Analoger UKW-Stereorundfunk
Dieser recht umfangreiche Abschnitt ist in folgende einzelne Kapitel unterteilt, die anfangs die allgemeinen Grundlagen erklären und sich zum Ende hin speziellere Themen zuwenden.
Die ersten Rundfunksender arbeiteten im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich und sendeten die Informationen mittels analoger Zweiseitenband
Amplitudenmodulation aus. Die Audioübertragungen waren ausschließlich monoaural (Mono).
Die auf 9 kHz festgelegte Senderbandbreite erlaubt eine nur geringe Übertragungsqualität. Sie ist etwas besser als die des Telefonsprachbands, das den Frequenzbereich zwischen
300 Hz ... 3,4 kHz umfasst. Die technische Weiterentwicklung erschloss neue, höher frequente Übertragungskanäle. Dort wird mit der Frequenzmodulation eine wesentlich bessere Übertragungsqualität erreicht. Anfangs gab es auch nur monoaurale Übertragungen. Im UKW-Frequenzband zwischen 87,6 MHz bis 108 MHz besteht ein festgeschriebenes Senderraster mit einem Senderkanalabstand von 300 kHz. In Gebieten mit geringer Senderdichte und einem größeren räumlichen Abstand zwischen den Sendern war ein sogenannter Offsetbetrieb mit 100 kHz Kanalabstand erlaubt.
Die analogen FM-Rundfunksender übertragen Informationsfrequenzen bis maximal 15 kHz mit einem Frequenzhub bis 75 kHz. Der Frequenzhub bestimmt die Dynamik oder Lautstärke der Information.
Bei der Frequenzmodulation wird gezeigt, dass die Frequenzspektren vom Modulationsindex abhängig sind und sehr große Bandbreiten aufweisen können. Für monoaurale Sendungen werden alle Spektralanteile bis 10% der Maximalamplitude berücksichtigt. Die Berechnung der Bandbreite erfolgt nach der Carson-Regel mit maximalem Hub des Trägers von 75 kHz und 15 kHz für die höchste zu übertragene Informationsfrequenz.
Carson-Regel: b = 2 · ( ΔfT + fm )
Das Diagramm zeigt das FM-Spektrum für die höchste NF-Signalfrequenz von 15 kHz bei einem Hub von 75 kHz. Alle Spektrallinien bis zur einer Amplitude die größer oder gleich 10% der Maximalamplitude betragen liegen in der Bandbreite von b = 2 · ( 75 kHz + 15 kHz ) = 180 kHz für ein Signal in Mono-Qualität.
Die angegebene Bandbreitengleichung gilt nur für UKW-FM-Sender in monoauraler Qualität. Mit den festgelegten Eckwerten des FM-Rundfunks errechnet sich für Monosendungen ein Modulationsindex von
η = 5. Mit diesem Wert wurde mithilfe der Besselfunktionen auch das oben gezeigte Fourierspektrum erstellt.
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Preemphasis und Deemphasis
In den meisten natürlichen Audioereignissen nehmen die Amplituden zu höheren Frequenzbereichen hin ab. Bei allen Signalbearbeitungen ist ein Rauschpegel vorhanden. Kleinere Signalnutzamplituden liegen daher näher zum Grundrauschpegel, wobei der Störabstand oder das Signal-/Nutzverhältnis zu höheren Nutzfrequenzen hin verringert ist.
Vor der FM-Modulation wird senderseitig mittels Vorverzerrung, der Preemphasis, der hohe Frequenzbereich nicht linear verstärkt. Während der Übertragung können sich Störanteile addieren, die hier als Rauschen gekennzeichnet sind. Im Empfänger wird nach der Demodulation die Preemphasis durch ein gegenläufiges Filter aufgehoben. Die empfängerseitige Deemphasis senkt den hohen Frequenzbereich ab und verringert in diesem Bereich gleichermaßen die Amplituden der hinzugekommenen Störsignale. Sowohl Pre- als auch Deemphasis arbeiten mit gleicher Zeitkonstante τ = 50 μs.
Der Sender nutzt dazu die Übertragungsfunktion einer Hochpassschaltung und der Empfänger den entsprechenden Tiefpass identischer Grenzfrequenz mit
3180 Hz.
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FM-Stereofonie
Ein räumlicher, stereofoner Klangeindruck entsteht durch das Auswerten von Laufzeitunterschieden zwischen Signalen, die an unsere Ohren gelangen. Zur Akustikaufnahme sind daher zwei gleichwertige Aufnahmekanäle notwendig. Im Übertragungskanal müssen die beiden Informationen so gesendet werden, dass sie im Empfänger einwandfrei getrennt werden können. Im Stereoverfahren ist die Informationsdichte größer und deshalb wird eine höhere Bandbreite bei der Übertragung notwendig. Der Stereorundfunk sollte zum bestehenden Monosystem kompatibel sein. Die zur Systemeinführung neuen Empfänger geben sowohl Stereo- als auch Monosendungen wieder, während die älteren Monoradios die Stereoinformationen nicht erkennen und die Übertragungen in der einfachen Monoqualität wiedergeben.
Mit einem Multiplexverfahren ist die gleichzeitige Übertragung mehrerer Informationssignale im gleichen Sendekanal möglich. Im Zeitmultiplexverfahren werden die verschiedenen Signale nacheinander kontinuierlich um einen festen zeitlichen Bereich verzögert und ineinander verschachtelt. Im Frequenzmultiplexverfahren werden die unterschiedlichen Signale auf verschiedene Trägerfrequenzen moduliert und diese nacheinander folgend in den Sendekanal eingefügt.
Die FM-Stereofonie verwendet das Frequenzmultiplexverfahren. Aus dem rechten (R) und linken (L) Stereosignal wird ein Summensignal gebildet. Das Signal S = (L + R) wird wie zuvor bei den Monosendungen frequenzmoduliert gesendet. Damit ist die Forderung nach Abwärtskompatibilität erfüllt. In einer Matrixschaltung wird ein Differenzsignal (L−R) gebildet. Es wird auf eine so hohe neue Trägerfrequenz moduliert, bei der das Modulationsprodukt die höchste 15 kHz Audiofrequenz nicht mehr stören kann. Aus dem Summen- und Differenzsignal lässt sich im Empfänger mit einer Matrixschaltung das L- und R-Stereosignal zurückgewinnen.
Die Trägerfrequenz für das Differenzsignal beträgt 38 kHz. Das Modulationsverfahren ist eine AM mit unterdrücktem Träger. Der Hilfsträger liegt so hoch, dass für die höchste 15 kHz Signalfrequenz zwischen dem modulierten Summensignal eine Lücke zwischen dem unteren Seitenband (38 kHz − 15 kHz = 23 kHz) bestehen bleibt. Das obere Seitenband des Differenzsignals endet bei 53 kHz. Im FM-Stereosignal werden beide Seitenbänder übertragen.
Bei Stereosendungen hat das FM-Sendesignal jetzt mit 53 kHz die höchste Informationsfrequenz. Wird das Stereodifferenzsignal mit dem gleichen Hub von 75 kHz wie das Summensignal moduliert,
so erhöht sich der Bandbreitenbedarf auf 362 kHz und die direkten Nachbarsender werden gestört. Der maximale Hub beider Informationssignale wird daher auf 45% verringert. Dieser Wert verteilt sich für das AM-Differenzsignal symmetrisch auf die beiden Seitenbänder zu je 22,5%. Im Bandbreitenspektrum werden nunmehr alle Spektrallinien bis 1% der Maximalamplitude erfasst. Mit der erweiterten Carson-Regel für das Stereo-Multiplexsignal errechnet sich ein maximaler Bandbreitenbedarf, der dann auch in das bestehende Senderraster passt.
Maximale Stereobandbreite: b = 2 · ( 0,225 · 75 kHz + 2 · 53 kHz ) = 246 kHz.
Das Differenzsignal ist nach dem ZM-Verfahren in einer Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger moduliert. Zur Demodulation im Empfänger muss der Träger wieder zugefügt werden. Dazu dient ein 19 kHz Pilotton, der zum Hilfsträger phasenstarr gekoppelt, im Sender erzeugt und zum Multiplexsignal addiert wird. Diese Frequenz liegt außerhalb der höchsten zu übertragenden Audiofrequenz. Für den Pilotton stehen maximal 10% des maximalen Hubs zur Verfügung. Im Empfänger wird mit dem Pilotton die Stereoanzeige geschaltet. Die folgende Darstellung zeigt das vollständige Amplituden-Frequenzdiagramm des Stereo-Multiplexsignals.
Das folgende Blockschaltbild zeigt die Signalaufbereitung im Sender. Die Audioaufnahme sieht zwei gleichwertige Mikrofone getrennt für den rechten und linken Stereokanal vor. Die Matrixschaltung bildet daraus das Summen- und Differenzsignal. Das Differenzsignal moduliert den 38 kHz Träger in AM, wobei der Träger unterdrückt wird. Der Modulator kann ein Diodenringmodulator oder ein Vierquadrantenmultiplizierer sein. Die Trägerfrequenz kann durch Frequenzverdopplung eines frequenzstabilen 19 kHz Oszillators gewonnen werden. Sie lässt sich auch aus einem höher frequenten Quarzoszillator und nachfolgender Frequenzteilung erhalten. Wichtig ist die phasenstarre Verkopplung zwischen dem 38 kHz Träger und dem 19 kHz Pilotton.
In einer Addierstufe wird das Monosignal (L + R) mit dem modulierten (L − R) Stereohilfssignal zusammengeführt. Die zweite Addierstufe fügt den Pilotton hinzu.
Das Frequenzspektrum entspricht jetzt dem weiter oben dargestellten Stereo-Multiplexsignal. Im Frequenzmodulator wird das Signal auf die Trägerfrequenz des HF-Senders moduliert, verstärkt und gesendet.
Die nächsten Diagramme zeigen Oszillogramme der einzelnen Signale des Stereo-Multiplexsignals vor der FM-Modulation. Für den linken Kanal wurde eine NF-Frequenz von 1,9 kHz und für den rechten Kanal mit 3,8 kHz die doppelte Frequenz gewählt. Mit der daraus folgenden ganzzahligen Abhängigkeit zum AM-Träger und zum Pilotton ist der Triggerpunkt identisch und erleichtert die optische Zuordnung.
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Stereodecoder
Das Hüllkurvenverfahren
Im Rundfunkempfänger ist die Aufgabe des Stereodecoders aus dem Multiplexsignal die Informationen des rechten und linken Kanals zurückzugewinnen. Es stehen mit dem Hüllkurvenverfahren,
dem Matrixverfahren und dem Zeitmultiplexverfahren, auch als Schaltdecoder bezeichnet, mehrere Methoden zur Auswahl. In jedem Fall muss zum amplitudenmodulierten Differenzsignal der senderseitig unterdrückte 38 kHz Träger in ausreichend großer Amplitude hinzuaddiert werden.
Der Hilfsträger kann durch Frequenzverdopplung des im Multiplexsignal vorhandenen und ausgefilterten 19 kHz Pilottons generiert werden. Ebenso kann ein eigenständiger Oszillator direkt oder durch Frequenzteilung die 38 kHz erzeugen, die mit der Pilotfrequenz getriggert, die zum Sender phasenstarre Trägerfrequenz erzeugt.
Die Schaltung zeigt die Trägergewinnung beim Hüllkurvenverfahren. Der 19 kHz Pilotton wird aus dem Multiplexsignal ausgefiltert. Die Frequenzverdopplung lässt sich recht einfach durch Zweiweggleichrichtung des Pilottons und einem nachgeschalteten, auf 38 kHz abgestimmten, Selektivverstärker erreichen.
Im zweiten Signalweg im unteren Bild wird der Pilotton durch ein Sperrfilter eliminiert und das verbleibende Stereomultiplexsignal in einer Addierstufe mit dem Hilfsträger überlagert. Bei ausreichend großer Trägeramplitude entsteht ein AM-Signal mit unterschiedlichen Hüllkurven. Die positive Hüllkurve entspricht dem Rechtssignal und die negative Hüllkurve dem Linkssignal. Durch die Zweiwegedemodulation mit gegenläufig geschalteten Dioden und Tiefpässen bildet man die NF-Signale für den linken und rechten Kanal. Das Blockschaltbild zeigt die Aufbereitung der Signale mit dem Hüllkurvenverfahren.
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Das Matrixverfahren
Für das Matrixverfahren wird nach der FM-Demodulation der Pilotton aus dem Stereo-Multiplexsignal ausgefiltert. Er kann wie oben beschrieben einer Verdopplerschaltung zugeführt werden oder man triggert mit ihm einen im Empfänger laufenden Oszillator und erzeugt damit den zum Sender phasenstarren 38 kHz Hilfsträger. Das Summensignal (L + R) wird mittels Tiefpass aus dem Stereo-Multiplexsignal ausgefiltert und nach dem Stereo-Demodulator einer Widerstandsmatrix zugeführt.
Mit einem Bandpass werden aus dem Multiplexsignal die Seitenbänder des Differenzsignals ausgefiltert. Sie werden zum Hilfsträger addiert und anschließend demoduliert.
Das Verfahren der ZM-Demodulation kann bei der Amplitudendemodulation nachgelesen werden. Kommen wie beim Hüllkurvenverfahren zwei AM-Demodulatoren mit gegenläufig geschalteten Dioden zum Einsatz, so stehen am jeweiligen Demodulatortiefpass das NF-Differenzsignal (L − R) und das um 180° phasengedrehte Differenzsignal −(L − R) zur Verfügung. An der Widerstandsmatrix bildet sich mit dem mittig zugesetzten Monosignal (L + R) das Stereosignal für den linken und rechten Kanal (L) und (R).
Mit den dargestellten Zeitdiagrammen kann man die Arbeitsweise des Matrixverfahrens erkennen. Zur genauen mathematischen Herleitung werden die Spannungsverhältnisse an der oberen Matrixhälfte betrachtet, die entsprechend auch für die untere Hälfte gilt. Alle Widerstände der Matrix haben den gleichen Wert.
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Das Zeitmultiplexverfahren
Das Monosummensignal (L + R) zeigt in der additiven Überlagerung mit dem ZM modulierten Stereodifferenzsignal (L − R) zwei Hüllkurven, die bei Schnittpunkten untereinander jeweils einen Phasensprung aufweisen. Jede Demodulation entspricht einer erneuten Modulation des Modulationsprodukts mit der Trägerfrequenz. Die Demodulation des Stereomultiplexsignals kann daher mit einem Diodenringdemodulator oder Schaltdemodulator erfolgen.
Die Schaltausgänge führen ein trägerfrequentes HF-Signal mit einer für den rechten und linken Kanal getrennten Hüllkurveninformation. Ein nachfolgender Tiefpass integriert die Spannungs-Zeitflächen zur kontinuierlichen
NF-Information.
Aus dem Stereomultiplexsignal wird zum einen der Pilotton ausgefiltert und zur Rückgewinnung des 38 kHz Hilfsträgers verwendet. Im zweiten Zweig durchläuft das MPX-Signal ein 19 kHz Sperrfilter. Das überlagerte Stereosummen und ZM-Stereodifferenzsignal wird von einem Diodenring- oder Schaltmodulator demoduliert. Die Polarität des zugeführten Hilfsträgers besorgt das Umschalten der Diodenpaare. An den Ausgängen der Demodulatoren liegen die geschalteten Rechts- und Linkssignale, die von nachfolgenden Tiefpässen zur NF-Kanalinformation integriert werden. Es folgt das Blockschaltbild eines Schaltdecoders.
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Verkehrs- und Senderprogramm-Informationen
Innerhalb der Senderbandbreite lassen sich mit dem Stereo-Multiplexsignal weitere Informationen übertragen. Von besonderem Interesse sind Verkehrsfunkinformationen. Große Sendeanstalten strahlten sie erst stündlich, später halbstündlich und nach Bedarf aus. Zum Empfang der Informationen mussten Autoradios auf einen Verkehrsfunksender eingestellt und eingeschaltet sein. Anfänglich strahlten diese Sendeanstalten ein bestimmtes Kennsignal aus, das von neueren Empfangsgeräten ausgewertet werden konnte. Die Geräte gaben die Verkehrsdurchsagen mit erhöhter Lautstärke wieder und konnten auch bei nur eingeschaltetem Kassettenbandbetrieb auf den Verkehrsfunk umschalten.
Jede Verkehrsfunkmeldung wurde vom so genannten 1,2 s dauernden Hinz-Triller eingeleitet. Bei dem Kennsignal handelte es sich um einen 2,35 kHz Ton, der mit 123 Hz bei einem Hub von
±123 Hz frequenzmoduliert war. Er war hörbar, kommt aber in dieser Form in keinem Audiosignal vor. Am Ende der Verkehrsfunkdurchsage wurden die Empfangsgeräte durch nochmaliges Senden des Kennsignals für 0,55 s zurückgeschaltet.
ARI – Autofahrer Rundfunk Information
Um 1975 wurde das erweiterte und verbesserte ARI-System eingeführt. Es war voll kompatibel zum bestehenden FM-Rundfunk ohne die festgelegte Senderbandbreite zu überschreiten. Das Stereo-Multiplexsignal wurde um einen Hilfsträger mit dreifacher Pilottonfrequenz erweitert. Der 57 kHz Träger ist phasenstarr mit dem Pilotton verkoppelt. Beträgt sein Hub ±3,75 kHz, so entsteht für das gesamte Sendesignal keine Hubvergrößerung. Der maximale Hub des Pilottons darf ±7,5 kHz betragen.
Diese vom Verkehrssender dauerhaft abgestrahlte Senderkennung (SK) wurde zusätzlich mit einer Bereichskennung (BK) amplitudenmoduliert. Der Modulationsgrad lag bei 60%. Das Gebiet der Bundesrepublik wurde in 6 Bereiche mit verschiedenen Kennfrequenzen aufgeteilt, die in ganzzahligen Teilungsverhältnissen zur Trägerfrequenz standen. Während einer Verkehrsfunkdurchsage erhielt der Träger zusätzlich noch eine Durchsagekennung (DK). Der Träger wurde dazu mit 125,000 Hz, das entspricht dem Teilungsfaktor 456, bei einem Modulationsgrad von m = 30% amplitudenmoduliert.
Die für den ARI-Empfang geeigneten Geräte konnten im Sendersuchlauf auf einen Senderempfang mit SK beschränkt werden. Die BK- und DK-Frequenzen wurden nach einer Hüllkurvendemodulation mit schmalbandigen Filtern ausgefiltert. Im Display wurde der Bereich mit A ... F angezeigt. Die Nachbarländer Österreich und Schweiz verfügten über entsprechende Bereichskennungen.
Während des Empfangs der DK-Frequenz wurden stumm geschaltete Geräte aktiviert. Die eingestellte Lautstärke wurde erhöht und vom laufenden Kassetten- oder CD-Betrieb zur Nachrichtendurchsage umgeschaltet. Das ARI-System wurde im Jahr 2005 eingestellt. Es lief ab 1988 mit dem neueren RDS-System parallel.
Radio-Daten-System
Das neuere RDS (radio data system) nutzt das alte ARI-System, mit dem es über 17 Jahre parallel lief. Es ist ein digitales Zweiseitenbandverfahren mit der 57 kHz ARI-Trägerfrequenz.
Der RDS-Träger ist gegen den ARI-Träger um 90° phasengedreht. Im RDS-Modulationsprodukt ist der Träger unterdrückt. Mit dieser Modulationstechnik erreichte man einen sich nicht gegenseitig störenden Parallelbetrieb von ARI und RDS. Der FM-Hub des RDS-Signals ist auf ±4 kHz festgelegt. Während des Parallelbetriebs standen ihm zugunsten des ARI-Signals nur
±1,2 kHz zur Verfügung, sodass nur in Sendernähe eine gute Datenauswertung möglich war.
Das RDS-Signal wird ohne Datenrahmen kontinuierlich mit 1187,5 Bit/s gesendet. Die Übertragung erfolgt in Datenpaketen, den Blocks. Jeder Block beginnt mit 16 Datenbits gefolgt von 10 Prüfbits und ist somit 26 Bit lang. Mit den 10 Bits wird eine Fehlererkennung und wenn möglich Korrektur durchgeführt. Jeweils 4 Blocks werden zu einer 104 Bit langen Gruppe zusammengefasst. Es sind 15 Gruppen möglich, wobei noch zwischen zwei Versionen A und B unterschieden wird. Genaue Informationen über die Codierung sind in der DIN EN 62106 zu finden.
Im ersten Block wird als wichtigste RDS-Information immer die Senderidentität als PI-Code mit 16 Bit übertragen. Der zweite Block beginnt mit einer 4 Bit langen Gruppennummer GT. Es sind 15 Gruppen mit teilweise zwei Versionen definiert. Der Code gibt Hinweise auf den Inhalt der letzten 5 Bit des 2. Blocks und die 32 Datenbits des 3. und 4. Blocks. Auf GT folgt mit 1 Bit der Versionshinweis und danach der Verkehrsfunkindikator TP. Er ist vergleichbar mit der ARI-Senderkennung SK. Während TP mit jeder RDS-Gruppe gesendet wird, ist das Bit für die Durchsagekennung TA nur in den Gruppen 0 und 15B gesetzt.
Die nächsten 5 Bit im zweiten Block enthalten den Programmtyp (PTY). Der PTY-Code informiert über den Programminhalt, zu dem 32 Möglichkeiten vorgesehen sind. Einige Beispiele sind:
1 - NEWS; 2 - AFFAIRS - Aktuelles; 3 - INFO; 4 - SPORT; 5 - EDUCATE - Bildung; 6 - DRAMA - Hörspiel;
10 - POP M.
Der dritte Block der Gruppe 0 kann anstelle des PI-Codes Alternativfrequenzen AF für Sender mit gleichem Programminhalt in der Empfangsregion enthalten. In der Gruppe 0 kann der Name des Programms aus dem PS-Code (program service name) entschlüsselt werden, der eigentlich für senderinterne Informationen gedacht war. Mit ihm lassen sich bis zu 8 alphanumerische Zeichen darstellen. Manche Sender übermitteln mit diesem Code weitere Zusatzinformation.
In der Gruppe 2 des RDS-Signals wird der Radiotext RT-Code ausgestrahlt. Er zeigt zwei sich abwechselnde Textzeilen mit jeweils maximal 64 Zeichen. Die Informationen können zur Sendung angepasst aktualisiert werden, sodass neben Musikstück und Interpret auch der Wetterbericht und Verkehrsbericht angezeigt werden kann. Nach dem Abschalten des ARI-Verkehrsfunks sendet das RDS-System diese und erweiterte Informationen. Es ist zu erwarten, dass RDS bestehen bleibt, solange noch analoge UKW-FM-Sender in Betrieb sind.