Radio
Ontstaan van de radio 2
Historiek

De radio

Op de vorige pagina hebben we de verschillende radio-banden uitgelegd (frekwenties). Hier hebben we het specifiek over de gebruikte modulatietechnieken.
-

-

Vm: amplitude van het modulatiesignaal (audio)

Vp: amplitude van de draaggolf

Modulatiediepte (%):
Vm × 100 / Vp

Modulatie

We hebben een programma dat we willen uitzenden en we hebben een draaggolf. Nu moeten we de twee elementen combineren: dat is de modulatie van de draaggolf door het programma. De meest gebruikte modulatie is de amplitude modulatie (AM).


Een signaal dat overgemoduleerd is.
Bepaalde types detectoren zoals de produkt detector kunnen het signaal wel correct demoduleren.



Een diode detector detecteert de pieken van het signaal.
Het is een eenvoudig systeem dat zowel bij buizenradio als transistorradios gebruikt wordt, maar de kwaliteit is niet optimaal.



Een kristalontvanger werkt zonder voedingsbron
Deze eenvoudige ontvanger bestaat uit een antenne A1, een afgestemde kring L1 + C1, een diode D1, een filtercondensator C2 en een koptelefoon. De transfo zorgt voor de impedantieaanpassing.



De bandbreedte van een AM uitzending is tweemaal de bandbreedte van het audiosignaal.

Als er geen programma gezonden wordt, of als de muziek stil is, dan werkt de zender op een vermogen van 50%. Bij de modulatie stijgt het vermogen als het audiosignaal positief wordt en daalt het vermogen als het audiosignaal negatief wordt, maar gemiddeld is het zendvermogen 50% van het maximaal vermogen. Dit is één van de nadelen van de AM modulatie: de zender kan slechts op 50% van zijn maximaal vermogen werken.

De modulatiediepte geeft aan hoe ver de zender uitgestuurd wordt: als het vermogen van 0% naar 100% gaat, dan is de modulatiediepte 100%. Doorgaans zal men een kleine reserve bewaren zodat er minder vervormingen zijn, zowel aan de kant van de zender als aan de kant van de ontvanger.

De detectie kan zeer eenvoudig zijn, namelijk door de omhullende te detecteren. Daarvoor is een gewone diode voldoende. En inderdaad, de eerste radios waren uitgerust met niet meer dan

  • een grote antenne (om de radiogolven te ontvangen),
  • een afgestemde kring (om de radiogolf te selecteren)
  • een diode om het signaal te detecteren en
  • een gevoelige koptelefoon om het signaal hoorbaar te maken.
Tegenwoordig zou een dergelijke opstelling niet meer werken wegens de storingen, en ook door het feit dat er minder en minder zenders zijn, die allemaal op een veel lager vermogen werken. Op het schema is er een kleine transfo bijgevoegd die de impedantie van de detector aanpast aan de impedantie van de koptelefoon.

Een nadeel van de detectie met de diode is de slechte lineaiteit bij sterke programmas en de ruis bij zwakke passages. Stoorpulsen zijn heel goed hoorbaar omdat ze uitsteken boven de modulatie en dus ook gedetecteerd worden. Bepaalde televisienormen gebruikten AM geluid bij televisie en er werden speciale technieken toegepast om de stoorpulsen te onderdrukken.

Een betere vorm van detectie gebeurt door niet meer de omhullende te detecteren, maar door de gemiddelde te maken. Stoorpulsen vallen niet meer zo sterk op en ook de lineariteit is veel beter. Dergelijke schakelingen zijn veel complexer dan een gewone diode detectie, maar door een dergelijke detectie te gebruiken kan men toch een aanvaardbaar signaal bekomen.

Een voorbeeld van verbeterde detectie is de produkt detector die het ontvangen signaal vermenigvuldigt met een lokale oscillator afgestemd op de draaggolf (of de middenfrekwentie bij superheterodyne (zie verder)). De lokale oscillator heeft een vaste frekwentie en amplitude en het produkt met het ontvangen signaal is het ontvangen signaal, maar dubbelzijdig gelijkgericht. De produkt detector heeft een betere lineariteit omdat er geen diode van pas komt (met zijn niet-lineaire caracteristiek). Een produkt detector kan zelfs overstuurde signalen correct demoduleren (zie skoopbeeld boven rechts).

Deze schakeling wordt ook gebruikt bij ontvangst van enkelzijband modulatie (SSB: single side band) en is dus de standaard-schakeling bij wereldontvangers die allerlei soorten signalen moet kunnen ontvangen.

Bandbreedte

Als een draaggolf gemoduleerd wordt, dan neemt die een zekere bandbreedte in (de technische uitleg zou ons te ver leiden). Als een draaggolf (bijvoorbeeld 1.000kHz) gemoduleerd wordt door een signaal van 3000Hz, dan ontstaan er mengprodukten: de grondfrekwentie, de grondfrekwentie - de modulatiefrekwentie en de grondfrekwentie + de modulatie, dus 1.000kHz, 997kHz en 1.003kHz. Om de modulatie te kunnen ontvangen moeten deze zijbanden ook uitgezonden worden.

Een radioprogramma bestaat doorgaans niet uit een pieptoon van 3kHz, maar uit een brede waaier van frekwenties, gaande van 20Hz ror 18.000Hz. Bij het ontstaan van de radio waren de microfoons en de luidsprekers van mindere kwaliteit, waardoor een bereik van 30 tot 4500Hz acceptabel werd geacht. De bandbreedte is dus vastgelegd op 9kHz (tweemaan de hoogste frekwentie die doorgestuurd moet worden). In de Verenigde Staten is de bandbreedte vastgelegd op 10kHz. De curve loopt af omdat de lagere audiofrekwenties sterker aanwezig zijn.

In technische litteratuur zal je de banaming baseband aantreffen voor het ongemoduleerd informatiesignaal.

Er zijn tegenwoordig zenders die zich niet aantrekken van deze bandbreedte (dit zijn vooral zenders die buiten Europa werken). In het algemeen heeft dit weinig gevolgen omdat er minder en minder zenders op de middengolf zijn er ze elkaar dus minder kunnen storen. De bijdrage van de hogere frekwenties tot het volledig spectrum is ook miniem.

Ook bij het ontstaan van de televisie heeft men gekozen voor een bandbreedte van 5.5MHz die in de begintijd van de televisie als voldoende werd aangezien. De schermresolutie was 625 lijnen waarvan er 525 effektief zichtbaar waren met 640 beelpunten per lijn (hoewel men toen niet over "beeldpunten" kon spreken omdat het signaal volledig analoog was).

Bij radio-uitzendingen heeft men geprobeerd de bandbreedte te beperken: het is immers zinloos van beide zijbanden uit te sturen (de informatie is identiek in beide banden). Bij enkelzijband wordt enkel de draaggolf en één zijband uitgestuurd. Bij bepaalde uitzendingen waarbij de geluidskwaliteit niet doorslaggevend is wordt enkel de zijband uitgezonden (onderdrukte draaggolf). Een voordeel is dat minder energie verloren gaat en dat het bereik groter wordt, maar de geluidskwaliteit is beneden peil. Enkelzijband (al dan niet met onderdrukte draaggolf) werden enkel in de korte golf band gebruikt, daar waar (vroeger) veel zenders aanwezig waren. Deze zenders waren voornamelijk informatieprogramma's. Walkie-talkies die met amplitude-modulatie werken gebruiken ook enkelzijband om het bereik te vergroten.

Ook bij televisie wordt er enkel een zijband uitgestuurd, maar omdat het nul-component behouden moet blijven (helderheidsinformatie) gebruikt men een speciale vorm van zijband: de restzijband (vestigal side band). Door de speciale vorm van de flank (Nyquist flank) kan de volledige beeldinhoud opnieuw gereconstrueerd worden met behoud van alle helderheidsniveaus en verhoudingen.

Bij televisie gebruikt men negatieve modulatie... Beter gezegd: men gebruikte negatieve modulatie, want er zijn geen analoge televisieuitzendingen meer. Door de negatieve modulatie zijn de storingen (spanningspieken) zichtbaar als donkere stippen, en die vallen natuurlijk minder op dan heldere stippen. De fransen die het allemaal beter weten (en hun eigen markt wilden beschermen) hebben voor positieve modulatie gekozen, waardoor de beelden meer zichtbare storingen vertonen.

AGC - automatische volumeregeling

Een zender die zwakker ontvangen wordt geeft ook een zwakker audiosignaal na detectie. Alle zenders hebben dus een verschillend volume als er geen correctiemaatregelen genomen worden. Bij de AGC (Automatic Gain Control) wordt de versterking van de radio-trappen aangepast aan de sterkte van het signaal. Bij de detectie is het radiosignaal van een zwakke zender bijna even sterk als die van een sterke zender.

De AGC is vooral nuttig op de korte golf, waar zenders onderhevig zijn aan fading, dit is het zwakker en sterker worden van het signaal door alternerende additieve en destructieve menging (interferentie van straling die via verschillende wegen de ontvanger bereiken). De originele naam van de AGC was trouwens anti-fading.

Een automatische volumeregeling garandeert natuurlijk niet dat ook het audiosignaal van de twee zenders even sterk is: bepaalde zenders gebruiken een sterkere modulatiediepte, waardoor de zender sterker doorkomt, maar ook overstuurd klinkt.

Frekwentie Modulatie (FM)

De AM is storingsgevoelig omdat alle storingen de omhullende verstoren, en de detector juist de omhullende gebruikt om het audio signaal te detecteren. Bij FM gaat men de frekwentie veranderen (binnen strikte grenzen) in plaats van de amplitude. Een voordeel is dat de zender altijd op maximaal vermogen kan werken. Storingen worden niet gedetecteerd omdat de discriminator ongevoelig is voor spanningsveranderingen.

Bij FM is de bandbreedte noodzakelijk groter omdat de modulatie gebeurt door het veranderen van de frekwentie van de draaggolf, niet door het veranderen van de amplitude ervan. Iedere zender heeft een bandbreedte van 300kHz, dat is meer dan de volledige bandbreedte van de LG-band! Er moet dus met hoge frekwenties gewerkt worden, waarbij een bandbreedte van 300kHz normaal is. De frekwentiezwaai bedraagt eigenlijk maar 75kHz, maar men heeft een marge ingebouwd. Veel commercieele zenders moduleren boven de toegestane 75kHz zodat het programma sterker klinkt dan die van de concurrentie. De FM band loopt van 88 tot 108MHz, waarbij dus 100 kanalen beschikbaar zijn.

Een kenmerk van FM ontvangers is dat als er verschillende zenders op eenzelfde frekwentie zitten enkel de sterkste kan doorkomen. De frekwentieband is zo hoog dat er direct zicht tussen zender en ontvanger moet zijn. Het bereik van een zender is daarom beperkt tot een 100-tal kilometer. Ontvangst via reflektie tegen de ionosfeer is er niet: het signaal is te zwak om gedetecteerd te worden.

Superheterodyne

Om de gevoeligheid te verbeteren moet men meer dan één afgestemde kring gebruiken. Bij een rechtuitontvanger moeten alle afgestemde kringen samen geregeld worden bij het veranderen van zender, wat een probleem gaat vormen als er meer dan twee afgestemde kringen zijn. Er zijn daarbij nog twee bijkomende problemen die de kop opsteken bij een rechtuit-ontvanger:
  • De buizen en transistoren hebben een lager rendement bij de hogere frekwenties, waardoor men meer buizen nodig heeft (en dus ook meer afgestemde kringen) als men hoger in frekwentie gaat. Transistoren moeten soms gecompenseerd worden (neutrodynisatie) afhankelijk van de ontvangen frekwentie.
  • De laatste buis kan instralen op de eerste buis of op de antenne, waardoor het toestel gaat rondzingen (larsen effekt, maar dan op de radiofrekwentie). De radio gedraagt zich als een kleine zender en stoort alle ontvangers uit de buurt.
Men kan al deze problemen oplossen door de frekwentie van de zender te verlagen naar een vaste frekwentie (middenfrekwentie genaamd). Dit doet men door het ontvangen signaal te mengen met een lokale oscillator. Het mengprodukt bestaat uit de frekwentie van de zender min de frekwentie van de oscillator. Door de frekwentie van de oscillator te veranderen kan men afstemmen. De volgende kringen laten enkel één frekwentie door.

Oospronkelijk leek de superheterodyne een zware complicatie ten opzichte van de rechtuitontvanger, maar tegenwoordig zijn alle ontvangers uitgerust met een oscillator, zodat de frekwentie van de zender omgezet wordt naar een vaste frekwentie, bijvoorbeeld 455kHz (AM) of 10.7MHz (FM). Deze frekwenties worden niet gebruikt voor radio-uitzendingen, waardoor bestaande zenders niet gestoord kunnen worden.

Bij FM die een grotere bandbreedte heeft (300kHz in plaats van 9kHz) heeft men ook een hogere middenfrekewentie gekozen. De exacte waarde van de middenfrekwentie is niet belangrijk als de afgestemde kringen bijgesteld kunnen worden, maar in moderne radios gebruikt men resonatoren (kristals) die niet bijgesteld kunnen worden: de middenfrekwentie ligt dus vast.

Op de volgende pagina zullen we enkele voorbeelden van radio-ontvangers bespreken.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's