FM-Stereo-Coder

Für alle die sich schon immer gewünscht haben auch in stereo zu senden, gibt es hier eine Anleitung zum Nachbau eines schon fast professionellen Signalgenerators mit dem ein normgerechtes Stereo-Multiplexsignal für FM-Sender erzeugt werden kann.

Diese Anleitung stammt aus dem Elektor Sonderheft Hochfrequenz 1 ("Elektor Plus 18"). In dem Heft wird nicht nur der Nachbau des Stereomodulators, sondern auch der Bau eines kleinen 3-stufigen UKW-Prüfsenders beschrieben. Dieser Sender liefert eine Ausgangsleitung von 150 mW; ist aber relativ umständlich aufzubauen, da Spulen auf bestimmte Spulenkörper gewickelt und abgeglichen werden müssen. Aus diesem Grund habe ich die Anleitung etwas "beschnitten", und nur den Teil eingescannt, der für den Nachbau des Stereoencoders benötigt wird.

Stereo-Modulator fertig aufgebaut

Wer keine Lust hat, die Bauteile zusammenzusuchen und eine (doppelseitig durchkontaktierte) Platine zu ätzen, kann sich den Stereocoder inklusive UKW-Sender auch als Bausatz schicken lassen (Händler: z.B. Geist Electronic Schwenningen, Tel. 07720/36673). Allerdings kostet das um die 200 DM.

Zum Abgleich des Coders sollte ein Ozilloskop benutzt werden. Wer kein Ozilloskop hat, kann das Teil notfalls auch "nach Gehör" mit einem Voltmeter und einem stereotauglichen Radio abstimmen. Wer keinen Signalgenerator besitzt kann die zum Abgleich erforderlichen Testtöne mit seinem PC (Soundkarte und Soundprogramm - z.B. Cool Edit 96) generieren. Der für den Nachbau des Coders benötigte Quarz mit der unüblichen Frequenz von 2,432 MHz kann durch einen 2,4576-MHz-Quarz ersetzt werden.

Es folgt jetzt die leicht veränderte Nachbauanleitung des Stereo-Coders aus dem Elektor-Heft. Verweise zu den Bildern befinden sich am Ende des Textes.
 
 

FM-Stereo-Multiplexer

Normgerechte Signalquelle für den Empfängerabgleich

Frei nach Jan Barendrecht

Nicht als Grundstock für eine neue Lokalrundfunkstation, sondern als Signallieferant für den Abgleich von Empfängerschaltungen ist diese Meßschaltung gedacht. Es handelt sich um einen Stereo-Multiplexer, der an einen FM-Prüfsender angeschlossen werden kann und so ein normgerechtes Signal zum Testen und Abgleichen von FM-Empfängern liefert.

Die Erzeugung eines FM-Stereo-Signals mit sauberem Spektrum, das sich als Testsignal eignet, ist nicht gerade einfach.Wie man es aber trotzdem mit relativ einfachen Mitteln erreichen kann ist hier beschrieben.

Das FM-Stereo-Multiplexsignal

In Bild 1 ist das theoretische Frequenzspektrum eines Multiplex-Stereosignals dargestellt (MPX), wie es üblicherweise am Modulationseingang eines FM-Rundfunksenders zu finden ist. Die beiden Stereosignale L (Links) und R (Rechts) werden addiert (L+R) und außerdem subtrahiert (L-R). Der L+R-Anteil enthält den unteren Teil des Spektrums bis etwa 15 kHz, was die Kompatibilität mit Mono-Empfängern sicherstellt. Die L-R-Komponente wird auf einen 38-kHz-Träger (amplituden-)moduliert, wobei bekanntlich zwei spiegelbildliche Seitenbänder links und rechts vom Träger entstehen , das obere und unteres Seitenband (Englisch: upper sideband = USB und lower sideband = LSB). Durch Unterdrückung des Trägers bleiben nur die beiden Seitenbänder übrig, die L-R-Komponente wird somit in ein doppeltes Seitenbandsignal mit unterdrücktem Träger umgesetzt. Diese Modulationsart heißt auch DSSC (Double sideband, suppressed carrier). Der 38-kHz-Träger wird hier unterdrückt, um den Frequenzhub und damit den Bandbreitenbedarf des FM-Senders in Grenzen zu halten.

Aufbau des Spektrums eines Stereo-MPX-Signals

Auf der Empfängerseite wird der fehlende 38-kHz-Träger mit Hilfe eines 19-kHz-Pilottons regeneriert, der mit einem relativen Pegel von 10% der maximalen Amplitude des Modulationssignals ebenfalls im MPX-Signal enthalten ist. Dieses 19-kHz-Signal dient dem FM-Empfänger gleichzeitig als Indikator für eine Stereoaussendung des empfangenen Senders. Der im Empfänger in der Frequenz verdoppelte Pilotton liefert das zur Demodulation der L-R-Information nötige 38-kHz-Signal (als regenerierten 38-kHz-Träger). Darauf folgt eine Matrix, um die separaten L- und R-Signale aus den L-R- und L+R-Anteilen herauszufischen.

Damit im Empfänger aus dem 19-kHz-Pilotton der richtige 38-kHz-Träger gewonnen werden kann, müssen die beiden Signale sowohl sender- als auch empfängerseitig miteinander in Phase liegen. Um dies zu erreichen, werden die beiden Signale in unserer Schaltung mittels einer Phase-Locked-Loop-Schaltung (PLL) entsprechend nachgeregelt.

Die Pegel aller Einzelsignale im MPX-Signal sind festgelegt, damit auf der Empfängerseite bei der vorgegebenen Bandbreite die optimale Kanaltrennung erreicht werden kann und die Klangqualität bei Mono-Empfang nicht beeinträchtigt wird.

Blockschaltbild

Das Blockschaltbild der als MPX-Generator oder Stereocoder bezeichneten Baugruppe ist in Bild 2 zu sehen. Ein quarzstabilisierter digitaler Taktoszillator/Teiler liefert Signale mit 19 und 38 kHz, die in separaten Tiefpaßfiltern von der Rechteck- in die Sinusform umgewandelt werden. Zwischen dem 19-kHz-Ausgang und dem zugehörigen Tiefpaßfilter ist ein Phasenschieber angeordnet, der von einer PLL (Phase locked loop) gesteuert wird. Die PLL vergleicht die Phasenlage des 19- und des 38-kHz-Signals und liefert ein Korrektursignal an den Phasenschieber. Wenn die PLL kein Fehlersignal ausgibt, sind 19- und 38-kHz-Signal in fester Phasenrelation.

Blockschaltbild des Stereo-MPX-Generators

Der rechte und der linke Kanal des Audiosignals durchlaufen ein Pre-Emphasis-Netzwerk, bevor sie addiert und subtrahiert werden, um das L+R- und das L-R-Signal zu erzeugen. Die L-R-Komponente wird mit dem 38-kHz-Signal multipliziert, um das DSSC-Signal im MPX-Spektrum zu erzeugen. Ein Summierkreis addiert den 19-kHz-Ton, die L+R-Komponente und das DSSC-Signal. Das Ergebnis ist das gewünschte Stereo-Multiplexsignal, das zum Modulationseingang des FM-Senders geschickt wird.

Schaltungsdetails

Die Anordnung der Baugruppen in Bild 3 entspricht der im Blockschaltbild. Der zentrale Oszillator ist mit dem Zähler/Teiler-IC CD4060 (IC1) und einem 2,432-MHz-Quarz aufgebaut. Der Phasenschieber hinter dem 19-kHz-Ausgang ist mit der Doppel-Varicap-Diode (D1) und dem Operationsverstärker IC2 realisiert. Der als Pi-Filter ausgelegte LC-Tiefpaß formt aus dem Rechtecksignal eine saubere Sinusschwingung, die dem Eingang des Analogmultiplexers IC8 - einem XR2208 von Exar - zugeführt wird, der hier als PLL-fungiert. Das PLL-Fehlersignal steuert die Kapazität der Diode D1 und dadurch die Phasenbeziehung zwischen dem 19-kHz- und dem 38-kHz-Signal. Die Phasenlage kann mit dem Poti P1 vorgegeben werden.

Weiter gehts links unten im Schaltbild. Das linke (L) und das rechte (R) Audiosignal durchlaufen ein passives Netzwerk, das die 50-µs-Preemphasis bewirkt, bevor sie die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker IC5a und IC5b erreichen. Der als Addierer geschaltete Operationsverstärker IC8a bildet aus den Audiosignalen die Komponente L+R, der Subtrahierer IC8b die Komponente R-L. Der zweite XR2208 in der Schaltung, IC6, multipliziert die 38-kHz-Sinusschwingung mit der R-L-Komponente. Da der Multiplizierer den R-L-Anteil außerdem invertiert, steht am Ausgang das gewünschte DSSC-Signal mit der erforderlichen L-R-Komponente zur Verfügung.

Der 19-kHz-Pilotton, das DSSC-Signal und das L+R-Signal werden über Widerstände am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC7 addiert. Die Pegel des Pilottons und der L+R-Komponente können mit den Potis P3 beziehungsweise P2 eingestellt werden. Der Operationsverstärker dient als Puffer für das MPX-Signal. Am separaten wechselspannungsgekoppelten Ausgang A ist das MPX-Signal für Testzwecke verfügbar.

Bleibt noch der Operationsverstärker IC4, der eine 6-V-Referenzspannung liefert, indem er die Versorgungsspannung teilt.

Der MPX-Generator muß mit einem stabilisierten 12-V-Netzteil versorgt werden, das mindestens 200 mA liefern können muß.

Aufbau

Das Layout der doppelseitigen und durchkontaktierten Platine ist in Bild 7 zu sehen. Nach dem Ätzen und dem Auseinandersägen der Platine kann gleich mit dem Bestücken begonnen werden, so wie in Bild 4 und der Stückliste beschrieben.

Der Stereocoder ist relativ einfach aufzubauen. Die beiden Audio-Anschlüsse K1 und K2 werden direkt auf die Platine gelötet. Nach der Bestückung der restlichen Bauteile werden entlang der gestrichelten Linie auf der Platine zwei etwa 20 mm hohe Abschirmblechstreifen gelötet. Jetzt ist es an der Zeit, sämtliche Potis in Mittelstellung zu drehen.

Abgleich

Wenn der Coder höchsten Ansprüchen genügen soll, wird zum Abgleich ein 2-Kanal-Oszilloskop benötigt. Dessen Kanäle werden mit den Anschlüssen TPl und TP2 verbunden. Nach dem Einschalten der Versorgungsspannung dreht man an Pl so lange, bis die Nulldurchgänge des 19-kHz-Signals zeitgleich mit denen des 38-kHz-Signals sind. Wie das aussehen muß, zeigt Bild 5.

Oszilloskop-Bilder

Danach wird der L+R-Pegel eingestellt. Das Scope kommt dazu an den MPX-Ausgang. Ein 1-kHz-Signal mit einer Amplitude von 1 V (Spitze-Spitze) wird an den linken Kanaleingang angeschlossen, ein 300 Hz-Signal gleicher Amplitude an den Eingang für den rechten Kanal. Der Schleifer von P3 (Pilotton-Pegel) wird im Gegenuhrzeigersinn an den Anschlag gedreht (die 6 V Seite), anschließend P2 so lange verstellt, bis beide Komponenten im MPX-Signal den gleichen Pegel aufweisen (Bild 6). Jetzt kann man die Signale am linken und rechten Kanaleingang abklemmen und mit P3 den Pilotton-Pegel auf 100 mV (Spitze-Spitze) eingestellten, gemessen am MPX-Ausgang.

Der Modulationseingang eines UKW-Senders wird nun an K3 über ein Poti (z.B. 10 kOhm) angeschlossen. Falls der Sender eine Preemphasisschaltung besitzt muß diese vorher deaktiviert werden.

Wenn der Abgleich ohne Oszilloskop durchgeführt werden muß, wird in der gleichen Reihenfolge abgeglichen, allerdings wird der UKW-Sender (mit Dummy-Load) schon während des Abgleichs an K3 angeschlossen und das gesendete Signal mit einem stereotauglichen Empfänger kontrolliert. Wichtig ist, daß an die beiden Eingänge K1 und K2 Signale mit der richtigen Amplitude (1 Vss, bzw. 0.35 Veff.) angelegt werden. Die meisten Mischpulte liefern eine Ausgangsspannung von 0.707 Veff wenn das VU-Meter "0 dB" anzeigt . In diesem Fall dürfen die beiden Testsignale nur bis -6 dB ausgesteuert werden. Mit Hilfe der Potis P1 und P2 wird nun auf besten Kanalabstand (zwischen dem linken und rechten Kanal) abgeglichen. Dabei darauf achten, daß das Poti P3 und das Poti an K3 so eingestellt werden, daß das Signal im Empfänger nicht verzerrt, aber die Stereo-Anzeige des Radios sicher leuchtet. Wer ein gutes Multimeter besitzt (das auch Signale jenseits der 50 Hz noch richtig anzeigt) kann den richtigen Pegel auch damit einstellen.

Stückliste zum Stereo-MPX-Generator
Bild 1: Das Spektrum eines Stereo-MPX-Signals nach EBU-Empfehlung
Bild 2: Das Blockschaltbild des Stereo-MPX-Generators
Bild 3: Das Schaltbild des Generators
Bild 4: Bestückungsplan zum Generator
Bild 5: Der 19-kHz-Pilotton und der 38-kHz-Träger in der richtigen Phasenrelation
Bild 6: Das Multiplexsignal mit korrekt eingestelltem L+R-Signalpegel, aber ohne Pilotton
Bild 7: Das Layout der beiden Platinenseiten
 

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