De evolutie van het signaal van de FM-zenders

Geschreven door Peter De Gruyter.

Van Mono over Stereo tot RDS en DARC

Mono

De eerste FM-uitzendingen waren – zoals de AM-uitzendingen – in mono. Het door de microfoon in een elektrisch signaal omgezet geluidssignaal werd rechtstreeks gebruikt om de zender te moduleren.

Hieronder is het dan gebruikte signaal weergegeven in het frequentiespectrum. Van onder naar boven is de toegelaten sterkte van het signaal weergegeven. Van links naar rechts is de stijgende frequentie weergegeven van 0 Hz tot 96000 Hz.

Theoretisch reikt het menselijk gehoor van 20 tot 20000 Hz. In de praktijk blijkt dat dit bereik, zeker in de hogere frequenties, bij het ouder worden te krimpen. De gevoeligheid van het menselijk oor voor de verschillende frequenties is ook afhankelijk van de sterkte van het geluidssignaal. Hoge en in mindere mate lage frequenties moeten luider aanwezig zijn om voor de mens hoorbaar te zijn.

FM multiplex mono

Stereo

Toen de opkomst van stereogeluid begon, zocht men naar een middel om de twee geluidskanalen die hiervoor nodig waren samen via één FM-zender uit te sturen. Het systeem moest ervoor zorgen dat de bestaande mono-ontvangers het ontvangen signaal nog konden weergeven, maar ook dat de stereo-ontvangers het stereosignaal gescheiden konden weergeven.

In 1961 werd er uit een aantal voorstellen één als standaard aangenomen. Het volgens deze standaard samengesteld signaal werd een multiplex genoemd omdat het verschillende signalen tegelijkertijd - gemultiplext – bevat. Het frequentiespectrum van deze standaard staat hieronder.

FM multiplex stereo

Op de plaats waar vroeger het enige geluidssignaal stond, is nu een nieuw monosignaal gecreëerd als volgt.

Om plaats te hebben in het frequentiespectrum voor de bijkomende signalen worden het linker- en het rechterkanaal van het stereogeluid elk door een filter geleid die alle frequenties boven 15000 Hz tegenhoudt. De aldus bekomen signalen worden bij elkaar opgeteld. Dit 'somsignaal' klinkt dubbel zo luid als elk der kanalen afzonderlijk, vandaar dat het wordt gehalveerd. Uit een mono-ontvanger komt enkel dit signaal . Geel aangeduid op te tekening.

Om het originele stereogeluid te kunnen reproduceren in de ontvanger is een extra signaal nodig.

Dit extra signaal bekomt men door van het in frequentie beperkte linkersignaal het eveneens in frequentie beperkte rechtersignaal af te trekken. Het aldus bekomen signaal wordt gehalveerd.  Het resultaat van deze bewerkingen wordt het 'stereosignaal' genoemd. Dit stereosignaal wordt in amplitude gemoduleerd op een draaggolf van 38000 Hz, zodanig dat deze draaggolf niet in het bekomen frequentiespectrum aanwezig is. In de tekening is dit aangegeven door de gestippelde pijl tussen de twee zijbanden van het tweede signaal. Het meest rechtse rode deel van de tekening.

Voor het demoduleren van van het in amplitude gemoduleerde signaal heeft de ontvanger echter de ontbrekende draaggolf nodig.

Daarom is nog een derde signaal toegevoegd, de piloottoon. Een zuivere niet gemoduleerde frequentie van 19000 Hz, juist de helft van de benodigde 38000 Hz, zit in het spectrum tussen de twee hiervoor besproken signalen. Via deze piloottoon kan de ontvanger de 38000 Hz genereren en zodoende de volledige stereoklank reproduceren.

De volgende tekeningen laten de verschillende signalen zien. Verticaal kan u de ogenblikkelijke spanning van dat signaal aflezen. Horizontaal zijn al deze ogenblikkelijke spanningen in de loop van de tijd naast elkaar gezet.

Voor het signaal in het linkerkanaal is gekozen voor een zuivere toon van 900 Hz.

Links

Voor het signaal in het rechterkanaal is gekozen voor een zuivere toon van 1350 Hz.

Rechts

Het monosignaal ziet er dan zo uit.

Mono

Het bijhorende stereosignaal.

Stereo

Het stereosignaal amplitudegemoduleerd zonder draaggolf.

Stereo in MPX

Het monosignaal samen met het ampitudegemoduleerde stereosignaal.

MPX zonder piloot

De volgende tekening maakt de samenhang tussen de verschillende signalen duidelijker.  De blauwe lijn geeft het linkerkanaal  weer, de oranje lijn het rechterkanaal, de lichtblauwe lijn tenslotte het monosignaal samen met het amplitudegemoduleerde stereosignaal.

LinksRechtsMPX z Piloot

De piloottoon weergegeven op dezelfde schaal.

Piloot

Het monosignaal samen met het amplitudegemoduleerde stereosignaal en de piloottoon of het volledige multiplexsignaal.

MPX

RDS

In 1984 werd een nieuwe standaard goedgekeurd. Radio Data Signal of RDS deed zijn intrede. Hiermee was het mogelijk digitale informatie mee te sturen met het FM-signaal. Dit signaal heeft niet zozeer iets te maken met de uitgezonden klank maar bezorgt de luisteraar extra faciliteiten.

Deze kunnen onder andere zijn:

PS of Programme Service: een code die het uitgezonden programma identificeert. Dit wordt in een autoradio gebruikt om een andere zender met hetzelfde programma te zoeken als de ontvangst verslechtert.

PI of Programme Identification: een tekst die de programmanaam aangeeft. Dit is de tekst die getoond wordt op het scherm van de meeste autoradios.

PTY of Programmme Type: een indicatie van het uitgezonden programmatype zoals bijvoorbeeld pop, rock, classic, enz.

AF of Alternative Frequencies: een lijst van andere frequenties van zenders die hetzelfde programma uitzenden eventueel aangevuld met frequenties van zenders die programma's uitzenden die door dezelfde uitzendorganisatie worden geproduceerd.

RT of Radio Text: een tekst die kan meegestuurd worden en informatie over het huidige programma kan bevatten zoals bijvoorbeeld titel en uitvoerder van het huidige muziekstuk. Op autoradios niet zichtbaar om de bestuurder niet af te leiden door steeds wijzigende berichten.

TA en TP Traffic Annoucement en Traffic Programme: Twee samenwerkende signalen. TP geeft aan dat de huidig ontvangen zender verkeersberichten uitzendt. TA geeft aan dat er op dit ogenblik een verkeersbericht wordt uitgezonden.

CT of Clock Time: de huidige lokale tijd.

TMC of Traffic Message Chanel: digitaal gecodeerde verkeersinformatie die laatste jaren steeds vaker gebruikt in de GPS-toestellen voor navigatie in voertuigen.

De VRT zend op dit ogenblik al de voornoemde informatie uit.

Het nieuwe frequentiespectrum ziet er nu uit als volgt.

FM multiplex stereo RDS

De informatie wordt digitaal gecodeerd op een hulpdraaggolf van driemaal de pilootfrequentie of 57000 Hz die bij het coderen uit de 19000 Hz piloottoon wordt gegenereerd. De gekozen modulatiemethode – BPSK of Bi-Phase Shift Keying – zorgt er ook hier voor dat er geen draaggolf aanwezig is.

DARC

In 1997 is er weer een nieuwe standaard voor een extra signaal. DARC of Data Radio Channel. Hiermee kan willekeurige digitale informatie via een FM-zender worden doorgestuurd.

De VRT verhuurde dit kanaal aan externe firma's. In Brussel werd het signaal gebruikt voor signalisatieborden aan de haltes van het openbaar vervoer om de aankomst van de opeenvolgende vervoersmiddelen te signaleren. In Gent was er een project voor de aansturen van informatieborden in de openbaar vervoersmiddelen. Beide toepassingen zijn ondertussen gestopt.

Het spectrum zag er toen zo uit.

FM multiplex stereo RDS DARC

DARC maakt gebruik van een nieuwe draaggolf ook weer verkregen uit de piloottoon maar ditmaal viermaal de frequentie of 76000 Hz. De modulatiemethode is L-MSK of Level controlled Minimum Shift Keying wat een vorm van FM-modulatie van de drager is. De aanduiding Level controlled slaat op de mogelijkheid om de sterkte van de DARC-drager aan te passen aan de sterkte van het volledige stereogeluidssignaal.  Bij de VRT gebruikte men deze mogelijkheid niet en was de sterkte vast ingesteld.