der Winter naht, und so wird meine Bastelwerkstatt wieder aktiver...
Da ich vorhabe, einen stilechten Röhren-Stereodekoder zu bauen (habe einen Nordmende Traviata in Aussicht, und da gehört natürlich ein Röhrendekoder rein... oder auch für das Gespann Rigolette und den Grundig NF10), brauche ich auch passende Testsignale. Reine Testsignale lassen sich gut mit dem Arbiträr-Funktionsgenerator erzeugen, wenn man die Tabellenkalkulation einmal dazu gebracht hat, das richtige CSV-Format zu erzeugen und das 'Kleingedruckte' des Funktionsgenerators gelesen hat. So habe ich dann nach ein paar Versuchen ein sauberes Multiplex-Signal mit einem 800Hz-Ton für den rechten und einem 1000Hz-Ton für den linken Kanal erzeugt. Das Ganze kann man auch gleich noch auf einen 10.7MHz-Träger frequenzmodulieren und so in die ZF eines normalen UKW-Empfängers einspeisen (der Generator schafft nur 25MHz, somit geht Einspeisung am Antenneneingang nicht). Das Ergebnis war so, wie es sein sollte, und die Kanaltrennung des Empfängers war mit ca. 50dB erstaunlich gut.
Als Nächstes baue ich mir einen Stereo-Encoder in Hardware, damit man nicht nur Testsignale, sondern beliebige Audiosignale übertragen kann. Testsignale sind für Messwerte zwar eine gute Sache, aber der Höreindruck ist ebenfalls relevant, und dazu braucht es Musiksignale in guter Qualität und der richtigen Stilrichtung, was aus der Luft nicht immer verfügbar ist. Diverse Teilschaltungen habe ich schon ausprobiert, so dass ich als Nächstes mal eine Platine entwerfen kann. Beim Schaltungsdesign galt der Grundsatz, keine Spezial-ICs und auch keine Mikrocontroller zu verwenden, sondern 'Standardbauteile'. So sieht man auch die Funktion, auch wenn man so was heute mit einem Signalprozessor-Demoboard und ein paar Zeilen Software ebenfalls machen könnte. Die grosse Herausforderung dabei ist der Modulator für den 38kHz-Träger, damit einerseits der Träger sauber unterdrückt wird und andererseits weder die NF verzerrt noch starke Harmonische des Trägers entstehen, die das HF-Spektrum unzulässig verbreitern und so Verzerrungen erzeugen würden.
Als Prüfsender steht noch ein Röhrengerät herum, das eigentlich gehen sollte, falls die NF-Bandbreite ausreicht. Frequenzbereiche und Modulation (AM und FM) sind jedenfalls für UKW-Empfänger (Rundfunk und VHF-Funkdienste sowie alle üblichen ZF-Bereiche) vorhanden. Funktionieren sollte er eigentlich noch, wobei nach 10 Jahren Stillstand die nötigen Vorsichtsmassnahmen getroffen werden müssen... Als weitere Option habe ich noch meinen Einfachst-Prüfsender mit der ECC85 als Niederspannungs-Gegentaktoszillator mit Varicap-Abstimmung, hier muss noch der Frequenzhub bestimmt werden...
Falls Interesse besteht, bereite ich die Formeln für das Erzeugen von Stereosignalen auf und stelle sie hier ein. Arbiträrgeneratoren sind zwar nicht billig, aber mitterweile doch bezahlbar, und bei gewissen Digital-Oszis sogar integriert. Man braucht ja nicht einen im dreistelligen MHz-Bereich, 2048 Samples und 100kHz Eckfrequenz reichen bereits. Mit den Formeln und einer Tabellenkalkulation oder einem C-Programm kann man sich so die Daten für seinen Generator berechnen.
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wie wäre es mit einem Schaltercoder bestehend aus einem C-MOS-Schalter 4066, einem Mehrfach-Operationsverstärker , D-Flip-Flops (zum Frequenzteilen) und einem 38 kHz-Generator - alles in CMOS. Das geht billig ohne Spezialteile und sollte 100%-ige Trägerunterdrückung bei 38 kHz ermöglichen. Lediglich für den 19 kHz Hilfsträger ist noch ein Filter zur Beseitigung der Oberwellen nötig.
zu diesem Schluss bin ich nach meinen Experimenten auch gekommen. Allerdings gibt ein simples Umschalten im 38kHz-Takt auf der 3. Oberwelle (und den weiteren ungeraden) sehr starke Signale, die man mit einem vernünftigen Filter nicht wegbringt (die Phase im 38kHz-Zweiseitenband darf man dabei nicht verzerren). Daher habe ich mit CMOS-Schaltern eine Art D/A-Wandler gebaut, so dass nicht einfach das NF-Signal nichtinvertiert und invertiert durchgeschaltet wird, sondern entsprechend den Sinuswerten des 38kHz-Trägers bei den Stützstellen mit verschiedenen Abschwächungen. Mit einem 8fach-Schalter (4051) hat man so 8 Stützstellen statt nur 2, was die Harmonischen auf Frequenzen oberhalb von 200kHz verschiebt, wo man sie viel leichter loswird. Genaueres folgt später, wenn ich einen sauberen Aufbau und bessere Messresultate habe. Der Mehraufwand beschränkt sich dabei auf ein paar Widerstände, ist also vernachlässigbar. Im aktuellen Schaltungsentwurf gibt es nur einen Frequenzteiler, ein Quarz als Referenz und normale Opamps mit entsprechender Beschaltung sowie ein paar handelsübliche Drosseln als Filterspulen, also keine 'Exoten'.
Die Formeln stelle ich noch rein, sobald ich sie verständlich aufgearbeitet habe.
hier mal die Formeln, wie man zu den Samples für ein Multiplex-Stereosignal für einen Arbiträr-Generator (oder auch einen selbstgebauten Generator mit Microcontroller und D/A-Wandler) kommt.
Zuerst kurz die Beschreibung, wie ein Stereo-Multiplex-Signal aufgebaut ist (findet man auch in der Norm ITU-R BS.450-3 im Internet, dort ist zu beachten, dass es zwei verschiedene Systeme gibt, in Europa gilt das System mit dem 19kHz-Pilotton). Im Folgenden wird das Audiosignal vom linken Kanal mit L und das vom rechten Kanal mit R bezeichnet. Als erstes wird das Summen- oder Monosignal M gebildet:
M = (L + R) / 2
weiter das Differezsignal S:
S = (L - R) / 2
Mit dem Differenzsignal wird ein 38kHz-Träger amplitudenmoduliert und dabei unterdrückt, mathematisch entspricht das einer Multiplikation mit dem Träger, also:
Q = S * cos(2 * pi * 38kHz * t)
Damit das Signal Q demoduliert werden kann, wird zusätzlich noch ein 19kHz-Pilotton gesendet, der auch dafür verantwortlich ist, dass der Empfänger die Sendung als Stereo-Sendung erkennt:
P = cos(2 * pi * 19kHz * t)
Entscheidend ist hier, dass P und Q 'in Phase' sind, was hier bedeutet, dass die Nulldurchgänge von P mit jedem zweiten Nulldurchgang von Q zusammenfallen, was bei obigen Definitionen der Fall ist.
Gesendet wird nun die Summe dieser Signale mit entsprechenden Gewichtungen, damit die FM-Modulationsbandbreite eingehalten wird:
MPX = 0.1 * P + 0.9 * M + 0.9 * S
Dieses 'Multiplex' genannte Signal hat eine Bandbreite von 53kHz (bei 15kHz NF-Bandbreite) und wird mit 75kHz Hub gesendet. Die Frequenz des 38kHz-Trägers hat gemäss Norm eine maximale Abweichung von +/-4Hz. Korrekterweise muss man hier noch anfügen, dass bei den Audiosignalen (oder die Summen- und Differenzsignalen, kommt auf dasselbe heraus) die Höhen angehoben werden (Preemphasis), damit der Signal-Rauschabstand besser wird (das wird auch bei Mono-Sendungen gemacht, die Zeitkonstante ist dieselbe).
Nach obigen Formeln können nun die Samples für ein Multiplexsignal berechnet werden. Hier sind gewisse Regeln zeitdiskreter Systeme zu beachten, damit saubere Signale entstehen: 1. Samplingtheorem einhalten: Samplingfrequenz muss grösser als 2*höchste Frequenz (53kHz) sein. 2. Die Samplingfrequenz muss ein exaktes Vielfaches von 38kHz und den Audio-Testtönen sein. 3. Aliasfrequenzen beachten (je nach Generator relevant), Samplingfrequenz möglichst hoch wählen. 4. Gewisse Generatoren wollen eine Zweierpotenz als Anzahl Samples.
Nun gilt es also die Anzahl Samples zu definieren. Bei einem Arbiträrgenerator hat man da Spielraum, dort entspricht die Länge der definierten Kurve einer Periode der eingestellten Frequenz. Nehmen wir daher mal 2048 Samples, das ist ein durchaus brauchbarer Wert, und als Periode der definierten Kurve 1/100Hz. Somit folgt:
N = 2048 : Anzahl Samples f0 = 100Hz : Grundfrequenz der definierten Kurve, also die Frequenz, die beim Generator eingestellt wird t : diskrete Zeit, wird von 0 bis N-1 hochgezählt K : Skalierungsfaktor, damit Samples im zulässigen Wertebereich des Generators liegen, für Wertebereich +/-1 ist K = 0.5 fl, fr : Frequenz Testsignale linker und rechter Kanal, fl/f0 und fr/f0 müssen ganzzahlig sein Kl, Kr : Amplituden der Testsignale linker und rechter Kanal, Wertebereich 0..1 L(t) = Kl * cos(2*pi*(t/N)*fl/f0) R(t) = Kr * cos(2*pi*(t/N)*fr/f0) M(t) = (L(t) + R(t)) / 2 S(t) = (L(t) - R(t)) / 2 P(t) = cos(2*pi*(t/N)*19000/f0) Q(t) = S(t) * cos(2*pi*(t/N)*38000/f0) MPX(t) = K * (0.1*P(t) + 0.9*M(t) + 0.9*S(t))
f0 bestimmt hier die Schrittweite der Frequenzen der Testsignale, im Beispiel 100Hz. Der minimale Wert von f0 hängt von N ab, damit das Samplingtheorem nicht verletzt wird, weiter muss 19000/f0 ganzzahlig sein, damit sowohl vom 19kHz- als auch von 38kHz-Signal eine ganze Anzahl Perioden in der Kurve sind. Damit das Samplingtheorem eingehalten wird, muss N mindestens den Wert 3*38000/f0 haben, dann entspricht die Samplingfrequenz 3*38kHz. Mit einer Tabellenkalkulation oder einem C-Programm kann man die Samplewerte recht einfach berechnen.
Noch ein Tipp für Selbstbauer: Will man mit einem Mikrocontroller mit D/A-Wandler ein MPX-Signal erzeugen (was gut möglich ist, wenn man die fertig berechneten Werte im Speicher ablegt), muss man beachten, dass die Ausgabe auf dem D/A-Wandler exakt periodisch ist. Das bedeutet, dass die Aktualisierung des D/A-Wandlers über ein exakt periodisches Hardware-Signal (z.B. ein Timer-Periodenpuls) erfolgt und nicht durch Beschreiben des D(A-Wandlers durch die Software, da hier immer ein Jitter von ein paar CPU-Takten vorhanden ist, was starke Fehler im Spektrum ergibt. Eine Auflösung vom D/A-Wandler von 8 Bit ist völlig ausreichend. Ein Anti-Aliasing-Filter ist zwingend, wenn man einen FM-Sender modulieren will, da sonst durch die zu breite Modulation starke Verzerrungen entstehen.
HB9:Zuerst kurz die Beschreibung, wie ein Stereo-Multiplex-Signal aufgebaut ist (findet man auch in der Norm ITU-R BS.450-3 im Internet, dort ist zu beachten, dass es zwei verschiedene Systeme gibt, in Europa gilt das System mit dem 19kHz-Pilotton). Im Folgenden wird das Audiosignal vom linken Kanal mit L und das vom rechten Kanal mit R bezeichnet. Als erstes wird das Summen- oder Monosignal M gebildet:
M = (L + R) / 2
weiter das Differezsignal S:
S = (L - R) / 2
Mit dem Differenzsignal wird ein 38kHz-Träger amplitudenmoduliert und dabei unterdrückt, mathematisch entspricht das einer Multiplikation mit dem Träger, also:
Q = S * cos(2 * pi * 38kHz * t)
Damit das Signal Q demoduliert werden kann, wird zusätzlich noch ein 19kHz-Pilotton gesendet, der auch dafür verantwortlich ist, dass der Empfänger die Sendung als Stereo-Sendung erkennt:
P = cos(2 * pi * 19kHz * t)
Entscheidend ist hier, dass P und Q 'in Phase' sind, was hier bedeutet, dass die Nulldurchgänge von P mit jedem zweiten Nulldurchgang von Q zusammenfallen, was bei obigen Definitionen der Fall ist.
Gesendet wird nun die Summe dieser Signale mit entsprechenden Gewichtungen, damit die FM-Modulationsbandbreite eingehalten wird:
MPX = 0.1 * P + 0.9 * M + 0.9 * S
Dieses 'Multiplex' genannte Signal hat eine Bandbreite von 53kHz (bei 15kHz NF-Bandbreite) und wird mit 75kHz Hub gesendet. Die Frequenz des 38kHz-Trägers hat gemäss Norm eine maximale Abweichung von +/-4Hz. Korrekterweise muss man hier noch anfügen, dass bei den Audiosignalen (oder die Summen- und Differenzsignalen, kommt auf dasselbe heraus) die Höhen angehoben werden (Preemphasis), damit der Signal-Rauschabstand besser wird (das wird auch bei Mono-Sendungen gemacht, die Zeitkonstante ist dieselbe).
In der MPX-Gleichung müsste statt S doch Q stehen oder?
da hast du natürlich recht, Murphy ist aus den Ferien zurück
Die richtige Gleichung für das Multiplex-Signal heisst somit:
MPX = 0.1 * P + 0.9 * M + 0.9 * Q
und die zeitdiskrete Variante:
MPX(t) = K * (0.1*P(t) + 0.9*M(t) + 0.9*Q(t))
Bei dieser Gelegenheit noch ein kleiner Hinweis: Gemäss Norm hat der Pilotton eine Amplitude von 8..12%, also ein anzustrebender Pegel von 10% (daher der Faktor 0.1 in der Formel). Somit muss der Pegel des Multiplex-Signals am Eingang eines Prüfsenders so eingestellt werden, dass der Pilotton ohne Audiosignale einen Frequenzhub von 7.5kHz bringt (10% vom Maximalhub von 75kHz). Der NF-Pegel ist somit an den Audiosignalen vor dem Encoder einzustellen, wird der Pegel nach dem Encoder verstellt, hat der Stereo-Dekoder je nach Bauart mehr oder weniger grosse Probleme, vor allem dann, wenn der Pilotton zu schwach ist.
heute habe ich die Leiterplatte hergestellt und bestückt und erste Messungen gemacht:
Dabei stellte ich einen peinlichen Fehler fest: die Taktfrequenz für den 38kHz-Träger und 19kHz-Pilotton war um den Faktor 2 daneben. Eigentlich ist es ja nicht schwer, den Teilfaktor zu rechnen und noch viel peinlicher: beim Versuchsaufbau auf dem Steckbrett machte ich den Fehler bereits, ohne den Schaltplan zu korrigieren... Naja, dann mussten halt 4 Leiterbahnen dran glauben und von Hand neu verdrahtet werden. Sonst sieht es bis jetzt ganz gut aus, nun kommen die Feineinstellungen und danach der Einbau in das Gehäuse. Weiter warte ich noch auf die Bauteile für die Speisung, der Trafo lässt sich Zeit...
mittlerweile habe ich den Stereo-Encoder fertig und auch schon in den Gehäusedeckel eingebaut. Der Trafo lässt noch auf sich warten, daher muss noch das Labornetzgerät als Speisung dienen. Hier das Bild:
Da ich nicht gerne Löcher bohre, sind die meisten Widerstände in SMD-Form auf der Unterseite, somit sieht der Print von oben her recht leer aus.
Ich habe auch schon einige Messungen gemacht, es sieht gut aus. Ein aus früherer Zeit noch herumliegender Eigenbau-Dekoder mit dem MC1310 diente als Test-Dekoder. Bei korrektem Abgleich erreichte ich eine Kanaltrennung von 40dB, und mehr schafft der MC1310 nach Datenblatt nicht. Somit ist also alles so, wie es sein sollte.
Heute habe ich mal noch die Schaltungsbeschreibung gemacht, es dauerte dann einiges länger als gedacht Ich habe sie als PDF nebst dem Schaltplan angehängt. Damit das Ganze nachbaufähig bleibt, habe ich nur Standardbauteile verwendet, auch die Drosseln sind handelsübliche Festinduktivitäten. Wer will, darf sie natürlich auch selber wickeln... Die Abgleichanleitung folgt später, wenn ich noch mehr Erfahrungen gesammelt habe. Aber viel gibt es nicht zum Abgleichen und ein 10MHz-Oszi reicht ebenfalls.
Gruss HB9
PS: Die Theorie zur UKW-Stereo-Uebertragung ist in den älteren Beiträgen zu finden.
mittlerweile habe ich den Stereo-Encoder fertig und wie versprochen folgt noch die Abgleichanweisung. Die Schaltung ist als Anhang samt Beschreibung in einem früheren Beitrag als PDF zu finden, die Bauteilbezeichnungen beziehen sich auf diesen Schaltplan. Als Hilfsmittel reicht ein einfaches 2-Kanal-Oszi der 10MHz-Klasse und allenfalls ein als gut bekannter Stereodekoder. Als NF-Signalgenerator kann auch die PC-Soundkarte mit einem passenden Programm oder eine Test-CD benutzt werden, die Signalqualität muss für den Abgleich nicht besonders hoch sein.
Abgleich:
Als erstes wird der 19kHz-Resonanzkreis L2/C16/C17 auf Resonanz und damit korrekte Phasenlage abgeglichen. Dazu schliesst man den einen Kanal des Oszis am Ausgang von A7 (gelbe Kurve im Bild) und den anderen am Verbindungspunkt R37/L2 (hellblaue Kurve) an. Getriggert wird auf das 2. Signal (hellblau). Nun wird der Offset an P1 verstellt (38kHz-Trägeramplitude, gelbe Kurve), bis sich etwa folgendes Bild zeigt:
Das 19kHz-Signal sollte dabei sinusförmig sein. Falls arg verzerrt und mit 'Ecken' (z.B. bei einer selbstgewickelten Spule, welche nicht ganz stimmt), wird als erstes der Kreis L2/C16/C17 soweit auf Resonanz gebracht, dass das Signal sinusförmig ist. Nun wird durch Zu- oder Wegschalten kleiner Kondensatoren (ca. 100pF) oder Verdrehen des Abgleichstifts, falls man eine abgleichbare Spule hat, die Phasenlage der beiden Signale zueinander eingestellt. Durch die Änderung der Resonanzfrequenz verschieben sich die Nulldurchgänge der beiden Signale gegeneinander. Die richtige Einstellung ist die, wenn die Nulldurchgänge übereinanderliegen, wie folgendes Bild zeigt:
Da der 38kHz-Träger hier nur wenig gefiltert ist, hat er deutliche 'Ecken', der Nulldurchgang liegt dabei zwischen den beiden 'Ecken' wie mit den vertikalen Cursor angedeutet. Hat man einen guten Stereo-Dekoder, kann man die Phasenlage abschliessend auf beste Kanaltrennung einstellen.
Nun wird die Amplitude des Pilottons und die Trägerunterdrückung eingestellt. Dazu wird das Oszi am MPX-Ausgang angeschlossen, P3 auf Minimum und P5 auf Maximum gestellt. Auf dem Oszi sollte ein sauberer 38kHz-Sinus zu sehen sein. Nun wird mit P1 die Amplitude dieses Signals auf Minimum eingestellt (maximale Trägerunterdrückung). Nun wird an beiden Eingängen ein 1kHz-Sinus eingespeist. Die Amplitude wird so eingestellt, dass die LEDs gerade zu leuchten beginnen (oder ein VU-Meter 0dB anzeigt), das entspricht etwa 2V am Eingang bei voll aufgedrehtem Poti P2. Am Ausgang sollte dieses Signal unverzerrt sichtbar sein, die Amplitude wird mit P5 auf 1V eingestellt. Nun das Eingangssignal ausschalten und mit P3 die Amplitude des 19kHz-Pilottons am Ausgang auf 100mV einstellen. Speist man nun auf einem Kanal wieder das 1kHz-Signal ein, sollte sich folgendes Bild ergeben (Amplitude je nach Einstellung von P5):
Falls man einen genauen Frequenzzähler hat, kann man noch mit C6 die Frequenz des 19kHz-Pilottons genau einstellen, ist aber nicht zwingend.
Nun ist der Encoder einsatzbereit. Wichtig bei der Einstellung der Signalpegel: Mit P5 wird der Ausgangspegel an den zu prüfenden Stereodekoder oder Prüfsender angepasst, so dass der Pilotton den richtigen Pegel hat, während mit P2 der Pegel des Stereo-Eingangssignals so eingestellt wird, dass die LEDs gerade noch dunkel bleiben (oder gehörmässig auf gleiche Lautstärke wie Rundfunksender).
Zum Schluss noch das Spektrum des MPX-Signals, wenn auf dem rechten oder linken Kanal ein 2kHz-Signal mit maximaler Amplitude eingespeist wird (5kHz/Div Frequenzskala). Man sieht das Summensignal bei 2kHz (und die beiden Oberwellen vom Generator), den 19kHz-Pilotton, die beiden Seitenbänder bei 36kHz und 40kHz vom Differenzsignal (wieder mit den beiden Oberwellen vom 2kHz-Signal) und den nicht ganz perfekt unterdrückten 38kHz-Träger (aber immerhin 50dB unterhalb der Seitenbandamplitude).
Das folgende, breitere Spektrum zeigt noch die Wirksamkeit der Ausgangsfilter und des Mischers. Die ersten beiden Oberwellen der Modulation sind gut 40dB unterdrückt, hier machen sich Verzerrungen des Analogschalters und des OpAmps bemerkbar. Die 3. Oberwelle ist 50dB tiefer. Bei etwa 260kHz sieht man noch die Aliasfrequenz, welche prinzipbedingt ist durch die Annäherung des 38kHz-Trägers mit 8 Stützwerten. Diese wird durch die Filterung ebenfalls über 40dB gedämpft.
Als nächstes kommt der Hörgenuss, dazu muss ich aber noch einen temporären Platz für den Prüfsender bei der Hifi-Anlage schaffen...
Viel Spass bei der Lektüre und einem allfälligen Nachbau! Feedback ist jederzeit willkommen.
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und noch viel peinlicher: beim Versuchsaufbau auf dem Steckbrett machte ich den Fehler bereits, ohne den Schaltplan zu korrigieren... Naja, dann mussten halt 4 Leiterbahnen dran glauben und von Hand neu verdrahtet werden. Sonst sieht es bis jetzt ganz gut aus, nun kommen die Feineinstellungen und danach der Einbau in das Gehäuse. Weiter warte ich noch auf die Bauteile für die Speisung, der Trafo lässt sich Zeit...