UKW–Stereo–Systeme und Zusatz–Signale Inhaltsverzeichnis · „Stereo–Decoder“ statt. 2.2 Phasen–Modulation (PM) ist eine nichtlineare Modulation, die zu einem breiteren

Stereo–Systeme – I– UKW–Stereo

UKW–Stereo–Systeme und Zusatz–Signale

Inhaltsverzeichnis

1 Mehrkanalige Übertragung 11.1 Orthogonale Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Stereo-Systeme im Rundfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Kompatibilität im Rundfunk–System 22.1 Kompatibilität mit UKW–FM in Mono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1.1 Hierarchische Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 Blockschaltbild Vor–Modulation und Multiplex–Bildung (CCIR) 43.1 Das MPX Spektrum (CCIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Analyse des CCIR Stereo–Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.3 Blockschaltbild CCIR Stereo–Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.3.1 Die Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3.2 Blockschaltbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4 Das OIR Stereo–System 104.1 Analyse des OIR–Stereo–Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Abbildungsverzeichnis

2.1 Stereo–Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Multiplex–Spektrum CCIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3 Multiplex–Spektrum OIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4 FM–Stereo als Beispiel eines hierarchischen Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.1 Blockschaltbild der FM Multiplex–Bildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 Spektrum (prinzipiell) des Multiplex–Signals (MPX) am Eingang des UKW FM–Senders . . . . . 53.3 Spektrum des Multiplex–Signals vor der Einführung von RDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4 Links– und Rechts–Signal; Summen– und Differenz–Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.5 Differenz–DSB–Signal und CCIR–Stereo–Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.6 CCIR–Stereo–Signal mit Stereo–Pilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.7 Synchrone Demodulation des DSB Differenz–Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.8 Prinzip eines Hüllkurven–Decoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.9 Prinzip eines Matrix–Decoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.10 Prinzip eines Schalter–Decoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.11 Prinzip eines IC–Decoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.1 Multiplex–Spektrum OIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Blockschaltbild eines OIR Stereo–Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.3 Differenz–DSB–Signal und Differenz–AM–Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.4 OIR–Stereo–Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.5 OIR–Stereo–Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

c© Prof. Dr.–Ing. Dietmar Rudolph 8. Juni 2009 compiliert für www.Radiomuseum.org

Stereo–Systeme – 1– UKW–Stereo

UKW–Stereo–Systeme und Zusatz–Signale

Es werden verschiedene Systeme für UKW–Stereo und UKW–Zusatz–Signale beschrieben. Zusatz–Signale sindInformationen, die analog (als SCA–Signal oder als Verkehrsfunk–Signal) oder digital (als RDS oder als Da-tenkanal) mit dem UKW–FM Signal zusätzlich übertragen werden. Nicht alle experimentell erprobten Zusatz–Signale wurden eingeführt oder haben bis heute „überlebt“.

1 Mehrkanalige Übertragung

Will man in Stereo (oder heute in 5.1–Technik) und dazu noch Zusatz–Signale übertragen, wird eine mehrka-nalige Übertragung benötigt. Jede Teil–Information erfordert einen extra Übertragungskanal. Diese verschie-denen Kanäle dürfen sich gegenseitig nicht beeinflussen und sie müssen sich auf der Empfangsseite wieder voneinander trennen lassen.

1.1 Orthogonale Kanäle

Zur Verdeutlichung wird hier zunächst von I–Kanälen (Informations–Kanälen) und F–Kanälen (Frequenz–Kanälen) gesprochen.

• F–Kanäle werden unterschieden durch ihre jeweiligen (Mitten– oder Träger–) Frequenzen.

• Mehrere I–Kanäle können in einem F–Kanal übertragen werden.

• Eine mehrkanalige Übertragung benötigt entsprechend viele I–Kanäle.

• Damit sich die I–Kanäle empfangsseitig wieder trennen lassen, müssen diese orthogonal zu einandersein. Oder anders formuliert, wenn sich die Kanäle wieder trennen lassen, liegt eine für diesen Zweckausreichende Orthogonalität vor.

Frühe Stereo–System–Vorschläge haben nur die Orthogonalität realisiert, z.B.:

• Erste Versuche wurden gemacht mit 2 UKW–Sendern mit unterschiedlichen Frequenzen („Trägern“). Aufder Empfangsseite wurden 2 identsche Empfänger benötigt. In einem der F-Kanäle wurde das „Links–Signal“ und im anderen das „Rechts–Signal“ übertragen.

• Ein Sender wurde z.B. mit dem „Links–Signal“ in seiner Frequenz und mit dem „Rechts–Signal“ in seinerAmplitude moduliert. Obwohl hier nur ein „Träger“ verwendet wird, liegt Orthogonalität vor, da sich FMund AM im Empfänger wieder trennen lassen. (1 F–Kanal mit 2 I–Kanälen)

Übertragungssysteme, die nur die Orthogonalität berücksichtigen, erfüllen zwar eine notwendige Bedingung— aber hinreichend ist das nicht. Bei diesen Beispielen kann nämlich ein früherer Empfänger z.B. nur noch das„Links–Signal“ empfangen. Was bei diesen Beispielen fehlte, ist die Kompatibilität zur bisherigen Übertragungin Mono. Daher blieben das nur experimentelle Systeme.

1.2 Stereo-Systeme im Rundfunk

Zwischen den späten ’50er und frühen ’60er Jahren wurde in den verschiedenen Regionen (1 — 3) bzw. LändernStereoübertragungen im Rundfunk eingeführt. Dies bezog sich sowohl auf den

• UKW FM–Rundfunk als auch auf den

• AM–Rundfunk [1]. (AM–Stereo wird hier nicht betrachtet.)

Da bereits eine einkanalige, monophone Übertragung bestand, mußte somit „nur“ ein zweiter Übertragungs-kanal hinzugefügt werden. Für die Lösung dieses Problems wurden eine beachtliche Anzahl von Vorschlägenpräsentiert. Die Empfehlung für einen Vorschlag für ein Rundfunksystem muß jedoch stets von der ITU (Inter-national Telecommunications Union, Genf) verabschiedet werden. Es wurden zwei Vorschläge akzeptiert.

• CCIR–System CCIR: Comité Consultatif International des Radiocommunicacions

• OIR–System OIR: Organisation Internationale de Radiodiffusion

Der Ost/West–Gegensatz der damaligen Zeit hatte zur Folge, daß das CCIR–System im westlichen Teil unddas OIR–System im östlichen Teil eingeführt wurde, wobei allerdings die DDR ebenfalls das CCIR–Systemübernahm.



2 Kompatibilität im Rundfunk–System

Bei jedem Rundfunksystem hat Kompatibilität oberste Priorität. Kompatibilität bedeutet zunächst, daß eintechnischer Fortschritt bei der Senderseite nicht zu Unverträglichkeiten bei bestehenden Empfängern führtund daß genau so ein technischer Fortschritt bei der Empfängerseite keine geänderten Sender benötigt. Wasalso technische Verbesserungen der Sende– oder Empfangs–Seite betrifft, ist Kompatibilität eine Selbstver-ständlichkeit.

Kompatibilität bei der Einführung eines „neuen“ Dienstes (z.B. Stereo oder RDS) bedeutet, daß

• „alte“ Empfänger in gleicher Weise wie bisher auch bei Empfang eines entsprechend modifizierten Sendersarbeiten müssen und / oder daß

• „neue“ Empfänger, die einen nicht modifizierten Sender empfangen, dessen Programm in der gleichen Artwie ein „alter“ Empfänger wiedergeben;

• eine wahrnehmbare Störung in den „alten“ Empfängern durch einen „neuen“ Dienst nicht entstehen darf;

• ein etwas geringerer Pegel des demodulierten Signals, verbunden mit einem verschlechterten Signal zuGeräusch–Vehältnis, sich nicht vermeiden läßt.

Die Einführung eines „neuen“ Dienstes bedeutet also die Hinzufügung weiterer System–Parameter. Kompatibi-lität herrscht dann, wenn dadurch die charakteristischen System–Parameter nicht, oder, z.B. bis auf die Pegel,nur unwesentlich geändert werden.

Kompatibilität ist im Interesse sowohl der Rundfunkteilnehmer als auch in dem der Sendeanstalten. OhneKompatibilität gäbe sehr rasch sowohl Rundfunkteilnehmer ohne Empfangsmöglichkeit für Programme alsauch Sendeanstalten ohne empfangende Teilnehmer. Das aber ist genau das Dilemma bei dem Versuch derEinführung neuartiger Rundfunksysteme, wie z.B. Digitalradio.

Wenn ein Systemwechsel Erfolg haben soll, muß auf beiden Seiten genügend Interesse vorhanden sein,die dazu notwendigen Investitionen zu tätigen. Bei der Einführung des UKW–FM Rundfunks war eine solcheKonstellation gegeben („Welle der Freude“).2.1

2.1 Kompatibilität mit UKW–FM in Mono

Ein Mono–Empfänger kann nur ein Summen–Signal bzw. ein Mitten–Signal wiedergeben. Ein Stereo–Empfän-ger gibt ein Rechts– und ein Links–Signal wieder. Die Kompatibilität erfordert nun, daß

• ein Mono–Empfänger ein Mitten– bzw. Summen–Signal aus dem Stereo–Signal gewinnen kann und daß

• ein Stereo–Empfänger ein Mono–Signal auf beide Kanäle so aufteilt, daß der Eindruck eines Mitten–Signales entsteht.

Da alle Audio–Signale (Links, Rechts, Mitte bzw. Summe) im gleichen Frequenzbereich (30 Hz — 15 KHz)liegen, können diese nicht ohne Vorverarbeitung und Frequenzverschiebung (Modulation) übertragen werden,weil sie sonst empfangsseitig nicht mehr zu trennen wären. Diese Überlegung führt auf die folgende Struktur.

• Aus den Signalen L (links) und R (rechts) wird ein Summen–Signal S und ein Differenz–Signal D gebildet.

S(t) = L(t) + R(t) Summen–Signal ; D(t) = L(t) − R(t) Differenz–Signal (2.1)

D(t)

S(t)+

++

-

L(t)

R(t)

Σ

Σ

Bild 2.1: Stereo–Matrix

Aus dem linken L(t) und dem rechten R(t) Audio–Signal wird ein Summen–Signal S(t) und ein Differenz–Signal D(t) gebildet, Bild 2.1. Dieser Vorgangwird mit Matrix–Bildung bezeichnet. Das Summen–Signal S(t) geht direkt aufden Modulationseingang des Senders, während das Differenz–Signal D(t) einer„Vor–Modulation“ unterzogen wird.

2.1Einer Einführung eines Digitalradio per „Ordre de Mufti“, wie manche ahnungslose Bürokraten sich das vorzustellen scheinen, wirddaher wenig Erfolg beschieden sein.



• Das Summen–Signal S(t) nimmt die Postion des Mono–Signals ein. Das Differenz–Signal D(t) wird mitHilfe einer (Vor–) Modulation in einen anderen (höheren) Frequenzbereich verschoben.

Bei der Art der Modulation (DSB für CCIR bzw. AM für OIR) und des Wertes der Mittenfrequenz (38KHz für CCIR bzw. 31, 25 KHz für OIR) bestehen Freiheiten, die die Unterschiede der verschiedenenSystemvorschläge ergeben, Bilder 2.2 und 2.3 [8] [9] [10].

Bild 2.2: Multiplex–Spektrum CCIR: Basisband,Pilot (19 KHz) und DSB (Mittenferquenz 38 KHz)

Bild 2.3: Multiplex–Spektrum OIR: Basisbandund AM (Mittenfrequenz 31, 25 KHz)

Beide Spektralverteilungen zeigen, daß das Summensignal S(t) in der „normalen“ Frequenzlage von 30 Hzbis 15 KHz übertragen wird. Das Differenz–Signal D(t) wird jeweils in unterschiedlicher Weise übertragen:

• Nach CCIR als DSB (Doppel–Seiten–Band Modulation mit unterdrücktem Träger) auf 38 KHz. Zur korrek-ten Demodulation ist hierfür im Empfänger ein frequenz– und phasen–richtiger Hilfsträger erforderlich,welcher hier z.B. über eine Frequenzverdopplung aus dem Pilotton (auf 19 KHz) gewonnen wird.

• Nach OIR als AM (Amplituden–Modulation) mit (übertragenem) Träger auf 31, 25 KHz. Zur Demodulationgenügt hier eine einfache Hüllkurven–Demodulation (wie bei einem Detektor).

Die Vor–Modulation, die hier genutzt wird, ist eine weitere Möglichkeit um mit einer (nominellen) Träger-frequenz mehrere I–Kanäle zu übertragen. Es handelt sich um eine hierarchische Modulation, wie im nächstenAbschnitt beschrieben.

Je mehr Signale mittels der Vor–Modulation zusammengefaßt werden, umso größere Amplituden des resul-tierenden Gesamtsignals können entstehen. Damit die so entstehende Maximal–Amplitude den (Eingang des)Sender(s) nicht übersteuert, müssen die Pegel aller dieser Teilsignale entsprechend reduziert werden, wie dasin Bild 2.2 gezeigt ist. Das ist die oben erwähnte (unwesentliche) Einschränkung der Kompatibilität.

2.1.1 Hierarchische Modulation

Die Vor–Modulation für das Differenz–Signal D(t) zusammen mit der anschließenden Frequenz–Modulation(FM) ergibt ein System mit einer hierarchischen Modulation, Bild 2.4. Die Art der Vor–Modulation (DSB fürCCIT, AM für OIR, PM2.2 bei experimentellen Stereo–Systemen [11]) ist ein wählbarer Systemparameter. DasEingangs–Signal des FM–Senders wird mit „Multiplex–Signal“ (MPX) bezeichnet.

Vor-ModulatorDSB / AM / PM

D(t)

u (t)H

u (t)D mod

FM-Senderu (t)FM

S(t)

Bild 2.4: FM–Stereo als Beispiel eines hierarchischen Modulators, bestehend aus der Kettenschaltung von Vor–Modulator und FM–Sender; uH(t) ist der senderseitige Hilfsträger für die Vormodulation. uDmod(t) ist das vor–modulierte Differenz–Signal. Die Art der Vor–Modulation ist bei den verschiedenen Stereo–Systemen unter-schiedlich gewählt.

Wird auf der Sender–Seite eine hierarchische Modulation angewendet, erfordert das im Empfänger eineentsprechende hierarchische Demodulation. Bei FM–Stereo findet die entsprechende Nach–Demodulation im„Stereo–Decoder“ statt.

2.2Phasen–Modulation (PM) ist eine nichtlineare Modulation, die zu einem breiteren Spektrum der Vor–Modulation führt als bei denlinearen Modulationen DSB (Doppel–Seitenband) oder AM (Amplituden–Modulation).



3 Blockschaltbild Vor–Modulation und Multiplex–Bildung (CCIR)

Aus den Vorbetrachtungen folgt direkt das Blockschaltbild Abb. 3.1 für die Multiplex–Bildung und die 1. Modu-latoren (vor–Modulation) beim FM–Rundfunk.

Die Blöcke „Stereo–Matrix“, „DSB–Modulator“ für das D(t) Signal, die obere Summierstelle im Block „MPX“und die „Hilfsträger–Erzeugung“ für 19 und 38 KHz bilden i.a. den „Stereo–Encoder“ am Sender.

Die Multiplexbildung entsteht durch die Summierstellen, an deren Ausgang das MPX Signal entsteht, 3.Block von links in der Abbildung.

Als erste Modulationen für das Differenz–Signal und das RDS Signal werden Doppel–Seitenband–Modu-lationen (DSB) verwendet, bzw. für das Zusatz–Signal wahlweise DSB oder Quadratur–Doppel–Seitenband–Modulation (QDSB). Dieses Zusatzsignal wurde insbesondere in USA als SCA–Signal zur (analogen) Über-tragung von Hintergrund–Musik (in Kaufhäusern usw.) verwendet. In Deutschland kam es dagegen so nichtzum Einsatz. Vielmehr wurden verschiedene Datendienste hierfür vorgeschlagen, von denen sich aber keinervermarkten ließ.

DSBModulator

D(t) MPXFM-Sender

FM

Hilfsträger-Erzeugung

RDS

Zusatz-Signal

S(t)+

++

-

L(t)

R(t) +++

+

+

+DSBModulator

QDSBModulator

Stereo-Encoder

+

1

2

3

4 5 7

Bild 3.1: Blockschaltbild der FM Multiplex–Bildung; Die Stereo Encodierung ist hervorgehoben. Blöcke vonlinks nach rechts: Matrix–Bildung , 1. Modulations–Stufen (DSB & QDSB), Multiplex–Bildung (Summierstu-fen), 2. Modulations–Stufe (FM–Sender), Hilfsträger–Erzeugung (Bestandteil des Stereo–Encoders)

Die Datenaufbereitung und die Formung der Datensymbole [3] [4] für RDS und das Zusatzsignal sind imBlockschaltbild nicht dargestellt.

3.1 Das MPX Spektrum (CCIR)

Das dem FM–Sender zugeführte Modulations–Signal ist das MPX–Signal, dessen (prinzipielles) Spektrum inAbb. 3.2 dargestellt ist.

Das Stereo–Differenz–Signal hat spektral ein unteres (LSB, lower side band) und ein oberes Seitenband(USB, upper side band), weshalb die zugehörige Modulation mit DSB (double side band) bezeichnet wird. ZurDemodulation einer DSB benötigt der Empfänger grundsätzlich immer einen frequenz– und phasen–richtigenHilfsträger. [3] Der Empfänger benötigt hierfür eine Einrichtung zur Hilfsträger–Regeneration. [5] Im Falledes Stereo–Signals geschieht dies dadurch, daß auf der Hälfte der Frequenz des Hilfsträgers ein „Pilot–Ton“,der Stereo–Pilot auf 19 KHz übertragen wird. Im Empfänger wird daraus der frequenz– und phasen–richtigeHilfsträger auf 38 KHz gewonnen.3.1

3.1Die ursprüngliche Methode bestand in einer Frequenzverdopplung; moderne Empfänger arbeiten mit einer Phasen–Regelschleife (PLL,phase locked loop). [5]



dBm

Summen-Signal

Differenz-SignalLSB

Differenz-SignalUSB

RDS

Zusatz-Signal(optional)

Verkehrsfunk(abgeschaltet)

Stereo-Pilot

f/KHz

Bild 3.2: Spektrum (prinzipiell) des Multiplex–Signals (MPX) am Eingang des UKW FM–Senders

Im Unterschied zu modernen digitalen Konzepten, ist es die Philosophie der analogen Rundfunk–Systeme,daß der Empfänger (als Massenprodukt) möglichst einfach und preiswert sein muß, während der Sender (alsEinzelstück) vergleichsweise teuer sein darf. In Bezug auf die Demodulation des Stereo–Differenz–Signals be-deutet dies, daß die Frequenzlücke zwischen dem Summen–Signal und dem LSB des Differenz–Signals so großgewählt werden mußte (≈ 7 KHz), daß als Filter für den Piloten ein einfacher Schwingkreis ausreicht unddadurch keine unzulässig große Phasendrehung (der Pilotschwingung) entsteht. Hingegen reicht hierfür dieFrequenzlücke bei 38 KHz nicht aus, weil diese nur ≈ 60 Hz breit ist.

Auch für die Demodulation des Radio–Daten–Signals ist ein entsprechender frequenz– und phasen–richtigerHilfsträger auf 57 KHz erforderlich. Ursprünglich wurde auf 57 KHz ein Verkehrsfunk–Signal (VF) übertra-gen, jedoch ist dieser Dienst mittlerweile abgeschaltet. Da somit kein 57 KHz Pilot vorhanden ist, muß derRDS–Decoder den notwendigen Hilfsträger aus dem RDS Signal selbst zurückgewinnen 3.2, da RDS auch ohneStereo–Übertragung funktionieren muß, also wenn kein Stereo–Pilot vorhanden ist.3.3

Bild 3.3: Spektrum des Multiplex–Signals vor der Einführung von RDS; Das SCA Signal fand vor allem in USAz.B. für Hintergrundmusik in Kaufhäusern eine Anwendung.

Da das RDS–Signal zeitlich nach dem (mittlerweile abgeschalteten) Verkehrsfunk–Signal, Abb. 3.3 [6], hin-zugefügt wurde, war es aus Gründen der Kompatibilität erforderlich, daß das RDS–Signal

• im Spektrum bei 57 KHz eine Lücke haben mußte und daß

• die Phasenlage des RDS–Signals 900 (orthogonal) bezüglich des VF–Signals sein mußte.

Diese Bedingungen lasssen sich durch ein Bi–Phase Format erfüllen, welches deshalb für RDS gewählt wurde. 3.4

3.2Bei jeder Digital–Übertragung wird der empfangsseitige Hilfsträger aus den übertragenen Datensignal gewonnen. Es wird dafür keinPilot–Signal übertragen. Dadurch erhöht sich der technische Aufwand im digitalen Empfänger entsprechend.

3.3Unter Mithilfe des Stereo–Piloten wäre es relativ einfach, weil 57 KHz = 3 · 19 KHz ist. Die Phase des Verkehrsfunk–Piloten muß sogewählt werden, daß die Summenkurve aus den Spannungen von 19 KHz Pilot und 57 KHz Pilot möglichst rechteckförmig wird.

3.4Ein Bi–Phase Signal benötigt gegenüber einem üblichen NRZ (non return to zero) Signal die doppelte Bandbreite.[7]



3.2 Analyse des CCIR Stereo–Systems

Anhand der Struktur des CCIR–Stereo–Systems soll dessen Funktionsweise gezeigt werden. Hieraus läßt sichauch eine Block–Schaltung für den CCIR–Stereo–Demodulator entwickeln. Zu diesem Zweck betrachtet mandie Zeitfunktionen an den Punkten 1 — 7, welche hierfür mit MATLAB berechnet und gezeichnet werden.

• Das „Links“ Signal an Punkt (1) habe 1V Amplitude (Vollaussteuerung) und die Frequenz 1 KHz.

• Das „Rechts“ Signal an Punkt (2) habe 1V Amplitude (Vollaussteuerung) und die Frequenz 3 KHz.

• An Punkt (3) entsteht das Summen–Signal S(t) = L(t) + R(t).

• An Punkt (4) entsteht das Summen–Signal D(t) = L(t) − R(t).

• Der Stereo–Träger habe 1V Amplitude und die Frequenz 38 KHz.

• Der Stereo–Träger und das Differenz–Signal D(t) werden mit einander multipliziert. (Der DSB–Modu-lator wird als idealer 4 Quadranten–Multiplizierer angenommen.) Damit entsteht an Punkt (5) eine DSB.

• In der Summierstelle wird das Summensignal S(t) und das modulierte Differenz–Signal zum CCIR Multi-plex–Signal zusammengefaßt, Punkt (7).

• Das RDS–Signal und das Zusatz–Signal werden hierbei ignoriert.

Die Zeitverläufe von Links– und Rechts–Signal und die des Summen– und Differenz–Signals sind in Bild3.4 dargestellt.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Zeit →

Am

plitu

de →

Links− / Rechts−Signal

Links−Signal

Rechts−Signal

0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Zeit →

Am

plitu

de →

Summen− / Differenz−Signal

Summen−Signal

Differenz−Signal

Bild 3.4: (1) Links–Signal L(t) und (2) Rechts–Signal R(t) (linkes Bild); (3) Summen–Signal S(t) und (4)Differenz–Signal D(t) (rechtes Bild)

Das Differenz–Signal D(t) wird mit dem Stereo–Träger multipliziert. (Die Frequenz für den Stereo–Trägerist in der Graphik nicht maßstäblich gewählt.) Es entsteht dadurch eine Doppel–Seitenband–Modulation (DSB)des Differenz–Signals [an Punkt (5) des Blockschaltbildes 3.1 (Seite 4)]. Diese DSB hat im gewählten Beispielmit Sinustönen für das Links– und Rechts–Signal je 2 obere und untere Seitenlinien (aber keinen Träger!) alsSpektrum3.5 bzw. im allgemeinen Fall ein oberes (USB) und ein unteres (LSB) Seitenband, wie es Bild 3.2 (Seite5) zeigt.

Nun werden das Summensignal S(t) und das DSB–Differenz–Signal addiert, wodurch an Punkt (7) das CCIRStereo–Signal entsteht, allerdings noch ohne den Stereo–Pilot-Ton auf 19 KHz.

Das nächste Bild 3.5 zeigt dies:

links: an Punkt (5) das Differenz–DSB–Signal zusammen mit dem Summen– und Differenz–Signal. Das Dif-ferenz–Signal ist eine der Hüllkurven an das Differenz–DSB–Signal.

3.5Vergleiche hierzu Bild 4.5 (Seite Bild 12).



rechts: an Punkt (7) das CCIR Stereo–Signal (noch ohne Pilotsignal), hier zusammen mit Links– und Rechts–Signal, welche tatsächlich aber nur als Hüllkurven auftreten.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Zeit →

Am

plitu

de →

Summen− / Differenz−DSB−Signal

Summen−Signal

Differenz−DSB−Signal

Differenz−Signal : Hüllkurve

0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Zeit →A

mpl

itude

→

CCIR−Stereo−Signal ohne Pilot

Bild 3.5: (5) Differenz–DSB–Signal (linkes Bild); (7) CCIR–Stereo–Signal, hier noch ohne das Pilot–Signal (rech-tes Bild)

Bild 3.5 (rechts) läßt sehr deutlich erkennen, daß im CCIR–MPX–Signal sowohl das Links–Signal L(t) alsauch das Rechts–Signal R(t) enthalten sein müssen. Man erkennt die beiden Signale in Form von sich über-schneidenden Hüllkurven an das CCIR–MPX–Signal.

Zur Demodulation eines DSB–Signals ist ein Hilfsträger erforderlich, der in seiner Frequenz und Phasenlageidentisch sein muß zu dem Träger, der für die Modulation verwendet wurde, also zum Stereo–Hilfsträger auf38 KHz. Zur Vereinfachung der Schaltung des Stereo–Demodulators (im Empfänger) wird aus diesem Grundedas Stereo–Pilot–Signal auf 19 KHz noch hinzuaddiert3.6, wodurch ein Zeitverlauf gemäß Bild 3.6 entsteht. DieAddition des Pilottones ergibt nur eine geringfügige Vergrößerung der Amplitude.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Zeit →

Am

plitu

de →

CCIR−Stereo−Signal mit Pilot

CCIR−Stereo−Signal

Bild 3.6: CCIR–Stereo–Signal mit Stereo–Pilot anPunkt (7)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Demoduliertes Differenz−DSB−Signal

Zeit →

Am

plitu

de →


Differenz−DSB−Signal * Hilfsträger

D(t)

Bild 3.7: Synchrone Demodulation des DSBDifferenz–Signals (zu Abschnitt 3.3.1 )

3.6Die Demodulation von DSB kann auch ohne übertragenen Hilfsträger oder Piloten erfolgen, wenn der empfangsseitig notwendigeHilfsträger direkt aus dem DSB–modulierten Signal gewonnen wird. Dies kann z.B. mit Hilfe eines Demodulators nach Costas erfolgen. [3]Eine entsprechende Technik ist bei digitaler Datenübertragung allgemein üblich.



3.3 Blockschaltbild CCIR Stereo–Decoder

3.3.1 Die Signale

Zur Demodulation müssen im Prinzip nur die Schritte bei der Modulation in umgekehrter Reihenfolge durch-laufen werden3.7.

Trennung von Summensignal und Differenz–DSB–Signal .Der letzte Schritt bei der Modulation war die Addition des Summensignals S(t) (eines Basisband–Signals)

und des Differenz–DSB–Signals (eines „Hochfrequenz“–Signals), also der Übergang von Bild 3.5 (links) nach(rechts).

• Erforderlich ist somit als erstes eine Frequenz–Weiche, an deren „Tiefpaß–Ausgang“ das Summen–SignalS(t) entnommen wird und an deren „Hochpaß–Ausgang“ das Differenz–DSB–Signal verfügbar ist. Damitsind diese beiden Anteile wieder getrennt.

Gewinnung des Stereo–Hilfsträgers .Vor der Demodulation des Differenz–DSB–Signals muß der Stereo–Hilfsträger aus dem Stereo–Piloten zu-

rückgewonnen werden. Für diesen Schritt gibt es folgende Lösungsansätze.

• Ausfiltern des Piloten und Frequenzverdopplung z.B. mit Gegentakt–Gleichrichtung und anschließenderFilterung. Dies ergibt einen sinusförmigen Hilfsträger.

• Synchronisation einer Phasen–Regel–Schleife (PLL, phase locked loop) durch die Pilotschwingung. DerVCO (voltage controlled oscillator) kann dabei auf einer Vielfachen der Hilfsträgerfrequenz schwingen.Durch digitale Frequenzteilung erhält man dann eine ideale Rechteckschwingung für den Hilfsträger.

Demodulation des Differenz–DSB–Signals .Nachdem der Hilfsträger gewonnen ist, kann das Differenz–DSB–Signal demoduliert werden, damit man

das Differenz–Signal D(t) zurück erhält. Auch für diesen Schritt gibt es mehrere Lösungsansätze.

• Addition eines Hilfsträgers ausreichender Amplitude zum Differenz–DSB–Signal ergibt ein Differenz–AM–Signal. Dieses kann dann wie das OIR–Stereo–Signal, Bild 4.5 (Seite 12), mit zwei gegensätzlichgepolten „Detektoren“ demoduliert werden.

Vorteil: Die Dematrizierung entfällt. Nachteil: Die asynchrone Hüllkurvendemodulation führt auf ein ge-ringeres Signal–zu–Geräusch–Verhältnis.

• Multiplikation des Hilfsträgers mit dem Differenz–DSB–Signal ergibt eine synchrone Demodulation derDSB. Man erhält nach einer (idealen) Tiefpaß–Filterung das Differenz–Signal D(t), Bild 3.7 (Seite 7).

Je nachdem, ob das Hilfsträger–Signal sinusförmig oder rechteckförmig ist, kann eine multiplizierendeoder eine schaltende bzw. umpolende Lösung für den Multiplizierer verwendet werden.

Dematrizierung .Ist das Differenz–Signal D(t) zurückgewonnen, kann es zusammen mit dem bereits vorhandenen Summen-

signal S(t) einer Dematrizierung zugeführt werden, wodurch wieder das Links–Signal L(t) und das Rechts–Signal R(t) entsteht.

L(t) =S(t) + D(t)

2; R(t) =

S(t) − D(t)2

(3.1)

3.7Alle Funktionsblöcke, die hier beschrieben werden seien „ideal“. D.h., eine Weiche trennt ideal; ein Multiplizierer multipliziert ideal;ein Tiefpaß, ein Hochpaß oder ein Bandpaß haben eine ideale Form ihrer Übertragungsfunktionen.

Bei einer analogen Realisierung dieser Blöcke läßt sich diese ideale Funktionsweise immer nur annähern. Und je exakter diese Annähe-rung sein solll, um so aufwändiger wird die Realisierung. Daher gibt es eine bunte Reihe unterschiedlicher Lösungen.

Bei einer digitalen Realisierung (Softwarelösung) ist die ideale Funktionsweise viel einfacher zu realisieren, da hierbei genau die Formelnzu programmieren sind, die die ideale Funktionsweise beschreiben.



3.3.2 Blockschaltbilder

Viele in der Literatur veröffentlichten Blockschaltbilder beschreiben nicht nur die Funktion, sondern berück-sichtigen zusätzlich auch noch eine technische Realisierungsmöglichkeit nach dem damaligen Stand der Tech-nik. Das war für einen damaligen Entwickler sicher richtig und wünschenswert. Aus heutiger Sicht betrachtet,erschwert eine solche Vermischung eher das Verständnis der grundsätzlichen Funktionsweise. Es werden dahersolche Blockschaltbilder ausgewählt, die eine solche Vermischung weitestgehend vermeiden. [12] [13]

Bild 3.8 zeigt das Prinzip eines Hüllkurven–Decoders. Hier wird eine Demodulationsart angewendet, wie siebeim OIR–Decoder, Bild 4.5 (Seite 12), auch geschieht. Aber im Unterschied zum OIR–Verfahren muß hier erstdas dem OIR–Stereo–Signal entsprechende Signal aus dem CCIR–Stereo–Signal erzeugt werden, weshalb dafüralle die Blöcke notwendig sind, die links der beiden Dioden angeordnet sind. Das Pilotsignal wird ausgesiebtund durch Frequenzverdopplung der Stereo–Hilfsträger gewonnen. Dieser wird in der Addierstufe zum CCIR–Stereo–Signal hinzuaddiert, wodurch ein dem OIR–Signal entsprechendes Signal entsteht, bei dann die obereund die untere Hüllkurve getrennt abgetastet werden können.

Bild 3.8: Prinzip eines Hüllkurven–Decoders (fürobere und untere Hüllkurve); Der Trennverstärkerist breitbandig.

Bild 3.9: Prinzip eines Matrix–Decoders; Gewinnungdes D(t)–Signals durch Spitzengleichrichter

Bild 3.9 zeigt das Prinzip eines Matrix–Decoders. Der Name bezieht sich darauf, daß zunächst das Summen-signal S(t) (durch Tiefpaß–Filterung) und das Differenz–Signal D(t) zurückgewonnen werden und diese dannentsprechend zu Gl. (3.1) in einer Addier– und einer Subtrahier–Stufe dematriziert werden.

Die Rückgewinnung des D(t) Signals gemäß dem Blockschaltbild 3.9 geschieht im Prinzip sehr ähnlich wiebeim Hüllkurven–Decoder. Auch hier wird der Stereo–Hilfsträger aus dem Pilotsignal gewonnen und nun zumDifferenz–DSB–Signal addiert. Daraus entsteht das Differenz–AM–Signal, Bild 4.3 rechts (Seite 12), welchesbeim OIR–Verfahren bereits im Sender erzeugt wird. Die Hüllkurve des Differenz–AM–Signals kann wieder miteiner „Detektor–Schaltung“ abgetastet werden (Spitzen–Gleichrichter), im Blockschaltbild mit „AM–Demodul“bezeichnet.

Bild 3.10 zeigt das Prinzip eines Schalter–Decoders. Hier wird die Kurvenform des rückgewonnenen Stereo–Hilfsträgers (durch Verstärkung und Amplituden–Begrenzung) in eine Rechteckschwingung umgeformt. Dieals „Schalter“ bezeichneten Blöcke arbeiten als synchrone Schalt–Demodulatoren. Bei positivem Vorzeichendes Stereo–Hilfsträgers ist der obere Schalter geschlossen und der untere offen, während es bei negativem vor-zeichen genau anders herum ist. Das Eingangs–Signal ist das CCIR–Stereo–Signal gemäß Bild 3.6 (Seite 7), beidem die (sich überschneidenden) Hüllkurven aus dem L(t) und dem R(t) Signal bestehen. Durch diese synchro-ne Demodulation erhält man für L(t) und R(t) Abtastwerte mit Abständen entsprechend zur halben Periode desStereo–Hilfsträgers. In den nachfolgenden Blöcken (hier mit NF bezeichnet) werden diese Abtastwerte (durchTiefpaß–Filterung) interpoliert, wodurch die kontinuierlichen L(t) und R(t) Signale entstehen.

Bild 3.11 ist das Blockschaltbild eines integrierten Stereo–Decoders (TDA1005), der zur Gewinnung desHilfsträgers einen Phasen–Regelkreis (PLL, phase locked loop) verwendet. (oberer Teil des Blockschaltbildes)Der VCO (voltage controlled oscillator) schwingt auf 76 KHz. Durch digitale Frequenzteilung wird daraus derrechteckförmige Hilfsträger auf 38 KHz gewonnen. Eine weitere Frequenzteilung ergibt eine Schwingung auf19 KHz, die in einer Phasenvergleichsstufe (Phase Det.) mit dem 19 KHz Pilotton verglichen wird. Der PLL–Regelkreis sorgt dafür, daß die (Frequenz– und) Phasenabweichung zwischen diesen beiden 19 KHz Schwin-gungen zu Null wird.

Im unteren Teil des Blockschaltbildes befindet sich die (eigentliche) Demodulation und Dematrizierung,während sich im mittleren Teil Überwachungsschaltungen befinden, die den Demodulator für das Differenz–Signal sperren, wenn kein Stereo–Signal vorliegt oder der Empfangspegel zu gering ist.



In der „M“–Stage wird das Summen–Signal S(t) herausgefiltert (Tiefpaß). Der Block darüber ist ein Zwei–Quadranten–Multiplizierer, mit dem das Stereo–DSB–Signal demoduliert wird. Dazu wird ihm zusätzlich derRechteck–förmige 38 KHz Hilfsträger zugeführt. Zwei–Quadranten–Multiplizierer werden üblicherweise alskreuzgekoppelte Differenz–Verstärker realisiert, wodurch ein Gegentakt–Ausgang entsteht. Man erhält da-durch sowohl D(t) als auch −D(t). In der Dematrizierung müssen deshalb nur noch Additionen ausgeführtwerden.

Bild 3.10: Prinzip eines Schalter–Decoders; DerStereo–Hilfsträger ist Rechteck–förmig.

Bild 3.11: Prinzip eines IC–Decoders (TDA1005) mitPLL für die Rückgewinnung des Hilfsträgers

4 Das OIR Stereo–System

Im Unterschied zum CCIT–System verwendet das OIR–System eine (gewöhnliche) Amplitudenmodulation (AM)zur Übertragung des Differenz–Signals. AM kann durch Abtastung der Hüllkurve demoduliert werden, wasdie Schaltungstechnik im Empfänger stark vereinfacht, da hier nur noch zwei Spitzengleichrichter 4.1 benötigtwerden.

Das in Bild 2.3 (Seite 3) gezeigte Spektrum des OIR Stereo–Signals wird zur Verdeutlichung als Bild 4.1wiederholt.

Bild 4.1: Multiplex–Spektrum OIR: Basisband und AM (Mittenfrequenz 31, 25 KHz)

Aufgrund des Spektrums des OIR–Stereo–MPX–Signals ergibt sich die folgende Struktur für den OIR Stereo–Modulator, Bild 4.2. Im linken Teil ist die Stereo–Matrix zu erkennen und im rechten Teil sieht man die hierbeiauf das Differenz–Signal angewandte Vor–Modulation.

4.1AM–Demodulation mit Spitzengleichrichter entspricht der „Detektor–Schaltung“.



DSBModulator

D(t) MPXFM-Sender

FM

Hilfsträger-Erzeugung

S(t)+

++

-

L(t)

R(t) ++

Stereo-Encoder

+

1

2

3

4 5 7+

6

V = 2

Bild 4.2: Blockschaltbild eines OIR Stereo–Modulators. An den Punkten 1 bis 7 ergeben sich typische Zeitver-läufe der Signale. Diese können zur Analyse der Funktionsweise der Block–Schaltung verwendet werden.

4.1 Analyse des OIR–Stereo–Systems

Anhand der Struktur des OIR–Stereo–Systems soll ebenfalls dessen Funktionsweise gezeigt werden. Gleich-zeitig ergibt sich daraus wieder eine Block–Schaltung für den OIR–Stereo–Demodulator. Zu diesem Zweck be-trachtet man die Zeitfunktionen an den Punkten 1 — 7.

• Das „Links“ Signal an Punkt (1) habe 1V Amplitude (Vollaussteuerung) und die Frequenz 1 KHz.

• Das „Rechts“ Signal an Punkt (2) habe 1V Amplitude (Vollaussteuerung) und die Frequenz 3 KHz.

• An Punkt (3) entsteht das Summen–Signal S(t) = L(t) + R(t).

• An Punkt (4) entsteht das Summen–Signal D(t) = L(t) − R(t).

• Der Stereo–Träger habe 1V Amplitude und die Frequenz 31, 25 KHz.

• Der Stereo–Träger und das Differenz–Signal D(t) werden mit einander multipliziert (Multiplizierer: DSB–Modulator). Damit entsteht an Punkt (5) (zunächst) eine DSB.

• Die Amplitude des Stereo–Hilfsträgers wird verstärkt (Faktor 2) und dann zum DSB–Signal addiert. Da-mit entsteht an Punkt (6) das modulierte Differenz–Signal als AM–Signal.

• In der Summierstelle ganz rechts wird das Summensignal S(t) und das modulierte Differenz–Signal zumOIR Multiplex–Signal zusammengefaßt, Punkt (7).

Die Zeitverläufe von Links– und Rechts–Signal und die des Summen– und Differenz–Signals sind in Bild3.4 (Seite 6) dargestellt.

Die Summen– und Differenz–Signale (DSB und AM) sind in Bild 4.3 dargestellt, wobei das Differenz–AM–Signal durch seine große (max.) Amplitude auffällt. Diese ist doppelt so groß wie die (max.) Amplitude desDifferenz–DSB–Signal.

Es ist nun noch das Summen–Signal und das Differenz–AM–Signal zu addieren, um das OIR–Stereo–Signalzu erhalten, Bild 4.4. Man sieht deutlich, daß sich das OIR–Stereo–Signal dadurch auszeichnet, daß seine obereHüllkurve dem Links–Signal und seine untere Hüllkurve dem Rechts–Signal entspricht.

Um OIR–Stereo zu demodulieren, benötigt man also nur zwei „Detektoren“, einer, der die obere Hüllkurveabtastet und einer, der die untere Hüllkurve abtastet, Bild 4.5 [8]. Einfacher geht es nicht und der Aufwand imEmpfänger ist minimal.

In der Technik ist es wie allgemein im Leben: Bekommt man an einer Stelle etwas „geschenkt“, muß manan einer anderen dafür „bezahlen“.

Beim OIR–Stereo–System bezahlt man die einfache Stereo–Demodulation / Decodierung mit einem vermin-derten Signal–zu–Geräusch–Abstand. Dies liegt auf der Sender–Seite daran, daß wegen der AM eine rechtgroße Träger–Schwingung zu übertragen ist. Damit erhält das OIR–MPX–Signal eine große (maximale) Ampli-tude. Da der FM–Sender jedoch einen begrenzten Aussteuerungsbereich hat, muß folglich das Links– und dasRechts–Signal so weit reduziert werden, daß der FM–Sender in seinem NF–Eingang nicht übersteuert wird.Werden aber die Amplituden der Nutz–Signale kleiner, wird bei konstant bleibenden Störungen (Rauschen) dasVerhältnis von Signal–zu–Störung schlechter.



0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Zeit →

Am

plitu

de →

Summen− / Differenz−DSB−Signal

Summen−Signal


Differenz−Signal : Hüllkurve

0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Zeit →

Am

plitu

de →

Summen− / Differenz−AM−Signal

Differenz−AM−Signal

Differenz−Signal: Hüllkurve

Bild 4.3: (5) Differenz–DSB–Signal (linkes Bild); (6) Differenz–AM–Signal D(t) (rechtes Bild); beide zusätzlichmit dem Summen–Signal

0 1 2 3 4 5 6 7 8

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Zeit →

Am

plitu

de →

OIR−Stereo−Signal

obere Hüllkurve:Links−Signal

untere HK:Rechts−Signal

OIR−MPXSignal

Bild 4.4: OIR–Stereo–Signal an Punkt (7) Bild 4.5: (7) OIR–Stereo–Demodulation / Decodie-rung [8]

Literatur

[1] Rudolph, D.: AM - AM–Stereo, Veröffentlichung unter www.Radiomuseum.org & www.diru-beze.de

[2] Rudolph, D.: Digitalisierung des UKW–Rundfunks, Veröffentlichung unter www.Radiomuseum.org &www.diru-beze.de

[3] Rudolph, D.: Amplituden–Modulationen, Skript zur Vorlesung „Signale und Systeme“,

http://www.diru-beze.de/

[4] Rudolph, D.: Inter–Symbol–Interferenz & Nyquist–Bedingung, Skript zur Vorlesung „Digitale Funk–Systeme“,


[5] Rudolph, D.: Synchronisation des Empfängers, Skript zur Vorlesung „Digitale Funk–Systeme“,




[6] O.A.: Messungen an Sendesystemen, Rezepte zur Messung/Überwachung von FM–Hörfunk– und TV–Sendesystemen, Firmendruckschrift Rohde & Schwarz, N 4-023 D-1 & N 4-023 D-2, ca. 1980 — 1985

[7] Rudolph, D.: Basisband–Signale, Skript zur Vorlesung „Digitale Funk–Systeme“,


[8] Gitlica, M.V.: Radiovexanie i �lektroakustika, Radio i Sv��, Moskva, 1989

[9] Kovalgin, �.,A.: Spravoqnik, �vukovoe Vewanie, Radio i Sv��, Moskva, 1993

[10] Kononoviq, L.M.; Kovalgin, �.,A.: Stereofoniqeskoe Vosproi�velenie �VUKA, Radio i Sv��,Moskva, 1981

[11] Schopper, J.: Stereo–Rundfunk in den USA, Funk–Technik 12/1959, S. 417 — 418

[12] Bahr, H.: Philips Lehrbriefe, Elektrotechnik und Elektronik, Bd. 2., 8. A., Hüthig, 1984

[13] Schanz, G.W.: Stereo–Taschenbuch, Stereo–Technik für den Praktiker, Philips Taschenbücher, 1966


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UKW–Stereo–Systeme und Zusatz–Signale Inhaltsverzeichnis · „Stereo–Decoder“ statt. 2.2 Phasen–Modulation (PM) ist eine nichtlineare Modulation, die zu einem breiteren