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1.0 Einleitung

Ein UKW-Sender sendet nur in Mono. Möchte man Stereosendungen übertragen, dann benötigt man einen Stereocoder (Stereoencoder). In Verbindung mit diesem Sterocoder, wird der normale Sender zum Stereosender. Es gibt mittlerweile schon einige Bausätze oder Schaltpläne für einen Stereocoder. Das Prinzip ist immer das Gleiche: Der linke und rechte Kanal wird zusammengefasst und codiert übertragen. Die Stereocoder unterscheiden sich in der Schaltungstechnik und in der Qualität.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Stereocodern:

  • Stereocoder nach dem Schalterprinzip
  • Stereocoder nach dem Matrixprinzip

Der hier beschriebene Stereocoder arbeitet nach dem Schalterprinzip. Zum Schluss (Abschnitt: 5.0 Stereocoder nach dem Matrix Prinzip) wird kurz der Stereocoder nach dem Matrixprinzip vorgestellt. Dafür gibt es zwar keine Nachbauanleitung, aber Schaltbilder von den wichtigsten Baugruppen. Ein Nachbau mit etwas technischen Kenntnissen und einem Oszilloskop wäre somit möglich.
Hierbei noch eine Anmerkung zur technischen Ausrüstung: Etwas an Messgeräten und Werkzeug sollte schon vorhanden sein. Das ist keine Bauanleitung die sofort und immer funktioniert, denn gerade der Tiefpassfilter der 10. Ordnung ist recht schwierig aufzubauen. Ein Abgleich beim Stereocoder muss zum Schluss auch noch durchgeführt werden. Daher sollten folgende Messgeräte vorhanden sein:

  • Signalgenerator 30Hz bis 20kHz
  • 2-Strahl-Oszilloskop
  • gutes Stereoradio
  • digitales Vielfachmessinstrument
  • Oszilloskop bis 150MHz (für den UKW-Sender)
  • Dummy (Abschlusswiderstand 50Ω) für den UKW-Sender
  • Spectrumanalyzer (muss nicht unbedingt sein, denn den hat wohl auch kaum jemand)

Das Prinzip des Stereocoders nach dem Schalterprinzip funktioniert wie Folgt: Zwei Signale (linker und rechter Kanal) werden abwechselnd mit 38kHz geschaltet. Bei dem Stereocoder nach dem Matrixprinzip wird das Differenzsignal aus links und rechts amplitudenmoduliert (trägerlos) dem Sender aufmoduliert. Hier, auf dieser Seite wird der Stereocoder nach dem Schalterprinzip vorgestellt. Dieser hat den Vorteil, dass er leichter aufzubauen ist und sich die Teile leicht beschaffen lassen.

1.1 Die Baugruppen

Der Stereocoder (Schalterprinzip) besteht aus folgenden Hauptbaugruppen:

Der Stereocoder (Matrixprinzip) besteht aus folgenden Hauptbaugruppen:

1.2 Frequenzgang des Stereocoders

Der Frequenzgang für einen UKW-Sender kann nicht beliebig gewählt werden. Wünschenswert wäre ein Frequenzgang von ca. 20Hz - 20kHz. Möglich wäre dieser Frequenzbereich, denn ein Monosender kann diesen Frequenzbereich problemlos verarbeiten. Die Bandbreite auf UKW beträgt 75kHz. Bei einem Stereosender kann dieser Frequenzbereich nicht erreicht werden. Der Stereocoder überträgt ein 19kHz-Sinus (Pilotton). Das NF-Signal muss daher in den Höhen begrenzt werden. Es ist festgelegt worden, dass das NF-Signal einen Frequenzbereich von 30Hz - 15kHz hat. Daher ist noch ein Tiefpassfilter notwendig.
Der Stereocoder erzeugt eine Bandbreite von 53kHz. Man könnte die Übertragung der beiden Kanäle auch einfacher lösen. Beispielsweise den linken Kanal auf 30Hz - 15kHz setzen und den rechten Kanal von 20kHz - 35kHz. Dass das nicht so realisiert worden ist, lag an den alten Monoradios von früher. Diese Radios demodulieren das Signal im Bereich von 30Hz - 15kHz. Somit könnten diese alten Radios nur einen Kanal empfangen. Diese kompliziertere Lösung ist also aus Kompatibilitätsgründen gemacht worden.

2.0 Beschreibung der Baugruppen

2.1 Hochpass 50µs (PRE-Emphasis)

Die Musik oder Sprache muss im Frequenzgang korrigiert werden. Ab der Grenzfrequenz von 3,185kHz wird die Amplitude (Spannung der Sprache oder Musik) um 20dB pro Oktave angehoben. Das hat folgende Bewandnis:
Im UKW-Empfänger wird hinter dem Demodulator die NF (Niederfrequenz Tonsignal) in den Höhen abgesenkt. Eigentlich möchte man keine Höhen absenken, sondern hier möchte man das Rauschen absenken. Wenn das Rauschen abgesenkt wird, leiden auch die Höhen darunter. Dieser Tiefpass hinter dem Demodulator hat die gleiche Grenzfrequenz wie im Sender. Also wird dieser Tiefpass die Freqenzen ab 3,185kHz um 20dB pro Oktave absenken. Das hat den Vorteil, dass das Rauschen auch vermindert wird. In den Höhen sind auch viele Rauschanteile und diese werden durch den Tiefpass verringert. Damit aber die Höhen wieder den gleichen Wert bekommen, wie sie diese im Studio auch hatten, werden senderseitig die Höhen auch angehoben. Somit ist der Frequenzgang der Musik praktisch wieder gleich.

Für viele Leser stellt sich die Frage: Wie wird ganz einfach eine PRE-Emphasis realisiert und wie wird sie berechnet?

2.1.1 Schaltung PRE-Emphasis

Es werden nur zwei Bauteile benötigt. Ein Widerstand und ein Kondensator. Beide werden in Reihe geschaltet. In dieser Abbildung ist diese Anordnung zu sehen. Diese RC-Kombination ist eine wichtige Grundschaltung. In dieser Beschaltung ist es ein einfacher RC-Hochpass. Das Eingangssignal liegt oben am Kondensator an und das Ausgangssignal wird weiter unten am Widerstand abgegriffen.

2.1.2 Berechnung PRE-Emphasis

Laut deutscher Norm wird das Signal mit einer Zeitkonstante von 50µs entzerrt. Wir haben einen Kondensator und einen Widerstand. Die Zeitkonstante T=Tau ist das Produkt aus R und C. Die Formel lautet:

Formel 1.1

Abb. 1: Formel 1.1

Eine Größe steht fest und zwei Größen (R und C) sind zu berechnen. Daher kann man einen Wert festsetzen. Es ist günstiger den Wert vom Kondensator festzulegen, da diese meistens nur in der Normreihe E6 vorliegen. Für den Kondensator wird 10nF gewählt. Die Formel wird nach R umgestellt und man erhält:

Formel 1.2

Abb. 2: Formel 1.2

Die Werte werden eingesetzt und für den Widerstand R kommt ein Wert von 5kΩ heraus. Diesen Wert gibt es nicht, daher wird 5,1kΩ genommen.

Diese einfache Art der PRE-Emphasis wird man wohl in keiner Schaltung finden. Der Grund dafür ist Folgender: Das Eingangssignal wird fast immer in einem Eingangsverstärker verstärkt. In einer Transistorschaltung kann man eine Stromgegenkopplung einbauen. Diese Stromgegenkopplung kann auch Frequenzabhängig gemacht werden. In dem nächsten Abschnitt wird der Eingangsverstärker behandelt und diese Vorstufe enthält bereits eine PRE-Emphasis. Selbstverständlich trifft das auch für Operationsverstärker zu.

Wie ist der Zusammenhang zu Tau=50µs und der Grenzfrequenz? Wie man oben in der Formel 1.1 erkennen kann, werden für die Grenzfrequenzberechnung R und C herangezogen. Da Tau=R*C ist, kann man statt R*C T=Tau einsetzen. Daher ist mit der Angabe Tau=50µs auch die Grenzfrequenz festgesetzt.

2.2 Eingangsverstärker

Das Eingangssignal wird einem Eingangsverstärker zugeführt. Je nach Signalquelle wird eine höhere oder niedrigere Verstärkerung gefordert. In den meisten Fällen werden CD-Player oder Tapedecks angeschlossen. Diese liefern eine recht hohe Ausgangsspannung. Daher muss die Verstärkung nicht hoch sein.
Die Berechnung des Verstärkers und das Schaltbild ist hinter diesem Link zu finden.

2.3 Quarzoszillator mit Teiler

Im Stereocoder werden verschiedene Frequenzen benötigt. Es werden folgende Frequenzen benötigt:

  • 19kHz (Pilotton)
  • 38kHz (zum Codieren des Signals)
  • 57kHz (evtl. für Verkehrsfunk) *1)

Alle Frequenzen müssen quarzstabil sein. Daher wird ein Quarzoszillator eingesetzt. Die Quarzfrequenz ist so gewählt worden, dass sich durch Teilen alle 3 Frequenzen leicht erzeugen lassen. Alle Frequenzen sind selbstverständlich gegeneinander phasenstar gekoppelt.

2.4 Signalcodierung

Die beiden Audiokanäle werden hier zum eigentlichen Multiplexsignal codiert. Beide Kanäle L und R werden dem elektronischen Schalter (CD 4066) zugeführt. Das IC CD 4066 (elektronischer Schalter) wird mit 38kHz gespeist. Hier wird mit 38kHz (oder alle 26,3µs) einmal der linke Kanal und der rechte Kanal geschaltet. Am Ausgang entsteht ein Frequenzspectrum mit dem Summensignal (L+R), sowie das Differenzsignal (L-R) in den beiden Seitenbändern. Siehe dazu die Abbildung Frequenzspektrum. Ein nachgeschalteter Tiefpassfilter filtert die Oberwellen heraus. Jetzt wird über einen Summierer (Matrix) der Pilotton von 19kHz hinzugefügt. Das MPX-Signal mit Pilotton wird danach dem Sender zugeführt. Bei den Low Cost-Stereocodern wird der Tiefpassfilter hinter dem elektronischen Schalter weggelassen. Weiterhin fehlt oder ist nur ein Tiefpassfilter 1. Ordnung vor dem Stereocoder geschaltet. Fehlen diese Filter kann bei einer guten CD schon mal ein Übersprechen, bzw. Zischen im Empfänger zu hören sein. Weiterhin erhöht sich die Bandbreite beim UKW-Sender. Dazu kommt noch hinzu, dass bei älteren Autoradio die ARI-LED bei viel Höhen in der Musik schon mal aufflackern kann. Gerade die höhere Bandbreite bei UKW ist nicht zum Vorteil, da Nachbarkanäle gestört werden.

2.5 Wie arbeitet der Stereodecoder im Empfänger?

Nachdem das Signal demoduliert worden ist, teilt sich das Signal in zwei Wege auf. Im ersten Weg ist Hochpassfilter geschaltet. Dieser lässt nur die beiden Seitenbänder von 23kHz bis 38kHz und von 38kHz bis 53kHz durch. Diese beiden Seitenbänder müssen noch demoduliert werden. Der Träger (38kHz) fehlt jedoch. Der wird aus dem zweiten Weg gewonnen. Im zweiten Weg ist ein Tiefpassfilter geschaltet. Dieser filtert alles ab 19kHz heraus. Übrig bleiben das Summensignal (L+R) un der Pilotton (19kHz). Dieser Pilotton wird in der Frequenz verdoppelt. Diese 38kHz wird dann zur Demodulation des Differenzsignals benutzt. Somit sind jetzt zwei Signal im Stereodecoder vorhanden: Einmal das Summensignal (L+R) und das demodulierte Differenzsignal (L-R). Um das Signal L zu bekommen wird auf einen Summierer das Summensignal (L+R) und das Differenzsignal (L-R) gegeben. Mathematisch stellt sich das wie Folgt dar: (L+R) + (L-R). Nach Anwendung der mathematischen Regeln ergibt das 2L. Die zwei vor dem L bedeutet doppelte Amplitude. Das Signal R wie Folgt gewonnen: (L+R) - (L-R). Das negative Vorzeichen vor dem Differenzsignal wird durch eine Phasendrehung erreicht. Das Ergebnis ist hier 2R. Hier ist ein Blockschaltbild eines Stereodecoders zu sehen.

2.6 Die Aufgaben des Pilottons

Der Pilotton hat folgende Aufgaben:

  • Anzeigen im Empfänger, dass eine Stereosendung läuft (nicht mehr in jedem Radio vorhanden)
  • Rückgewinnung des 38kHz-Trägers im Stereodecoder für die Demodulation des Differenzsignals

3.0 RDS (Radio Data System)

Das RDS-System erzeugt im Display vom Radio den Sendernamen. Beim Sender von Radio Bremen 4 steht z.B. im Display BREMEN4. Beim Sender hr3 wird statt des Sendernamens passend zu jedem Musiktitel der Interpret und Titel angezeigt. Es sind jedoch noch mehr Informationen im RDS versteckt, die jedoch nicht alle im Display vom Radio angezeigt werden. Unter anderem sind es folgende Dienste:

  • EON Enhanced Networks
  • PTY Program Type
  • TA/TP Announcement / Travel Programme
  • PI Interner Identifikationscode
  • AF Alternative Frequencies
  • RT Radio Text
  • CT

 
KurzbezeichnungBeschreibung
EONHiermit ist es möglich Verkehrsinformationen zu empfangen, obwohl kein TA/TP angeboten wird. Beispiel: NDR Kultur bietet keine Verkehrsfunk an. Kommt jedoch auf NDR2 eine Verkehrsdurchsage, schaltet das Radio automatisch auf die Verkehrsnachrichten von NDR2 um.
PTYHier werden die Sender nach Musikrichtungen und Sparten eingeteilt. Beispiele wären: POP, Klassik, Nachrichten
Hiermit besteht die Möglichkeit nur nach Sendern zu suchen, die Nachrichten ausstrahlen.
TA/TPDas ist der klassische Verkehrsfunk. Diese Art des Verkehrsfunk hat das alte ARI-Sytem abgelöst. Beim alten ARI-Sytem wurde ein 57kHz-Träger mit 125Hz moduliert. Diese tiefe Frequenz hat den Verkehrsfunkdecoder veranlasst, die Lautstärke zu erhöhen oder bei Bedarf die Kassette anzuhalten und auf Radio umzuschalten.
PIDieser Code besteht aus einer 4stelligen Hexadezimalen Zahl. Weiterführende Informationen gibt es hier.
AFEine Senderkette wie z.B. der Norddeutsche Rundfunk bestehen aus mehreren Sendern. Verlässt ein Autofahrer den Versorgungsbereich des Senders oder wird der Empfang schlechter, sucht das Autoradio in der Alternativen Frequenzliste (AF) nach Sendern, die einen besseren Empfang bieten.
RTVon einigen Rundfunkstationen wird auch Radio Text übertragen.
CTHierüber kann die Zeit synchronisiert werden.

4.0 Schaltbild, Platinenlayout und Nachbautipps

Für den Stereocoder und Tiefpassfilter liegt ein Schaltplan und ein Bestückungsplan im TIFF-Format und im Eagle-Format vor. Die beste Qualität bieten die Pläne im Eagle-Format. Dazu muss jedoch das Layoutprogramm Eagle 4.X installiert sein. Auf der Internetseite von CADSoft, gibt es eine Freeversion zum Download. Diese Version hat die folgenden Einschränkungen:

  • Die nutzbare Platinenfläche ist auf 100 x 80mm (4 x 3.2 Zoll) beschränkt.
  • Es können nur zwei Signal-Lagen (Top und Bottom) verwendet werden
  • Der Schaltplan-Editor kann nur eine Seite erzeugen

Es können jedoch größere Platinen geladen und ausgedruckt werden. Die Platine vom Stereocoder und vom Tiefpassfilter sind im Euroformat.

An dieser Stelle sei noch Folgendes bemerkt: Wer auf das Plainenätzen und Belichten verzichten möchte und lieber eine fertig vorgebohrte Platine mit Bestückungsaufdruck haben möchte, der kann sich seine Platine auch über eine Firma herstellen lassen. Ich persönlich bin mit der Firma Beta LAYOUT GmbH sehr zufrieden und habe meine Ware immer pünklich bekommen. Wer sich ein Bild von der Firma machen möchte, folgt dem Link.

Für die jenigen, die sich aus Kostengründen lieber ihre Platinen selber ätzen möchten, gibt es Dateien im TIFF-Format zum Ausdrucken der Layouts. Man kann das Layout auf normalen Papier ausdrucken und dann mit Kontakt Pausklar 21 besprühen. Das Papier wird dadurch relativ durchsichtig. Der Ausdruck sollte auf einem Laserstrahldrucker erfolgen. Eine etwas elegantere Lösung ist, das Layout mit einem Laserdrucker auf Papier auszudrucken und mit diesen Ausdruck zu einer Siebdruckerei gehen. Dort lässt man sich das Papier als Folie ausdrucken. Die Folie ist wesentlich genauer und kann beliebig oft wiederverwendet werden.

4.1 Inbetriebnahme, Abgleich

Wenn der Stereocoder fertig aufgebaut ist, dann wird er in Betrieb genommen. Selbstverständlich wird auf das Übliche, wie Polung der Elkos, ICs nicht vertauschen etc., geachtet.

Jetzt wird die Betriebsspannung von 12 Volt angelegt. Es darf nur ein sehr geringer Strom fließen (ca. 100mA). Es sollte jetzt am IC1 CD 4040 an PIN 6 eine Rechteckspannung mit 228kHz anliegen. Des weiteren prüft man, ob die anderen Frequenzen (19kHz, 38kHz und 57kHz) anstehen. Ist das soweit in Ordnung, dann geht man mit dem Tastkopf an IC2 (CD 4066) auf PIN 9 oder PIN 10 und mit R19 (250Ω) wird die 38kHz auf ein Minimum eingestellt.

Am Eingang Links und Rechts wird jetzt ein Sinus von ca. 500mV eingespeist. Die beiden Eingangspotis werden so eingestellt, dass die beiden Känale gleiche Amplituden haben. Ein Eingang wird jetzt wieder abgeklemmt. Der Tastkopf muss am T 8 Emitter oder R22 (5KΩ) Poti anliegen. Mit den beiden Trimmpotis wird der Tiefpass abgeglichen. Dabei sollte das Bild so aussehen wie die nächste Abbildung. Wichtig ist die gerade Mittellinie. Falls man über ein gutes Stereoradio verfügt, kann hier auf beste Kanaltrennung abgeglichen werden.

MPX-Signal

Abb. 3: MPX-Signal

Jetzt noch die Phase und Amplitude des Pilottons einstellen. Die Amplitude sollte 10% des Gesamtsignals nicht übersteigen. Die Amplitude wird mit R26 (5kΩ) eingestellt. Die Phase wird mit R27 (10kΩ) abgeglichen. Die Phase wird auf beste Kanaltrennung im Radio eingestellt. Zum Schluss kann mit R25 (1kΩ) der Ausgang auf 1kΩ abgeglichen werden.

Der Abgleich sollte noch ca. 4 bis 5 mal wiederholt werden um das optimalste Ergebnis zu erzielen. Mit diesem Stereocoder kommt man auf ca. 25 bis 30dB Kanaltrennung bei f=1kHz.

5.0 Der Stereocoder nach dem Matrixprinzip

Zum Schluss stelle ich die andere Variante des Stereocoders vor. Von diesem Typ gibt es wenige Nachbauten. Die Peripherie ist die fast die Gleiche. Der große Unterschied besteht in der eigentlichen Erzeugung des MPX-Signals. Hier kommt ein Ringmodulator oder eine Schaltung mit einem IC zum Einsatz. Das Differenzsignal (L-R) wird dem Modulator zugeführt. Am Ausgang des Modulators kommen nur die beiden Seitenbändern (L-R) ohne dem Trägersignal (38kHz) heraus. Ein Blockschaltplan des kompletten Stereocoders nach dem Matrixprinzip ist hier zu finden.

 © Ralph Toman 2005   
 
 
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