Was die Modulationseigenschaften der FM-Rundfunk

Modulation

Frequenzmodulation oder FM ist eine Modulationsform, die Informationen durch Variation der Frequenz einer Trägerwelle übermittelt; Die ältere Amplitudenmodulation oder AM variiert die Amplitude des Trägers, wobei seine Frequenz konstant bleibt. Bei FM ist die Frequenzabweichung von der zugewiesenen Trägerfrequenz zu jedem Zeitpunkt direkt proportional zur Amplitude des Eingangssignals und bestimmt die Momentanfrequenz des übertragenen Signals. Da übertragene FM-Signale mehr Bandbreite beanspruchen als AM-Signale, wird diese Form der Modulation üblicherweise mit den höheren Frequenzen (VHF oder UHF) verwendet, die im Fernsehen, im FM-Rundfunkband und bei mobilen Landfunksystemen verwendet werden.

Pre-Emphasis und De-Emphasis

Zufälliges Rauschen weist in einem FM-System eine dreieckige spektrale Verteilung auf, was zur Folge hat, dass Rauschen vorwiegend bei den höchsten Audiofrequenzen innerhalb des Basisbands auftritt. Dies kann in begrenztem Umfang dadurch ausgeglichen werden, dass die hohen Frequenzen vor der Übertragung angehoben und im Empfänger entsprechend abgesenkt werden. Durch die Reduzierung der hohen Audiofrequenzen im Receiver wird auch das hochfrequente Rauschen reduziert. Diese Prozesse des Anhebens und anschließenden Absenkens bestimmter Frequenzen werden als Pre-Emphasis bzw. De-Emphasis bezeichnet.

Der Umfang der verwendeten Pre-Emphasis und De-Emphasis wird durch die Zeitkonstante einer einfachen RC-Filterschaltung definiert. In den meisten Teilen der Welt wird eine Zeitkonstante von 50 µs verwendet. In Amerika und Südkorea werden 75 µs verwendet. Dies gilt sowohl für Mono- als auch für Stereoübertragungen. Bei Stereo wird vor dem Multiplexen eine Vorverzerrung auf den linken und rechten Kanal angewendet.

Das Ausmaß der Vorbetonung, die angewendet werden kann, ist durch die Tatsache begrenzt, dass viele Formen zeitgenössischer Musik mehr Hochfrequenzenergie enthalten als die Musikstile, die zu Beginn des UKW-Rundfunks vorherrschten. Sie können nicht so stark vorbetont werden, da dies zu einer übermäßigen Abweichung des FM-Trägers führen würde. Systeme, die moderner sind als der UKW-Rundfunk, neigen dazu, eine der beiden programmabhängigen variablen Vorverzerrungen zu verwenden; z. B. dbx im BTSC-TV-Soundsystem oder gar keines.

UKW-Stereo-

In den späten 1950er Jahren erwog die FCC mehrere Systeme zur Ergänzung des UKW-Radios mit Stereo. Eingeschlossen waren Systeme von 14 Befürwortern, darunter Crosby, Halstead, Electrical and Musical Industries, Ltd (EMI), Zenith und General Electric. Die einzelnen Systeme wurden bei Feldtests in Uniontown, Pennsylvania, unter Verwendung von KDKA-FM in Pittsburgh als Ursprungssender auf ihre Stärken und Schwächen hin bewertet. Das Crosby-System wurde von der FCC abgelehnt, weil es nicht mit bestehenden Subsidiary Communications Authorization (SCA)-Diensten kompatibel war, die verschiedene Unterträgerfrequenzen, darunter 41 und 67 kHz, nutzten. Viele umsatzarme UKW-Sender nutzten SCAs für „Storecasting“ und andere Nicht-Rundfunkzwecke. Das Halstead-System wurde wegen mangelnder Hochfrequenz-Stereotrennung und Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Hauptkanals verworfen. Die Systeme von GE und Zenith waren sich so ähnlich, dass man sie theoretisch als identisch betrachtete. Sie wurden im April 1961 von der FCC offiziell als Standard-Stereo-UKW-Rundfunkmethode in den Vereinigten Staaten genehmigt und später von den meisten anderen Ländern übernommen.

Es ist wichtig, dass ein Stereo-Sendungen mit mono Empfängern kompatibel. Aus diesem Grund werden die linken (L) und rechten (R) Kanal algebraisch in Summe (L + R) und Differenz (L-R) -Signale kodiert. Ein Mono-Empfänger wird einfach die L + R-Signal zu verwenden, so dass die Zuhörer beide Kanäle durch die einzelnen Lautsprecher hören. Ein Stereo-Receiver wird das Differenzsignal auf das Summensignal hinzuzufügen, um den linken Kanal zu erholen, und Subtrahieren des Differenzsignals aus der Summe, um den rechten Kanal zu erholen.

Das (L+R)-Hauptkanalsignal wird als Basisband-Audio übertragen, das auf den Bereich von 30 Hz bis 15 kHz beschränkt ist. Das (L-R)-Signal wird auf ein 38-kHz-DSB-SC-Signal (Doppelseitenband-Unterdrückungsträger) amplitudenmoduliert, das den Basisbandbereich von 23 bis 53 kHz einnimmt.

Außerdem wird ein 19-kHz-Pilotton mit genau der Hälfte der 38-kHz-Hilfsträgerfrequenz und mit einer genauen Phasenbeziehung dazu erzeugt, wie in der folgenden Formel definiert. Dieser wird mit 8–10 % des gesamten Modulationspegels übertragen und vom Empfänger verwendet, um den 38-kHz-Unterträger mit der richtigen Phase zu regenerieren.

Das endgültige Multiplexsignal vom Stereogenerator enthält den Hauptkanal (L+R), den Pilotton und den Unterkanal (L−R). Dieses zusammengesetzte Signal moduliert zusammen mit allen anderen Unterträgern den FM-Sender.

Die momentane Abweichung der Senderträgerfrequenz aufgrund der Stereo-Audio und Pilotton (at 10% Modulation) ist


wobei A und B die vorverzerrten linken und rechten Audiosignale sind und f_p=19 kHz die Frequenz des Pilottons ist. Bei Vorhandensein anderer Unterträger oder aufgrund örtlicher Vorschriften kann es zu geringfügigen Schwankungen der Spitzenabweichung kommen.

Die Rückumwandlung des Multiplexsignals in linke und rechte Audiosignale übernimmt ein Decoder, der in Stereoempfängern eingebaut ist.

Um die Stereotrennung und die Signal-Rausch-Parameter beizubehalten, ist es üblich, vor der Kodierung eine Vorverzerrung auf den linken und rechten Kanal anzuwenden und nach der Dekodierung eine Deverzerrung am Empfänger anzuwenden.

Stereo-FM-Signale sind anfälliger für Rauschen und Mehrwegeverzerrungen als Mono-FM-Signale.

Darüber hinaus ist bei einem gegebenen HF-Pegel am Empfänger das Signal-Rausch-Verhältnis für das Stereosignal schlechter als für den Mono-Empfänger. Aus diesem Grund verfügen viele Stereo-UKW-Receiver über einen Stereo/Mono-Schalter, um das Hören in Mono zu ermöglichen, wenn die Empfangsbedingungen nicht ideal sind, und die meisten Autoradios sind so ausgelegt, dass sie den Abstand verringern, wenn sich das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert und schließlich auf Mono umschaltet zeigt aber immer noch an, dass ein Stereosignal empfangen wird.

Quadraphonic FM

Im Jahr 1969 erfand Louis Dorren das Quadraplex-System für die diskrete, kompatible Vierkanal-UKW-Übertragung mit einem Sender. Es gibt zwei zusätzliche Unterträger im Quadraplex-System, die den einzelnen Unterträger ergänzen, der im Standard-Stereo-FM verwendet wird. Das Basisband-Layout ist wie folgt:

50 Hz bis 15 kHz Hauptkanalsignal (Summe aller 4 Kanäle) (LF+LR+RF+RR), für Mono-FM-Hörkompatibilität.
23 bis 53 kHz (Cosinus-Quadratur-Hilfsträger) (LF+LR) - (RF+RR) Differenzsignal links minus rechts. Die Modulation dieses Signals in algebraischer Summe und Differenz zum Hauptkanal wurde für die Kompatibilität mit 2-Kanal-Stereo-Hörern verwendet.
23 bis 53 kHz (Sinus-Quadratur-38-kHz-Hilfsträger) (LF+RF) - (LR+RR) Vorderes Minus-Rückseitiges Differenzsignal. Die Modulation dieses Signals in algebraischer Summe und Differenz mit dem Hauptkanal und allen anderen Unterträgern wird für den Quadraphonic-Hörer verwendet.
61 bis 91 kHz (Cosinus-Quadratur-76-kHz-Hilfsträger) (LF+RR) - (LR+RF) Diagonales Differenzsignal. Die Modulation dieses Signals in algebraischer Summe und Differenz mit dem Hauptkanal und allen anderen Unterträgern wird auch für den Quadrophonic-Hörer verwendet.
95-kHz-SCA-Unterträger, phasengekoppelt auf 19-kHz-Pilot, für Lesedienste für Blinde, Hintergrundmusik usw.

Es wurden mehrere Varianten dieses Systems von GE, Zenith, RCA und Denon zur Prüfung und Prüfung während der Feldversuche des National Quadraphonic Radio Committee für die FCC eingereicht. Das ursprüngliche Dorren Quadraplex-System übertraf alle anderen und wurde zum nationalen Standard für Quadrophonic FM-Rundfunk in den Vereinigten Staaten gewählt. Der erste kommerzielle UKW-Sender, der quadrophone Programminhalte ausstrahlte, war WIQB (heute WWWW-FM genannt) in Ann Arbor/Saline, Michigan unter der Leitung von Chefingenieur Brian Brown.

Andere Hilfsträgerdienste

Der UKW-Rundfunk verfügt seit seiner Einführung über die SCA-Fähigkeit, da er als weiterer Dienst angesehen wurde, mit dem Lizenznehmer zusätzliche Einnahmen erzielen könnten. Ursprünglich waren die Nutzer von SCA-Diensten private analoge Audiokanäle, die intern genutzt oder vermietet werden konnten, beispielsweise Dienste vom Typ Muzak. Radio-Vorlesedienste für Blinde wurden und bleiben allgemein verbreitet, und es gab Experimente mit quadraphonischem Klang. Sendet ein Sender nicht in Stereo, kann alles ab 23 kHz für andere Dienste genutzt werden. Das Schutzband um 19 kHz (±4 kHz) muss weiterhin eingehalten werden, um Stereo-Decoder an Receivern nicht auszulösen. Wenn Stereo vorhanden ist, gibt es normalerweise ein Schutzband zwischen der Obergrenze des DSBSC-Stereosignals (53 kHz) und der Untergrenze eines anderen Unterträgers.

Mittlerweile sind auch digitale Dienste verfügbar. Ein 57-kHz-Hilfsträger (phasensynchronisiert mit der dritten Harmonischen des Stereo-Pilottons) wird zur Übertragung eines digitalen Radio-Data-System-Signals mit geringer Bandbreite verwendet und bietet zusätzliche Funktionen wie Alternative Frequency (AF) und Network (NN). Dieses Schmalbandsignal läuft mit nur 1187.5 Bit pro Sekunde und ist daher nur für Text geeignet. Für die private Kommunikation werden einige proprietäre Systeme verwendet. Eine Variante von RDS ist das nordamerikanische RBDS- oder „Smart Radio“-System. In Deutschland wurde das analoge ARI-System vor RDS verwendet, um Verkehrsmeldungen an Autofahrer zu senden (ohne andere Zuhörer zu stören). Pläne, ARI auch in anderen europäischen Ländern einzusetzen, führten zur Entwicklung von RDS als leistungsfähigerem System. RDS ist so konzipiert, dass es trotz der Verwendung identischer Unterträgerfrequenzen zusammen mit ARI verwendet werden kann.

In den Vereinigten Staaten werden digitale Radiodienste im FM-Band bereitgestellt, anstatt Eureka 147 oder den japanischen Standard ISDB zu verwenden. Dieser In-Band-On-Channel-Ansatz nutzt, wie alle digitalen Radiotechniken, hochentwickeltes komprimiertes Audio. Das proprietäre iBiquity-System mit der Marke „HD Radio“ ist derzeit für den Betrieb im „Hybrid“-Modus zugelassen, bei dem sowohl der herkömmliche analoge FM-Träger als auch digitale Seitenband-Unterträger übertragen werden. Vorausgesetzt, dass HD-Radioempfänger weitverbreitet eingesetzt werden, könnten die analogen Dienste theoretisch eingestellt werden und das UKW-Band komplett digitalisiert werden.

In den Vereinigten Staaten werden Dienste (außer Stereo, Quad und RDS), die Unterträger nutzen, manchmal als Subsidiary Communications Authorization (SCA)-Dienste bezeichnet. Zu den Verwendungszwecken für solche Unterträger gehören Buch-/Zeitungslesedienste für blinde Zuhörer, private Datenübertragungsdienste (zum Beispiel das Versenden von Börseninformationen an Börsenmakler oder gestohlene Kreditkartennummern-Schwarzlisten an Geschäfte [Quellenangabe erforderlich]), werbefreie Hintergrundmusik-Abonnementdienste für Geschäfte, Paging-Dienste („Piepser“) und Bereitstellung einer Programmzuführung für AM-Sender von AM/FM-Sendern. SCA-Unterträger haben typischerweise 67 kHz und 92 kHz.

Dolby FM

Dolby FM war ein kommerziell erfolgloses Rauschunterdrückungssystem, das Ende der 1970er Jahre in einigen Ländern in einigen Ländern beim UKW-Radio eingesetzt wurde. Es ähnelte Dolby B, verwendete jedoch eine modifizierte Pre-Emphasis-Zeitkonstante von 25 µs und eine frequenzselektive Kompandierungsanordnung zur Rauschunterdrückung.

Ein ähnliches System namens High Com FM wurde zwischen Juli 1979 und Dezember 1981 vom IRT in Deutschland getestet. Es basierte auf dem Breitband-Kompandersystem Telefunken High Com, wurde jedoch nie kommerziell im UKW-Rundfunk eingeführt.

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