet de ferdig sitt system, som har fått navnet polarmodulasjonssystemet. Navnet polarmodulasjon henspiller på signalets utseende: De positive halvperiodene av bærebølgen er modulert med kanal A og de negative med kanal B. Dekoderen blir i dette systemet enkel. Det blir ikke over­ ført noen pilottone. Svenskene videreutviklet ett av de mange amerikanske systemene, og kalte sitt for FM/FM-systemet eller Berglund-systemet. De baserte seg på en normal monokanal (40Hz—15 kHz) og en ekstra FM-moduIert stereokanal. På grunn av de kaotiske forholdene med alle disse stereokringkastingssystemene, begynte Comité Consultatif International des Radiocommunications (CCIR) sitt arbeid med å få vurdert alle disse systemene. 1 1966 kom komiten fram til en del krav som skulle stilles til et stereosystem for programoverføring. De viktigste er: 1 Systemet skal være kompatibelt, det vil si at en monolytter fortsatt skal høre mono, selv om sendingen foregår i stereo. 2 Systemet skal gi høykvalitetsmottaking. 3 Stereomottakere skal kunne produseres til akseptable priser. 4 Senderen må dekke det samme området ved stereo som ved mono. 5 Kravet til beskyttelse mot interferens ved stereo skal ikke være strengere enn ved mono. 6 Overgang til stereo skal ikke forårsake større forandringer i eksisterende frekvensplaner. 7 Det skal være mulig å sende to separate programmer når senderen ikke sender i stereo.

CCIR kom i 1966 fram til at følgende systemer kunne nyttes: 1 Pilottonesystemet (FCC) 2 Polarmodulasjonssystemet Det svenske FM/FM-kompandersystemet ble bare nevnt som et al­ ternativ for dem som ville sende to separate monoprogrammer. Resultatet av dette ble at pilottonesystemet er blitt enerådende i USA og i Europa. Svenskene var litt avventende, og det tok en god stund før de også bestemte seg for pilottonesystemet.

5

1.2 Pilottonesystemet Spesifikasjonene til pilottonesystemet kan vi sette opp i punkter:

1

Et kompatibelt signal (M) er lik halve summen av et venstresignal (V) og et høyresignal (H), M = v + H . Dette sig­ nalet styrer ut hovedbærebølgen maksimalt 90 % i forhold til maksimal utstyring ved monosending.

2

Et signal (S) er lik halve differansen mellom venstresignal og høyresignal, S = v y — . Dette signalet styrer sidebåndene ut til en undertrykt underbærebølge. Summen av disse to sidebåndene styrer ut hovedbærebølgen like mye som S-signalene ville gjøre, om de hadde vært tilsluttet M-kanalen. Maksimal utstyring er 90 % i forhold til utstyringen ved mono­ sending.

3

Underbølgens frekvens er 38 kHz ± 4 Hz.

4

Underbærebølgeresten skal maksimalt styre ut hovedbære­ bølgen 1 % i forhold til maksimal utstyring ved monosending.

5

Et pilottonesignal med halv underbærebølgefrekvens styrer ut hovedbærebølgen 8—10 °/o av maksimal utstyring ved mono­ sending.

6

Diskanthevingen for S-signalet er den samme som for M-signalet.

H

Vi skal seinere se på frekvensspekteret for dette systemet.

6

2

Sendersiden

2.1 Multiplekssignalet Vi så av kapittel 1.2 at det eksisterer spesifikasjoner for pilottone­ systemet eller FCC-systemet, som det også kalles. Monosignalet, som består av halve summen av høyre og venstre kanal, skal maksi­ malt styre ut hovedbærebølgen til 90 % av den utstyringen vi har ved rein monosending. Helt tilsvarende skal stereosignalet, som består av halve differansen mellom høyre og venstre kanal, også maksimalt kunne styre ut hovedbærebølgen til 90 % av den utstyringen vi har ved rein monosending. Likevel er det en vesentlig forskjell. Før dette differanssignalet når senderen, blir det amplitudemodulert inn på en underbærebølge på 38 kHz. Se figur 2.1. Vi ser at stereoinformasjonen består av to sidebånd. Bærebølgen på 38 kHz har fått en ve­ sentlig demping av amplituden sin. Dette skyldes at avstanden i fre­ kvens fra bærebølgen og sidebåndene er for liten. Når vi overfører et lavfrekvenssignal på 40 Hz—15 kHz, blir denne «frekvensluken» bare 80 Hz. Det er da fare for at en normalt kraftig bærebølge vil kun­ ne blande seg med lavfrekvenssignalet og resultere i forvrengning. Vi kaller dette for intermodulasjon. Vi sender derfor en kontrollbærebølge eller en pilottone, som vi har kalt den, midt i «luken» mellom monosignalet og stereosignalet. Det betyr at pilottonen blir overført på 19 kHz, som ligger midt mel­ lom 15 kHz og 23 kHz. Nederste frekvens fra stereosignalet ligger ved full utstyring på 23 kHz. Vi nevnte tidligere at stereosignalet kan mo­ dulere ut hovedbærebølgen til 90 % av det vi ville ha hatt i rein mono­ sending. Det fører da til at hvert av sidebåndene bare kan modulere senderen 45 %. Vi ønsker så god demping eller undertrykking av underbærebølgen som mulig, men tillater en maksimal bærebølgerest på 1 %.

Figur 2.1 Modulasjonssignalet i pilottonesystemet

Selve pilottonen, som ligger på 19 kHz, kan få styre ut hoved­ bærebølgen ca. 9 %. Det gjelder også i forhold til maksimal utstyring av hovedbærebølgen ved rein monosending. Dette betyr at monokanalen (M), det vil si summen av høyre og venstre kanal, og pilottonen opptar tilnærmelsesvis 100 °7o av modulasjonen. Det kan da være nærliggende å tro at det ikke blir noe 7

igjen til stereosignalet (S), som er differanssignalet mellom høyre og venstre kanal. Vi skal nå ved hjelp av noen eksempler belyse hvordan monosignalet og stereosignalet modulerer bærebølgen. Vi tar utgangspunkt i følgende uttrykk for monosignalet (M) og stereosignalet (S): w V + H M = ----------2

(2.1)

V —H 2

(2.2)

S =

der V og H er henholdsvis venstre og høyre kanal.

Vi må i det følgende ha klart for oss at monosignalet og stereosig­ nalet til sammen maksimalt skal styre ut bærebølgen 90 °/o.

Eksempel 1

TT • CS = ----V— H H = A0 gir ------

V og = —

m=^h 2

2

Dette betyr at både S-signalet og M-signalet modulerer bære­ bølgen likt. Da V gir en modulasjonsgrad på 90 %, betyr det at S-kanalen og M-kanalen modulerer bærebølgen 45 % hver. Eksempel 2

H = — V gir S = V 2 H

M=

2

= V og

= 0

Dette forteller oss at S-kanalen modulerer bærebølgen 90 %, mens M-kanalen ikke modulerer bærebølgen i det hele tatt.

Eksempel 3

H = V gir S =

M =

v_ H V 2

= 0 og

V + H 2

= V

Dette forteller oss at nå modulerer M-kanalen 90 % av bære­ bølgen. S-kanalen gir ingen modulasjon.

Ettersom S-signalet totalt kan gi en modulasjonsgrad på 90 %, fø­ rer det til at hvert av sidebåndene bare kan modulere bærebølgen 45 %. Vi får maksimalt frekvenssving på 45 % av 75 kHz. Øvre og nedre sidebånd kan altså gi et frekvenssving på maksimalt 0,45 * 75 kHz. Vi må huske på at alle de nevnte verdier er maksimalverdier. Dersom vi ser på gjennomsnittsverdiene, blir alle frekvenssvingverdiene halvert. En del frekvensdiagrammer i litteraturen tar også ut­ gangspunkt i dette. 8

Selve multiplekssignalet kan illustreres ved at vi tar utgangspunkt i et venstresignal (V) og et høyresignal (H). Se figur 2.2. Figur 2.2i vi­ ser oss sammensetningen av multiplekssignalet før det når modulatoren i senderen. Multiplekssignalet blir dannet i en stereokoder på sendersiden. Utviklingen av multiplekssignalet er vist på figur 2.2.

Figur 2.2a Utvikling av multiplekssignalet. V-kanal (f = 3,8 kHz)

Figur 2.2b Utvikling av multiplekssignalet. H-kanal (f = 1,27 kHz)

Figur 2.2c Utvikling av multiplekssignalet. V + H

u(t)

Figur 2.2d Utvikling av multiplekssignalet. V-kanal og H-kanal i samme aksesystem for å vise hvordan N — H dannes på figur 2.2e

Figur 2.2e Utvikling av multiplekssignalet. V —H

u (t)

Figur 2.2 f Utvikling av multiplekssignalet. Underbærebølgen 38 kHz

9

Figur 2.2g Utvikling av multiplekssignalet. S-signalet før underbærebølgen undertrykkes

Figur 2.2h Utvikling av multiplekssignalet. S-signalet uten underbærebølge

Figur 2.2i Utvikling av multiplekssignalet. S-signalet + M-signalet uten under­ bærebølge

Figur 2.2j Utvikling av multiplekssignalet. S-signalet + M-signalet med under­ bærebølgen gjeninnsatt

Figur 2.2k Utvikling av multiplekssignalet. Pilottonen, 19 kHz

Figur 2.21 Utvikling av multiplekssignalet. MPX-signalet (figur 2.2i + pilottonen)

10

2.2 Matematisk behandling av multiplekssignalet Vi har i kapittel 2.1 sett hvordan frekvensspekteret for modulasjonssignalet ser ut. Der ønsket vi et monosignal (V + H) som gav en modulasjon (deviasjon) på 90 %. Likeledes skulle stereosignalet (V — H) også kunne modulere bærebølgen ut 90 %. Pilottonen, som ligger på halvparten av underbærebølgens frekvens, skal modulere bærebølgen ca. 9 %. Vi kan sette opp et matematisk uttrykk der dette går fram. Multi­ plekssignalet kan altså skrives som funksjon av tiden:

MPX (t) = 0,9 ( V + H

+ 0,09 sin

+

V—H

t

sin wst

(2.3)

coser vinkelfrekvensen av underbærebølgen. Bærebølgens frekvens er 38 kHz. La oss se på hvordan ligning (2.3) blir når underbærebølgen har maksimumsverdien og minimumsverdien. Ser vi bort fra selve pilot­ tonen, får ligning (2.3) følgende form (maksimumsverdi): sin cost = 1 MPX(l) = 0,9 ( V + H

+

0,9 V (2.4)

Tilsvarende for minimumsverdien: sin wst = —1 MPX (—1) = 0,9 (-V + H +

V—H 2

(—1)) = 0,9 H

(2.5) Dette betyr at hver gang underbærebølgen har maksimumsverdien sin, er den bare modulert av venstre kanal. Når denne bærebølgen har minimumsverdien sin, er den tilsvarende bare modulert av høyre ka­ nal. Dette prinsippet utnyttes i stereodekoderne, som er basert på tidsmultipleks.

11

2.3 Stereokodere Stereokoderen er den kretsen på sendersiden som lager det komplette stereomultiplekssignalet (MPX-signalet) ut fra tilført V-kanal og Hkanal. Figur 2.3 viser et enkelt blokkskjema for en FM-stereosender.

Figur 2.3 Enkelt blokkskjema for en FM-stereosender V-kanalen og H-kanalen tilføres stereokoderen via en krets som gir forkorreksjon (preemphasis, diskantheving). Dette gir bedre S/Nforhold for diskantfrekvenser, og er forøvrig omtalt i FM-boken. I stereokoderen dannes MPX-signalet som tilføres FM-modulatoren og senderforsterkeren. Stereokodere arbeider etter ett av to prinsipper, frekvensmultipleksprinsippet eller tidsmultipleksprinsippet. Vi skal kort presen­ tere de to typene av stereokodere, men først nevne litt om begrepene frekvensmultipleks og tidsmultipleks, som også dukker opp i forbin­ delse med stereodekodere på mottakersiden. Multipleksoverføring vil si overføring av flere kanaler over samme linje (eller på samme bærebølge). Et multiplekssignal er da et signal som inneholder flere kanaler. Stereomultiplekssignalet inneholder for eksempel V-kanal og H-kanal som overføres etter frekvensmultipleksprinsippet eller etter tidsmultipleksprinsippet, uten at kanalene forstyrrer hverandre. Det må poengteres at begge typer kodere gir det samme frekvensspekteret, se figur 2.1, slik at vi på mottakersiden ikke merker noen forskjell. Tidsmultiplekskoderen har klare fordeler, men når vi presenterer frekvensmultiplekskoderen først, er det fordi den på en enklere måte viser hvordan MPX-signalet med sitt spesielle frekvensspekter kom­ mer fram.

12

2.4 Frekvensmultipleksprinsippet Denne metoden er noe mindre benyttet enn tidsmultipleksprinsippet. Grunnen til det er at frekvensmultipleksprinsippet krever kom­ pensering for både fasefeil og amplitudefeil. Dette fører også til reduksjon av overhøringsdempingen mellom kanalene. Figur 2.4 viser et blokkdiagram av en stereokoder etter prinsippet for frekvensmultipleks. Vi sender høyre og venstre kanal inn på en forsterker. Videre går signalet via en impedanstransformator inn på en matrise. Denne matrisen skaffer til veie de ønskede sum- og differanssignalene. Se figur 2.5. Høyre og venstre kanal setter opp strømmer i mot­ standene, som vist på figuren.

Fase

Amplitude

Figur 2.4 Stereokoder etter frekvensmultipleksprinsippet

Venstre kanal setter opp den strømmen som er vist med heltrukket pil, mens høyre kanal setter opp den strømmen som er stiplet. Disse strømmene gir et spenningsfall over de like motstandene, henholdsvis —og —y- . Ved å summere spenningene over alle fire mot­ standene i matrisen får vi, som vi ser av figur 2.5, spenningene

Figur 2.5 Matrise. Prinsipiell oppbygging

Vi husker fra tidligere at summen av høyre og venstre kanal inne­ holdt informasjon om monosignalet (M), mens differanssignalet til­ svarende inneholdt informasjon om stereosignalet (S). Stereosignalet blir deretter ført til en ringmodulator. Ringmodulatoren kan vi betrakte som en vanlig modulator bortsett fra én ting: En vanlig AM-modulator leverer et modulasjonssignal som består av en bærebølge og to sidebånd. Ringmodulatoren leverer bare to sidebånd. Bærebølgen er blitt faset bort. Likevel finnes det en liten rest av bærebølgen, men størrelsen av den skal, som nevnt tidligere, ikke overskride 1 °7o av den opprinnelige bærebølgen. Ringmodulatoren styres av en krystallstyrt oscillator. Frekvensen til denne oscillatoren er 38 kHz, og stereosignalet, som nå egentlig er et dobbelt sidebåndssignal (DSB), tilføres et båndpassfilter. Vi vil med dette fjerne alle uønskede harmoniske komponenter som har oppstått i ringmodulatoren. Signalet blir så korrigert med hensyn til amplituden før det tilføres en summasjonskrets. Ett av de signalene vi nå ønsker å legge til er pilottonen. Den skaffes til veie i en frekvensdelerkrets. Her bhr krystalloscillatorens frekvens delt med to, og på dem måten får vi pilottonesignalet. Dette signalet er korrigert med hensyn til både fase og amplitude før det tilføres summasjonskretsen.

13

Monosignalet tas direkte ut fra matrisen og tilføres et forsinkelsesledd. Dette må vi gjøre fordi stereosignalet ble forsinket da det pas­ serte båndpassfilteret. Monosignalet og stereosignalet må summeres i summasjonskretsen i fase. Ellers blir kanalseparasjonen ødelagt. Det signalet som vi nå får ut fra summasjonskretsen, tilføres senderens modulator, og det er dette LF-signalet som påvirker sende­ rens frekvensdeviasjon og båndbredde.

2.5 Tidsmultipleksprinsippet Pilottonesystemet (FCC) kan også oppfattes som et tidsmultiplekssystem. Det kan forklares ut fra en forenklet figur. Se figur 2.6. Signa­ lene fra venstre og høyre kanal føres til en omskifter eller stereokoder, og derfra inn til senderen. Dette signalet overføres så til mottakeren, som har en tilsvarende omskifter eller dekoder som virker motsatt veg. Denne dekoderen må arbeide helt synkront med koderen på sendersiden. Ellers får vi overhøring mellom kanalene. Systemet baserer seg altså på at høyre og venstre kanal modulerer bærebølgen vekselvis. Men vi skal merke oss at et tidsmultiplekssignal gir nøyaktig samme modulasjon som et frekvensmultiplekssignal. Fordelen med dette systemet framfor frekvensmultiplekssystemet ligger egentlig på sendersiden. Se figur 2.6. Venstre og høyre kanal blir behandlet helt likt, og vi unngår derfor frekvensavhengige fasekorreksjonsnett. Dermed kan klirrfaktoren og intermodulasjonen holdes nede på et minimum.

Figur 2.6 Forenklet skjema av et tidsmultiplekssystem

Figur 2.7 viser en stereokoder som virker som en bryter, og styres av en elektronisk bryter. Bryterfunksjonen består i at selve omskifteren får et tog av firkantpulser på 38 kHz. Koderen slipper da avvekslende høyre og venstre kanal gjennom til addisjonsnettverket. Selve bryter­ funksjonen blir styrt av en krystalloscillator på 38 kHz, og ved å dele denne frekvensen i to, skaffer vi også til veie pilottonefrekvensen på 19 kHz. Dette pilottonesignalet adderes i addisjonsnettverket til sig­ nalet fra bryteren. De motstandene som er stiplet inn på figuren, har en bestemt funk­ sjon. Det viser seg at dersom de har bestemte verdier, vil spenningen på bryteren variere mellom to bestemte spenningsverdier som gir et multiplekssignal med undertrykt bærebølge. Beviset for dette tar vi ikke med, men konkluderer med at dersom vi benytter en slik elektro­ nisk bryter som styres av firkantpulser på 38 kHz, får vi et MPXsignal som kan tilfredsstille kravene til senderen. 14

Stereokoder etter tidsmultiplekssystemet

2.6 Båndbredde ved stereo Ved amplitudemodulasjon oppstår det to nye sidebånd. Disse side­ båndene inneholder hver for seg all informasjon om lavfrekvenssignalet. Bærebølgen og effekten i den er som før etter modula­ sjonen. Ved frekvensmodulasjon er forholdet annerledes. Det frekvensmodulerte signalet har foruten bærebølgen et uendelig an­ tall sidefrekvenser på hver side av bærebølgen. Bærebølgen blir dess­ uten påvirket under modulasjonen. Den totale tilførte effekten i det frekvensmodulerte signalet er konstant. Det betyr at effekten i side­ båndene blir tatt på bekostning av effekten i bærebølgen. Det viser seg også at amplituden av disse sidebåndskomponentene avtar sterkt når vi beveger oss bort fra senterfrekvensen. Dersom vi tar med alle sidebåndskomponentene som har en amplitude større enn 1 % av den opprinnelige bærebølgen, blir den nødvendige bånd­ bredden: B = 2( △ f 4- 2 • fL)

(2.7)

△ f: frekvensdeviasjonen fL: modulasjonssignalets frekvens Den høyeste modulasjonsfrekvensen ved stereo er 53 kHz (38 kHz + 15 kHz), og det totale modulasjonssignalet kan maksimalt gi et frekvenssving på 90 % av 75 kHz, det vil si 67,5 kHz. Det skyldes at pilottonen og hjelpebærebølgen opptar de resterende 10 °7o. Stereokanalen (S) kan maksimalt modulere bærebølgen halv­ parten av det som er tilgjengelig. Grunnen er at alle de oppgitte frekvensverdiene er maksimalverdier. Når for eksempel frekvenssvinget som skyldes S-kanalen, øker, vil det, som vi tidligere har sett, avta for M-kanalen. Dette fører til at S-kanalen får 33,75 kHz av det totale frekvenssvinget som er tilgjengelig. Videre er stereokanalen modulert med to sidebånd, slik at hvert sidebånd bare har ca. 17 kHz til rådighet. Vi ser nå bort fra den bærebølgeresten på 1 % som er til stede på 38 kHz. Den nødvendige båndbredden for stereosignalet er gitt av ligning (2.7):

Bstereo = 2(17 + 2 • 53) kHz = 246 kHz

(2.8) 15

Ved Am-modulasjon får vi, ved å modulere en bærebølge med en sinussvingning (fL), to nye frekvenser i en avstand fL fra bærebøl­ gen. På FM får vi et uendelig antall slike nye frekvenser, og da avstan­ den mellom dem også er fL, blir antallet sidefrekvenser:

(2.9)

Om vi regner med sidefrekvenser eller bånd, spiller ingen rolle, og vi kan nå finne hvor mange slike som er nødvendige for å overføre et stereosignal:

Dette betyr at vi trenger hele to sidebåndspar for å overføre et stereosignal. Den nødvendige båndbredden blir da, når vi bare kan ha hele antall sidebåndspar: Stereo = n ' 4 = n '

53 kHz = 212 kHz

Vi trenger altså en båndbredde på 212 kHz i mellomfrekvensen for å kunne få overført et stereosignal uten at signalet forringes. Med for­ ringelse mener vi at signalet ut fra mellomfrekvensforsterkeren ikke er identisk med det som blir sendt ut. Det har oppstått klirr, og kanalseparasjonen er blitt dårligere. Grunnen til dette er at monosignalet (40 Hz—15 kHz) og stereosig­ nalet (23—53 kHz) får forskjellig behandling i mellomfrekvensfor­ sterkeren. Det er svært viktig at disse to signalene får lik behandling. I stereodekoderen må de bli satt sammen riktig med hensyn til amplitude og fase. Ellers får vi klirr og dårlig kanalseparasjon. I praksis greier vi oss med en båndbredde på ca. 200 kHz, på grunn av den kraftige begrensningen som blir foretatt i mellomfrekvensfor ­ sterkeren.

2.7 Signal/støy-forhold I praksis har vi erfart at signal/støy-forholdet er dårligere på stereo enn på mono. Dersom vi tegner støyspekteret som funksjon av lavfrekvenssignalets frekvens, får vi en sammenheng mellom støyspenningen ustøy og frekvens som vist på figur 2.8. Vi ser av kurvene at støyen ved stereomottaking ligger vesentlig i det lavere lavfrekvensspekteret, og det har sikkert mange erfart. Vi kan regne ut hvor stort forholdet S/N i stereo og mono er.

mono

Uttrykt i desibel får vi: a [dB] = 10 • lg 114 = 20,6 dB

16

(2.11)

Figur 2.8 Sammenheng mellom støyspenning og frekvens ved mono og stereo

Dette betyr at vi ved stereo får et signal/støy-forhold som er 20,6 dB dårligere enn ved mono. Tar vi hensyn til ørets følsomhetskurve og foretar en veid signal/støy-måling, blir forholdet enda 3 dB dårligere. CCIR anbefaler veiekurven på figur 2.9. Figuren viser også det nettverket som skaffer fram denne frekvenskurven. Nå viser det seg at det stort sett er mottakerens oscillator som setter grense for hvor godt signal/støy-forholdet egentlig kan bli. Det gjel­ der både ved stereo og ved mono. Hvis vi har maksimal deviasjon på sendersiden, får vi i praksis på mottakersiden ikke bedre signal/støyforhold enn 60 dB. Dette fører til at antennenivåer over en viss grense gir tilnærmet samme signal/støy-forhold både på stereo og på mono. Denne grensen ligger på ca. 550 /xV over 75 Q. Vi kan tegne opp det teoretiske signal/støy-forholdet som funk­ sjon av antennespenningen i et diagram. Figur 2.10 viser hvordan det­ te ser ut. Støytallet F er parameter. Det er tegnet tre kurver for både stereo og mono for mottakere med støytall på 3,6 og 9 dB. Den nevnte grensen på 550 /zV ligger utenfor aksesystemet. For en monolytter er forholdet vesentlig bedre. Ett av kravene for overgang til stereo var at monolytteren ikke skulle få dårligere motta­ kerforhold. Signal/støy-forholdet for monolytteren blir bare redu­ sert med 1 dB mot 20,6 dB ved stereo. Vi skjønner at dette er tilfreds­ stillende for monolytteren. Vi sørger dessuten for at når antennesignalet er svakt, går mottake­ ren automatisk over i mono. Det gjør vi fordi det er bedre å motta mono støyfritt framfor å lytte på et dårlig stereosignal. I kapittel 3.2 skal vi ta for oss de kravene som gjelder for en stereomottaker etter DIN-normen.

17

Figur 2.9 a) Veiekurve for måling av S/N-forhold ved stereo og mono b) Ørefilter

Figur 2.10 S/N-forholdet som funksjon av antennespenningen over mot­ takerens inngangsklemmer

18

3

Mottakersiden

3.1 Stereomottakeren Figur 3.1 viser et enkelt blokkskjema for en stereomottaker.

Manuell tvangsstyring

mono/stereoomkopling

stereoindikator

Figur 3.1 Blokkskjema for en stereomottaker

Tuner, MF-del og detektor er behandlet i FM-boken. Vi skal her studere stereodekoderen, som er koplet inn etter FM-detektoren. Stereodekoderen skal dekode MPX-signalet, som har det frekvensspekteret vi ser på figur 2.1, og gi ut H-kanal og V-kanal som koples til hver sin LF-del og høyttaler. På hver av de to utgangene på dekode­ ren finner vi en etterkorreksjonsenhet (deemphasis, diskantsenkning), som skal dempe diskantfrekvensene like mye som de ble hevet på sendersiden. Hver kanal har et LP-filter som skal dempe pilottonen (19 kHz) og underbærebølgen (38 kHz) og deres harmoniske komponenter. Dette er nødvendig først og fremst med hensyn til innspilling av FMstereoprogrammer på båndspiller. Underbærebølgen eller en av dens harmoniske komponenter kan interferere med slukke/formagnetiseringsfrekvensen i båndopptakeren og gi uønskede pipetoner. I til­ legg gir disse frekvensene en ekstra, uønsket utstyring av båndet. Også for normal lytting vil det være ønskelig å dempe pilottonen og underbærebølgen. Intermodulasjon i LF-forsterkerdelen kan gi pipetoner, og effektforsterkeren får en ekstra uønsket utstyring. I blokkskjemaet på figur 3.1 er det vist to styringssignaler til stereo­ dekoderen, automatisk mono/stereo-omkopling og manuell tvangs­ styring til mono. Automatisk mono/stereo-omkopling sørger for omkopling til mono dersom signalet blir for svakt. Stereomottaking blir i slike tilfeller forstyrret av sjenerende støy. Lytteren kan også selv tvangsstyre til mono ved hjelp av en knapp på apparatets front (manuell tvangsstyring til mono). Til slutt i dette avsnittet skal vi nevne SCA-kanalen (Subsidiary Communications Authorization), som er en tredje kanal i pilottone­ systemet. Denne kanalen er lagt til frekvensområdet 53—75 kHz og kan brukes til forskjellige formål. I USA nyttes den til overføring av bakgrunnsmusikk til varemagasiner (senterfrekvens 67 kHz), mens Vest-Tyskland bruker den til trafikkinformasjon (senterfrekvens 57 kHz). SCA-kanalen er frekvensmodulert. Den er ikke tatt i bruk i Norge. 19

3.2 Krav til mottakeren Det finnes i dag et utall stereomottakere på markedet. For en kunde kan det være svært vanskelig å velge utstyr. Når en gjennomgår de te­ kniske data, finner en ut at fabrikantene ofte gjengir data som er umulige å sammenligne, og som også har liten praktisk betydning for kunden. Ved stereokringkasting stilles det langt større krav til mottakeren enn ved monokringkasting. Det gjelder uansett hvilket stereosystem som er valgt. De økte kravene til mottakerens høy- og mellomfrekvenskretser har stor betydning for kanalseparasjon og klirr. Hvilke kretsløsninger fabrikanten velger for selve stereodekoderen, påvirker i høy grad signal/støy-forholdet, dynamisk selek­ tivitet, impulsstøy, refleksjonsmottaking, harmonisk forvrengning og så videre. Etter hvert har vi fått en del råd og institutter som gir ut normer. Apparatprodusentene prøver å referere sine data i forhold til disse normene, og den normen som er mest vanlig for oss i Europa, er den tyske DIN-normen (Deutsche Industri Norm). Ellers finner vi andre, blant annet IHF (Institute og High Fidelity) i USA, som tar for seg tilsvarende kvalitetsdata. Men svært ofte velger vi mellom apparater med data som er helt uinteressante for øret vårt. Dette må vi være oppmerksomme på. DIN-normen har altså spesifikasjoner som gjelder FM-mottakeren og dens lavfrekvensdel. Dette er likevel minstekrav til kom­ binerte mottakere, reine FM-mottakere og forsterkerdeler. DIN 45 500 må derfor tilfredsstilles for at en kan benytte benevnelsen «High Fidelity». Følgende krav gjelder for FM-mottakeren etter DIN 45 500 blad nr. 8:

Forsterkerdel 1 2 3 4 5 6 7 8 8 9 9 10

a b a b

Sinuseffekt Harmonisk forvrengning Effektiv båndbredde Frekvensområde ± 1,5 dB Intermodulasjon Dempingsfaktor Signal/støy-forhold Kanalseparasjon 1 000 Hz Kanalseparasjon 250—10 000 Hz Inngangsfølsomhet, lavohmig Inngangsfølsomhet, høyohmig Utgangsspenning

2x6 watt 1 % ingen krav 40—16 000 Hz ^3 2 x 40 W > 2 x 60 W >

Til og med 2 x 10 W > 2 x 20 W > 2 x 40 W > 2 x 60 W >

44 dB 41 dB 38 dB 36,5 dB

50 dB 47 dB 44 dB 42,5 dB

Men i FM-apparater med høy utgangseffekt er det ofte forsterkerens signal/støy-forhold ved 2 x 50 mW som setter grensen for mottakerens signal/støy-forhold. Figur 3.24 viser en praktisk oppkopling, der signal/støy-forholdet kan måles. Vi kopler en stereogenerator til mottakerens FMantenneinngang. Den nominelle antennespenningen skal være ca. 0,5 mV ved 75 Q eller 1 mV ved 240 (2. Denne spenningen er ukritisk, ettersom begrensningen allerede er virksom. Vi velger oss en frekvens i området 88 til 108 MHz. Valget av frekvens er også ukritisk. Frekvenssvinget er kritisk, og det skal være ± 40 kHz. Her bør vi bruke et kalibrert deviasjonsinstrument. Pilottonen skal modulere bærebølgen ± 6 kHz. Begge kanaler moduleres med 1 000 Hz. Vi justerer så opp utgangseffekten i sluttforsterkeren med volum­ kontrollen etter tabellen, og leser av utgangseffekten så nøyaktig som mulig. Vi slår av modulasjonen på 1 000 Hz og leser av støyeffekten. Så regner vi ut forskjellen i desibel, og dette tallet utgjør signal/støyforholdet. Som nevnt tidligere bør vi måle allerede ved 2 x 50 mW.

40

Veid måling utføres på samme måte, men instrumentet må være koplet om for dette. Wattmeteret må ha innebygde filtre som tar hen­ syn til ørets følsomhet ved forskjellige effekter.

Figur 3.24 Praktisk kopling for måling av signal/støy-forhold

3.7.2 FM-frekvensområde Kravet her er i grunnen lett å overholde. Dette skyldes at på grunn av pilottonesystemet blir båndbredden begrenset, og kravet på ± 4,5 dB er relativt enkelt å overholde. Figur 3.24 viser oppkoplingen vi kan gjøre for å kontrollere datae­ ne. LF-generatoren Gl gir et 1 000 Hz-signal til FM-generatoren G2. Det finnes selvfølgelig en rekke FM-stereogeneratorer på markedet, som har alt innebygd. Antennesignalet som tilføres mottakerens 75 fi-inngang, anbefales å være 0,5 mV (1 mV ved 240 Q). Vi må dessu­ ten sørge for riktig preemphasis på 50 /zs. Bass- og diskantkontroller setter vi i midtstilling. Vi velger oss en bærebølgefrekvens et sted i FM-båndet, og denne frekvensen er ukritisk. Frekvenssvinget er på 40 kHz ved 1 000 Hz, og dette signalet brukes som referanse for målingene i området 20—15 000 Hz. Vi skal da på det tilkoplede wattmeteret ikke lese av større forskjell enn ± 4 dB i forhold til referansen.

Praktisk kopling for måling av frekvensområdet

3.7.3 Harmonisk forvrengning Største tillatte harmoniske forvrengning er etter DIN 45 500 2,5 °7o, målt både ved stereo og ved mono. Vi kan selvfølgelig ikke få data som er bedre enn det som gjelder for forsterkerdelen. Målingene skal være foretatt ved den oppgitte effekten, og etterpå skal effekten redu­ seres med 26 dB. Fortsatt skal forvrengningen være under 2,5 %. Figur 3.26 viser en måleoppstilling for måling av FM-harmonisk forvrengning. Stereogeneratoren tilkoples antenneinngangen med et signal på 0,5 mV i 75 (2. Valget av bærefrekvens er ukritisk. Frekvens­ svinget ved 1 000 Hz skal være ± 40 kHz, og pilottonen skal gi et utsving på ± 6 kHz. 41

Distorsjonsmeteret og wattmeteret tilkoples, og vi styrer ut stereomottakeren til nominell effekt. Vi leser av klirrmåleren, og størrelsen av det avleste klirret skal være mindre enn det fabrikanten har oppgitt. På mono avbrytes pilottonen, og den øvrige målingen skjer som før.

Figur 3.26 Praktisk kopling for måling av FM-harmonisk forvrengning

3,7.4

FM-kanalseparasjon

Kravet gjelder to områder:

Frekvensområde

250 — 6 300 Hz minst 22 dB 6 300 — 10 000 Hz minst 14 dB

For FM-mottakere med høy kanalseparasjon kreves noe annet ut­ styr enn det som er vist på figur 3.26. Vi må da bruke måleutstyr som har innebygde selektive filtre. Grunnen til det er at signal/støyforholdet influerer på resultatet. Stereogeneratoren koples til antenneinngangen som før vist. Antennenivået er også nå 0,5 mV i 75 0-inngangen. Bærefrekvensvalget er som tidligere nevnt ukritisk. Modulasjonen på 1 000 Hz skal gi et frekvenssving på ± 40 kHz. Wattmeteret tilkoples og begge kanaler innstilles til en effekt som ligger 10 dB under nominell effekt. Det gjøres for å hindre oversty­ ring og forvrengning. Vi stiller så inn stereogeneratoren slik at vi modulerer for eksempel bare høyre kanal i området 250—6 300 Hz, samtidig som vi også leser av venstre kanal. Venstre kanal skal nå ikke ha noe signal fra gene­ ratoren.

AER

o o o

Speakers

o o

Figur 3.27 Praktisk kopling for måling av FM-kanalseparasjon 42

Deretter bytter vi om og foretar samme måling av høyre kanal med modulasjon på venstre. Vi regner ut forskjellen i signalene mellom kanalene, og tallene vi får, skal alltid være større enn de som er opp­ gitt her. Vi kontrollerer deretter frekvensområdet 6 300—10 000 Hz på til­ svarende måte. Det er tungvint å gjøre hele denne prosedyren for justering av kanalseparasjonen hver gang vi skal kontrollere, eventuelt justere kanalseparasjonen. Vi foretar målingen ogjusteringen bare én gang. Vi modulerer som nevnt den ene kanalen mens vi måler signalet på den andre. Justeringen består bare i å justere til minimumssignal. Vi kan selvfølgelig kontrollere på de øvrige frekvensene også, men normalt blir resultatet det samme. Vi kan også studere dette signalet med et oscilloskop. Kanalseparasjonen kommer til uttrykk som størrelsen av rippelen på null-linjen. Se figur 2.6.

3.8

Pilottone- og bærebølgeundertrykking

DIN-normen setter også krav til pilottone- og bærebølgeundertrykkingen. Følgende krav gjelder: 19 kHz minst 25 dB 38 kHz minst 31 dB Som vi skjønner, må vi ha selektive filtre eller en spektrumsanalysator for å kunne måle dette. Spektrumsanalysatoren er for de fleste vanskelig å anskaffe, og vi må bruke en oppkopling som vist på figur 3.28.

Stereo generator

Figur 3.28 Praktisk kopling for måling av pilottone- og bærebølgeundertrykking

Figur 3.28 viser et oppsett som i tillegg til stereo FM-generatoren, mottakeren og wattmeteret er utstyrt med to skarpe båndpassfiltre på henholdsvis 19 og 38 kHz. I mange instrumenter er disse selektive filtrene innebygd, og det forenkler selvfølgelig målingene. Vi kopler stereogeneratoren til som figur 3.28 viser, og antennespenningen er som ved tidligere målinger 0,5 mV ved 75 Q. Frekvenssvinget er på ± 40 kHz, som genereres av et 1 000 Hz-signal. Pilottonens frekvenssving setter vi til ± 6 kHz. Utgangseffekten justeres til 10 dB under det maksimale som forsterkeren kan yte. Vi leser av på det tilkoplede wattmeteret utgangseffekten i dB, kop­ ler inn filtrene, ett om gangen, og leser så av hvor mye utgangs­ effekten i desibel synker. Vi leser altså av hvor stor forskjell det er i utgangseffekten med et slikt MPX-signal i forhold til når alle de øvrige frekvenser er filtrert fra.

43

Alle våre målinger er gjort under den forutsetning at MF-kretsene er i orden. Dersom vi har mistanke om at de ikke er riktig avstemt, bør MF-kretsene kontrolleres først. Det gjelder også selve FMdetektoren. For de helt moderne apparater er det ingen ting å justere i detektoren, bortsett fra den interne oscillatoren i kvadraturdetektoren. Her låses som kjent oscillatoren til pilottonen.

44