Ontstaan van audio, overbrengen en beluisteren

Audio, het gesproken woord en muziek, heeft een aantal belangrijke schakels nodig die een gesloten keten vormen om deze informatie op een selectieve manier tot aan de luisteraar te brengen.
De radio techniek.

1) De audiobandbreedte

Audio en muziek nemen een uiterst klein deeltje bandbreedte in van het volledige frequentie- of radiospectrum. Het frequentiespectrum begint bij 0Hz en eindigt bij de technische mogelijkheid tot het opwekken van een frequentie. Deze technische beperking stopt bij ongeveer 3.000GHz (3.000.000.000.000Hz). De frequentie is het aantal trillingen per seconde en uitgedrukt in Hertz (Hz).

frequentie
 
frequentiespectrum
Een sinusoïdale trilling van 1Hz= 1 trilling / seconde.
Volledig radiospectrum van 9kHz tot 3000GHz.

Vanuit de natuur zijn de frequentiegrenzen nog beperkter. Het gesproken woord, de stem, ligt in het frequentiebereik van 100 tot 1500Hz of trillingen per seconden. Alle andere voorwerpen die trillingen kunnen veroorzaken liggen in de frequentieband tussen 100 tot ongeveer 3000Hz. Deze frequenties zijn de zuivere basistonen die door de menselijke stem of door bepaalde muziekinstrumenten worden opgewekt. De boventonen zijn even of oneven (veelvouden) harmonische frequenties die dan de klankkleur bepalen. Deze frequentie loopt hoger en wordt om tal van redenen hoe dan ook beperkt tot 15kHz.

frequentiespectrum muziekinstrumenten  
audiospectrum
Grondtonen en boventonen (harmonischen) van muziekinstrumenten.
Het volledige audiospectrum vanaf 10Hz tot 20.000Hz.

De bruikbare audiobandbreedte ligt tussen 10Hz (ondergrens) en 20.000Hz (bovenste grens). Enerzijds is dit de bandbreedte waarbinnen geluidssignalen opgewekt worden en anderzijds is dit de maximale bandbreedte die het menselijk oor kan waarnemen. Vandaar dat audiosignalen in een eerste instantie binnen deze bandbreedte beperkt werden.
Om technische redenen wordt in de analoge radio- en televisiewereld de audiobandbreedte beperkt tot 15kHz. Vooral in de televisiewereld zou het toepassen van een bandbreedte > 15kHz een probleem geven met de lijnfrequentie van15.625Hz. Dit is een hoorbare frequentie die een constante fluittoon zou genereren in de audioversterker van de TV. Om dit te verhinderen zijn er filters ingebouw die alle tonen boven de 15.000Hz vermijden, uitfilteren, afkappen. Ook de extreem lage frequentie (ELF) van 50Hz , de Europese netfrequentie, kan zorgen voor een hindelijke brom in geluidsinstallatie. Hiervoor dienen gevoelige versterkers extreem magnetisch afgeschermd te zijn met een speciale metaallegering. Dit 50Hz signaal plant zich magnetisch voor en is bijzonder moeilijk af te schermen. Gezien het enorm uitgebreid elektriciteitsnet is de 50Hz overal aanwezig.
In de radiowereld zou een hogere audiofrequentie een grotere bandbreedte vereisen na modulatie van dit signaal. Met name zouden er dan minder radiofrequenties, minder radio's in een bepaalde band kunnen geplaatst worden.
Het overbrengen van extreem lage frequentie is in de analoge wereld ook een probleem. Om frequenties vanaf 0Hz tot 10Hz door te geven wordt aan de audioapparatuur extreme eisen gesteld. Alle versterkermodules die in een audioketen aanwezig zijn moeten zogenaamd gelijkspanning gekoppeld zijn. Er mag m.a.w. geen gebruik gemaakt worden van elektrolitische condensatoren of elco's. Dit maakt het ontwerp van een mengpaneel, regelversterker en eindversterker ingewikkeld en duur.

De toepasbare audiobandbreedte wordt hierdoor beperkt tussen de laagste grens van 20 tot 25Hz en de hoogste grens van 15.000Hz of 15kHz. In de gewone analoge radiotechniek kunnen geen frequenties buiten deze doorgestuurd worden. Om de 50Hz invloed te vermijden moet het ontwerpt en de bedrading zeer goed verzorgt zijn. Deze frequentie wordt nu eenmaal NIET uitgefilterd.

2) Het voortbrengen van geluiden

1) De menselijke stem

De menselijke stem wordt geproduceerd door het mechanisme in het strottenhoofd: door het in trilling brengen van de in het strottenhoofd gelegen stemplooien (stembanden) kunnen mensen stemgeluiden voortbrengen. Dit stemgeluid dient als basis voor spraak en zang en stelt mensen in staat met elkaar te spreken, of om met en voor elkaar te zingen. Het strottenhoofd is het orgaan in de hals van mens en zoogdier dat betrokken is bij de ademhaling, beweging van de stembandenbescherming van de luchtpijp en het maken van geluid. Het strottenhoofd bevindt zich op dat punt in de keel waar luchtweg en voedselweg gescheiden worden. In het strottenhoofd bevinden zich de ware stemplooien of ware stembanden. Dit veroorzaakt geluidsgolven met een frequentie tussen de 100 en 1.500Hz als basistoon en boventonen, afhankelijk van kind, oudere personen, man of vrouw. De stembanden resoneren op een bepaalde frequentie als deze aangeblazen worden door lucht die vanuit de longen met weinig kracht (fluisteren) of met veel kracht (luidruchtig) de stembanden bereiken. Deze menselijke stem met frequentie tussen 100 en 1.500Hz past perfect in de totale audiobandbreedte van 20 tot 15.000Hz.
Beweging van de stembanden
tijdens het spreken.

2) Natuurlijke of akoestische muziekinstrumenten

Een natuurlijk muziekinstrument heeft een typische resonator dat bij het mechanisch aanslaan of bij het aanblazen een toon genereert. De frequentie is afhankelijk van de afmetingen van de resonator met name de lengte van een snaar de diameter en lengte van een buis, de klankkleur is afhankelijk van het type instrument of de harmonischen die gemaakt worden op de basistoon. triangle Met deze toestellen, diversiteit aan muziekinstrumenten kan een quasi volledig audiospectrum opgebouwd worden tussen 20Hz en 12.000Hz.

Het muziekinstrument de triangel haalt hierin de hoogste frequentie als grondtoon. Een contrabas met zijn typische bastoon zorgt voor de laagste basisfrequentie of -toon in het audiospectrum tussen 30 en 150Hz. Dit zijn dan 30 tot 150 trillingen per seconde.

De vorm van de opgewekte tonen uit deze natuurlijke muziekinstrumenten zijn zuiver sinusoïdaal.

3) Elektronische muziekinstrumenten

Elektronische muziekinstrumenten kennen geen frequentiebeperking. Ze kunnen in toon en kleur ruim buiten het audiofrequentiespectrum lopen en dus buiten het hoorbare gebied geluidsgolven weergeven, golven die het menselijk oor niet meer kunnen waarnemen.
De synthesizer is hiervan een uitstekend voorbeeld. Het is een elektronisch muziekinstrumenet dat klanken en geluiden kunstmatig elektronisch opwekt. Met een synthesizer is het mogelijk het op te wekken geluid vergaand te beïnvloeden, zodat nieuwe, nog niet bestaande klanken gemaakt kunnen worden. Ook kunnen sommige synthesizers de klanken van reeds bestaande (akoestische) instrumenten, bijna perfect nabootsen (bijvoorbeeld piano of orgel).
De uitvinding van de synthesizer is een belangrijke revolutie geweest in de muziekwereld. Het is een van de meest veelzijdige instrumenten ter wereld vanwege het oneindig aantal mogelijke klankkleuren dat er mee gemaakt kan worden. Muziekgenres als trance, dance, synthpop, elektro, techno en house zouden zonder de uitvinding van de synthesizer nooit ontstaan zijn.

golfvormen



De toon (frequentie) en klankkleur (harmonische) lopen buiten de audiobandbreedte van 20 tot 15.000Hz. Dit houdt in dat de bestaande weergaveapparatuur niet bij machte is om dit spectrum weer te geven, zeker niet in de wereld van de analoge radiotechniek.
De golfvorm van de opgewekte tonen zijn volledig willekeurig. Het kan sinusoïdaal, blokvormig, driehoek, zaagtand zijn, om maar enkele golfvormen op te noemen.
Maar iedere golfvorm is met een fourieranalyse terug te brengen tot een som van hogere even en oneven zuivere sinusvormige signalen, waarvan de hogere harmonische buiten de audio- frequentiebandbreedte kunnen vallen. Ze zullen er elektrisch uitgefilterd worden om er in de radiozendinstallatie geen problemen te veroorzaken.

Diverse golfvormen met ernaast de harmonische inhouden.

4) Résumé

Met de menselijk stem, spraak en/of zang, in combinatie met natuurlijke en elektrische muziekinstrumenten wordt het volledige audiospectrum ruimschoots gevuld. De frequentieband zou hier vanaf 1Hz tot ver boven de 20kHz kunnen lopen. Het zijn geluidsgolven die vanuit het orkest zich door het luchtruim voorplanten naar het luisterobject, het menselijk oor.
Om tal van technische redenen wordt het analoge audiospectrum beperkt tussen 20Hz en 15.000Hz.
De voortplantingssnelheid van de geluidsgolf is 340m/s. Ze kan zich niet voortplanten in het luchtledige, heeft een zeer beperkte draagwijdte en helemaal niet selectief. Dit houdt in dat het menselijk gehoor twee naast mekaar spelende orkesten niet kan onderscheiden en niet kan waarnemen of horen op verre afstand.
De problemen selectiviteit, de keuze uit verschillende geluidsbronnen, en draagwijdte, het kunnen beluisteren van ver afgelegen geluidsbronnen, worden opgelost met de dankbare hulp van de radio uitzendtechniek.

3 Overbrengen van audiosignalen

Geluidsgolven hebben quasi geen energetische energie waardoor ze zich in de vrije atmosferische ruimte zeer moeilijk voortplanten. De informatie zal via een draaggolf gedragen worden, vervoerd worden en veel grotere afstanden kunnen overbruggen. Maar eerst dienen de geluidsgolven elektrisch gemaakt te worden. Ze moeten omgezet worden in een elektrische spanning.

1) De microfoon

microfoonDe geluidsgolven die door mechanische trillingen de luchtmolecullen in beweging brengen en zich zo traag voortplanten zullen het membraam van een gevoelige microfoon met eenzelfde frequentie doen bewegen. Aan het membraam (diaphragm) is een spoeltje (voicecoil) mechanisch verbonden dat vrij kan bewegen in een nauwe luchtspleet van een permanente magneet (magnet). Uit dit spoeltje zal een elektrische spanning ontstaan waarvan de frequentie gelijk is aan de trillingsfrequentie van de geluidsgolven. De grootte van het signaal, de amplitude, zal afhangen van de kracht waarmee de geluidsgolven ontstaan zijn.
Dit signaal uit dit spoeltje is bijzonder zwak, zeer kleine amplitude en dient door ruisarme versterkers verhoogd te worden in amplitude met name versterkt worden. De 20mV spanning wordt dan ongeveer 200mV en kan verder verwerkt worden. Mengpanelen hebben zo één of meerdere voorversterkers ingebouwd. Het zijn de mic-ingangen van een mengpaneel.


Voor het opnemen van een orkest, bestaande uit meerdere akoestische muziekinstrumenten zullen er meerdere microfoons geplaatst worden. Ieder muziekinstrument zal een speciaal voor het muziekinstrument aangepaste microfoon ingebouwd krijgen. De menselijke stem of zang zal op een gelijkaardige manier verwerkt worden tot elektrische signalen. Deze verschillende signalen worden op een meersporensysteem (12 of meersporige bandopnemer) opgenomen en in de opnamestudio perfect gemengd en gefilterd tot een song, een lied.
Dit afgewerkt product kan nu te koop aangeboden worden onder de vorm van een vinylplaat, cassette, band, CD of als een bestandje in MP3. Maar nog steeds gaat het hier om signalen tussen de 20Hz en 20.000Hz. Deze signalen zijn nog steeds niet selecteerbaar en hebben elektrisch nog steeds geen draagwijdte. De snelheid van dit elektrische signaal is nu echter 300.000.000m/s geworden en gelijk gesteld met de lichtsnelheid. Het is enkel te beluisteren via speciaal daartoe gemaakte toestellen respectievelijk PU, cassettespeler, bandopnemer, CD-speler, MP3-speler, gekoppeld aan een audioversterker met luidsprekers.

audio scoop
audio spectrum
Elektrisch audiosignaal.
Frequentiespectrum van een audiosignaal tussen 10Hz en 20kHz.

Elektronische muziekinstrumenten leveren onmiddellijk een bruikbaar elektrisch signaal dat alle frequenties in zich heeft. Deze signalen kunnen gemengd worden met het elektrisch signaal van een akoestisch instrument. De kwaliteit van het elektronisch instrument, de synthesizer, is veel beter omdat het elektrisch signaal direct opgewekt wordt. Het bevat geen ruis en levert een frequentie (toon), klankkleur (golfvorm) en signaalsterkte naar keuze.

De microfoon, werking, samenstelling, eigenschappen, types en meer vanuit wikipedia.

2) Moduleren

Het audiosignaal is te laag in frequentie en daardoor energetisch niet mogelijk om het signaal uit te zenden. Hiervoor zijn hogere frequentie vereist. Frequentie vanaf 100kHz, de z.g. lange golf (LG) band signalen kunnen dit wel, alhoewel er toch een betrekkelijk groot zendvermogen nodig is omdat deze draaggolffrequentie nog relatief laag is. Daarboven is er de frequentieband van de legendarische middengolf (MG) met 1.000kHz als middenfrequentie, en nog hoger de frequentiebanden van de korte golf tot 30.000kHz of 30MHz, de frequenties van de wereldomroepen.
Iedere hogere frequentie kan uiteindelijk als draaggolf gebruikt worden, doch internationaal zijn er frequentiebanden afgesproken die mogen gebruikt worden om audiosignalen te versturen, om radio te maken en frequentie of frequentiebanden die dan helemaal niet mogen gebruikt worden.
Er is nu het audiosignaal enerzijds en een hogere frequente draaggolf anderzijds. Het audiosignaal moet nu aan de draaggolf "bevestigd" worden. Dit is moduleren. Moduleren of modulatie is het combineren van het audiosignaal op een draaggolf met een hogere frequentie.

Er zijn meerdere methoden om de informatie, het audiosignaal, te moduleren met de draaggolf, waarvan de meest toegepaste in de analoge radiotechniek de amplitude modulatie (AM) en de frequentie modulatie (FM) zijn. Daarnast bestaat nog de fasemodulatie (PM) maar is in commerciële radio-omroep nooit toegepast.

Via de onderstaande linken worden AM en FM gedemonstreerd: De amplitude (signaalsterkte) en de frequentie (toon) van het audiosignaal kunnen gewijzigd worden. De draaggolffrequentie blijft constant.

Maar waarom AM en waarom FM?
De eerste toepassing van AM dateert van 1919 in Den Haag Nederland, de FM technologie wordt pas in 1933 uitgevonden door Edwin Armstrong. Om te beginnen met radio uitzendingen was er dus enkel maar amplitudemodulatie.

AM
De beide systemen hebben hun voor- en nadelen. Het grote probleem bij AM was dat deze ontstaan is in de lagere draaggolf frequenties (100kHz tot 30.000kHz. Hogere frequenties waren in die tijd moeilijk te maken en/of moeilijk stabiel te houden.
Maar AM maakt bij het moduleren twee zijbanden die aan weerzijde van de draaggolf een breedte van 1 x het audiosignaal innemen, of beter zou innemen. Het audiosignaal van 15kHz zou een plaats, een bandbreedte, nodig hebben van 2 (weerzijde) x 15kHz= 30kHz.. Technisch is dit geen probleem. Echter de middengolfband loopt van 500kHz tot 1.650kHz, en opdelen in stukjes van 30kHz zouden er slechts 38 radio's kunnen gehuisvest worden. Dit is zeer weinig omdat de middengolffrequenties grensoverschrijdend zijn. Een frequentie gebruikt in een bepaald land zou in heel wat buurlanden niet kunnen gebruikt worden.
DAAROM werd beslist om enkel maar de audiofrequentie tot 4.500Hz te moduleren. De hoge tonen tussen 4.500 en 15.000Hz vallen weg, worden uitgefilterd. En omdat het klankbeeld, dit is het evenwicht tussen lage tonen en hoge tonen, evenwichtig moest blijven worden ook de lage tonen onder de 100Hz weggelaten. AM omroep bevat dus geen lage tonen en geen hoge tonen. Vandaar dat AM, toegepast in de lange-, midden- en kortegolf dof klinkt.
Amplitude modulatie is een relatief eenvoudige theorie, doch de technologie om in amplitude te moduleren is moeilijk.

FM
De theorie rond frequentiemodulatie is complex en stelt een Besselse functie voor: Bij het moduleren van een audiosignaal in frequentie onstaat er een frequentiezwaai van + en - 75kHz t.o.v de draaggolf wat een totale frequentievariatie is van 150kHz. In het frequentiespectrum resulteert zich dit in een oneindig aantal zijbanden. Door die oneindigheid aan zijbanden is er bij ONTVANGST een veel grotere bandbreedte nodig. Om dus een audiosignaal van 15kHz in FM te moduleren wordt er in de ruimte per radiouitzending een bandbreedte gebruikt van 180kHz voor zuiver monorale uitzending maar is er een bandbreedte van 256kHz vereist voor het uitzenden van een stereo-uitzending. De toegepaste formule voor het berekenen van de bandbreedte bij FM uitzending is de regel van Carson waarbij de bandbreedte B= 2 x (hoogste audiofrequentie + max frequentiezwaai) = 2 x (53+75)= 256kHz.. Die 256kHz ten opzichte van 15kHz wordt aanzien als voldoende eindig om de oneindigheid aan zijbanden te kunnen opvangen en om het bij ontvangst in de radio-ontvangers als audiosignaal te kunnen weergeven. De bandbreedte in de radio-ontvanger wordt genomen op 300kHz om kanaal overspraak te vermijden en zo nog wat te profiteren van de extra zijbanden. Omwille van het ontbreken van alle zijbanden is de vervorming bij een stereouitzending 1% groter dan bij een mono uitzending.
Deze FM techniek toepassen in de middengolfband (MG) zou slechts plaats geven aan 3 radio's (600-900, 900-1.200 en 1.200-1.500).
Daarom wordt FM toegepast in hogere draaggolffrequenties tussen 87 tot 108MHz (megahertz) en kunnen er in deze FM-band 70 radio's geplaatst worden. Daarenboven is de reikwijdte van FM zenders beperkt tot hooguit 80km. Dezelfde frequentie kan gemakkelijk in een buur-provincie opnieuw gebruikt worden.
Moeilijke theorie, maar daarentegen is de technologie om in FM te moduleren, te versterken en uit te zenden eenvoudig.

De wiskundige achtergrond en de voor- en nadelen van de verschillende modulatietechnieken: AM versus FM (doc 0,3Mb).

FM-stereo

fm stereo indicatorStereo is het toepassen van twee audiokanalen met een gelijke bandbreedte 15Hz tot 15.000Hz en die gescheiden als Linker en Rechter informatie tot aan de luisteraar moeten geraken. De informatie moet zo min mogelijk mekaar beïnvloeden, dus zo goed als mogelijk als twee kanalen gescheiden blijven. Dit is kanaalscheiding die aan bepaalde normen moet voldoen. Deze scheiding moet minstens 50dB of beter zijn. Dit houdt is dat de verhouding tussen L en R 20log signaal Links / signaal Rechts >= 50dB. Dit is een signaalverhouding die beter moet zijn dan 316. Als in het linker kanaal een signaal van 1V aanwezig is mag dit in het rechter kanaal maar aanwezig zijn met een waarde van 1 / 316= 0,0032V. Hoe groter deze scheiding, des te beter is de stereobreedte en hoe beter het stereo-effect blijft. Daarenboven moet een stereo-uitzending ook kunnen beluisterd worden door een oudere mono FM ontvanger en moet omgekeerd een mono-uitzending door een stereo FM ontvanger te beluisteren zijn. Dit is de compatibliteitseis die gesteld werd bij het ontwerpen van de stereo-encoder, een complexe schakeling die de twee singalen L en R bewerkt op z'n danige manier dat in de ontvanger de twee signalen L en R terug te decoderen zijn als twee gescheiden signaalbronnen. Na stereo codering ontstaat er een multiplex (MPX) signaal dat een audiobandreedte beslaat van 50Hz tot 53.000Hz (53kHz).
Het FM stereo multiplex signaal is in 1961 gestandaardiseerd door de FCC (Federal Communications Commission). De signalen moeten voldoen aan vooropgestelde normen om wereldwijd compatibel te zijn. Eén element uit deze standaard is de stereo piloot toon van 19kHz die 10% van de frequentiezwaai inneemt en dus goed is voor een zwaai van + en - 7,5kHz.

MPX blokschema
MPX audiospectrum
MPX blokschema van de analoge stereo codering.
FM-MPX stereo frequentiespectrum.

Het L+R signaal wordt aangeboden aan een standaard mono FM ontvanger, de 19kHz piloottoon doet in de stereo FM ontvanger het stereo indicatielampje branden en de ontvanger omschakelen in stereo.
Belangrijk is dat de bestaande gereserveerde bandbreedte van 225kHz en de frequentiezwaai van + en - 75kHz blijft bestaan, alhoewel de audiobandbreedte gestegen is van 15.000Hz naar 53.000Hz. Dit is dus meer audio-informatie in eenzelfde FM systeem stoppen wat resuleert in een mindere kwaliteitsoverbrenging. Ook stijgt de ruisinvloed waardoor de zenders met een groter vermogen moeten uitzenden om eenzelfde signaal/ruis (S/N ratio) te kunnen behouden. Bij zwakke ontvangst wordt de ruis duidelijk hoorbaar en als hinderlijk waargenomen. De stereo-decoder schakelt dan automatisch over naar mono-ontvangst. Het indicatielampje FM-STEREO dooft.
Onderstaande tabel geeft de verslechtering weer van de signaal-ruisverhouding voor de verschillende zend- ontvangstmogelijkheden:

ZENDER
ONTVANGER
SIGNAAL-RUISVERHOUDING
mono
mono
0dB
mono
stereo
0dB
stereo
mono
-0,9dB
stereo
stereo
-21,6dB

Het vergroten van de audiobandbreedte tot 20.000Hz is niet mogelijk omdat de piloottoon van 19.000Hz hierdoor gestoord wordt en constant een hoge toon zou weergeven. CD kwaliteit met een bandbreedtie van 10Hz tot 20.000Hz kan alleen maar in mono verstuurd worden via de bestaande analoge zenders. Het audiosignaal wordt in de sterocoder afgekapt of gefilterd op 15.000Hz als bovenste grensfrequentie.

RDS of Radio Data System
RDS logoDit is het toevoegen van een 2-bit digitale informatie in een bestaande FM uitzending. Omdat deze informatie gescheiden moet blijven van de audio muziek informatie wordt het digitaal RDS signaal in PSK (Phase Shift Keying) in amplitude gemoduleerd (AM) op een hulpdrager van 57.000Hz (57kHz) met onderdrukte draaggolf en opgeteld, gemengd met het stereosignaal. Deze hulpdrager van 57.000Hz is de derde harmonische van de piloottoon die 19.000Hz (19kHz) is. Deze twee hulpdraaggolven blijven in fase met elkaar om ongewenste interferentie in het audiogebied te vermijden. Een FM ontvanger met een RDS decoder kan dan beperkte tekstinformatie weergeven op de LCD of 7-segment display. De RDS-informatie is verdeeld in blokken van 26 bits. Een blok bestaat uit 16 informatie- en 10 controlebits. De bit rate is 1187,5 bit/s (netto 730 bit/s voor ongeveer 100 karakters per seconde). Deze informatie neemt 5% van de frequetiezwaai in wat + en - 3,75kHz is.

STATISCHE RDS: statische tekst met enkel melding van de zendernaam.
DYNAMISCHE RDS: constant wijzigende tekst met informatie en/of reclame berichten.

4) FM zendvermogen

De verschillende audiobronnen, CD, PU, micro, . . . worden in stereo gemengd waardoor er een totale analoge informatiestroom ontstaat van L en R. Deze twee signalen worden in de stereo coder gemultiplext en worden naar de FM modulator geleid. De draaggolffrequentie (88 - 108MHz wordt door dit MPX-signaal in FM gemodeerd en uiteindelijk via een hoogfrequent versterker op het gewenste of toegelaten vermogen versterkt. In kleinere systemen is de MPX-coder in de FM zender gebouwd. Het eindproduct is een hoogfrequent vermogen tussen 10W tot meerdere kW's. Dit vermogen heeft nog steeds geen straalvermogen; het uitgangsvermogen van de zender moet geleid worden naar een zendantenne.

 

 

 

 

 

stereo encoder met limiter

 

 

 

 

 

FM zender 100W

fm zender 35kW
Stereo encoder met limiter
FM zender 100W
FM zender 35kW of 35.000W

De limiter houdt de sterkte van het audiosignaal begrensd zodat de frequentiezwaai, de + en - 75kHz ten opzichte van de draaggolf (88 - 108MHz), niet overschrijdt. Hiermee wordt de luidheid in toom gehouden wat storing ten opzichte van de buren in de radio-ontvanger vermijdt.

5) De antenne

FM zendantenneDe antenne is de ingewikkelste schakel uit de radiowereld. Antennes worden in kleine uitvoeringen gemaakt om signalen te ontvangen en in grotere en meer nauwkeuriger uitvoeringen om te zenden. Ze moeten mechanisch nauwkeurig gemaakt en afgestemd zijn op de zendfrequentie om zo optimaal mogelijk het zendvermogen om te zetten in een stralingsvermogen. Dit stralingsvermogen plant zich verder in de ether waarvan de reikwijdte afhankelijk is van de opstellingshoogte van de zendantenne en het zendvermogen. De uitzendfrequentie is maat voor de elektrische afmetingen van de zendantenne: de halve golflengte lambda = uitzendfrequentie / lichtsnelheid. Voor een zendfrequentie van 100MHz (midden van de FM-band) is de antenneafmeting 300.000.000m/s / 100.000.000 p/s= 3m/p. De halve golflengte is 1,5m. De mechanische lengte houdt rekening met de term "verkortingsfactor" en afhankelijk van de materie, isolatie en de buisdikten waarmee de antenne gebouwd is. Voor buisvormige staven is deze factor 0,85 zodat de mechanische lengte van de antenne 1,5 x 0,85= 1,275m wordt. Dit houdt in dat de afmeting, de lengte van dipool, van een FM zendantenne 1,275m is. Dit straalelement of radiator kan vertikaal of horizontaal geplaatst worden voor resp. vertikale en horizontale polarisatie. Lokale radios' hadden bij wet een vertikale polarisatie opgedrongen gekregen. De antenne is vertikaal opgesteld. Het aantal elementen, directoren en één reflector bepalen het stralingsdiagram van de antenne. Dit wordt gegeven in de VOOR/ACHTER verhouding van de antenne en uitgedrukt in dB. Het signaal van de FM zender wordt via een hoge kwaliteitscoax gevoerd naar de antenne. De karakteristieke impantie van de coax, de uitgangimpedantie van de FM zender en de ingangimpedantie van de antenne is 50 ohm. Dit is een typische waarde in de transmissiewereld die perfcet op mekaar moeten passen. Voor het uitzenden van grote vermogens zijn meerdere antennes in resonantie gekoppeld met mekaar en uiteindelijk op de zendtoren geplaatst.
Ieder radiosstation heeft zijn eigen zendinstallatie en vooral een unieke zendfrequentie voor een bepaalde omgeving. Deze unieke zendfrequentie zorgt ervoor dat radiostations kunnen geselecteerd worden. De selectie van z'n station gebeurt door de radio-ontvanger, of gewoon "de radio". Een overzicht van de gebruikte zendfrequentie in Vlaanderen voor radio FM: FM frequentielijst.
bereik FM omroepzender
De reikwijdte van de FM omroepzender

Het bereik van een VHF-zender is de afstand tussen de zendantenne en de radiohorizon, vermeerderd met de afstand van de ontvangantenne tot haar eigen radiohorizon.

De zwarte curve in het diagram toont voor verschillende zendhoogtes de afstand tot de geometrische horizon. Dit is de horizon voor een elektromagnetische golf die zich rechtlijnig voortplant. Op een hoogte van 500m is het optisch bereik 80km. Het voortplantingsgedrag langs het aardoppervlak van radiogolven (met frequenties rond 100 MHz) wijkt af van de rechtlijnige propagatie. In veel mindere mate geldt dit ook voor zichtbaar licht. Lichtgolven buigen enigszins met de kromming van het aardoppervlak mee (in de richting van toenemende luchtdichtheid). Hierdoor ligt de optische horizon iets verder dan de geometrische horizon. De sterkere buiging van radiogolven verlegt de horizon aanzienlijk méér, zodat de radiohorizon voorbij de optische horizon gevonden wordt.


De reikwijdte en zendervermogen voor een gewenste radio ontvangstgevoeligheid

reikwijdt versus gevoeligheidEen verfijnder beeld ontstaat wanneer het bereik gekoppeld wordt aan een vereiste gemiddelde veldsterkte op de ontvangstlocatie. Zo'n plaats- en tijdgemiddelde veldsterkte hangt onder meer af van het effectief vermogen dat aan zendzijde wordt uitgestraald in de richting van de ontvanger. De volgende illustratie geeft het bereik als functie van het vermogen voor de veldsterkten 50 en 60 dB(µV/m). De veldsterkten zijn gerelativeerd ten opzichte van één microvolt per meter en vervolgens uitgedrukt in decibel.

• Blauwe grafieklijnen
Bij een veldsterkte van 60 dB(µV/m) ofwel 1,0 mV/m moet goede ontvangst mogelijk zijn op een eenvoudige radio-ontvanger van doorsneekwaliteit.
• Rode lijnen
Voor goede ontvangst bij 50 dB(µV/m) of 0,32 mV/m is een betere ontvanger met goede antenne, of een gevoeliger radio nodig. De ontvangstkwaliteit is gevoelig voor hindernissen (heuvels, gebouwen, enz).


Deze grafieken zijn van toepassing voor de hoge zendtorens. Voor de kleinere zendtorens of pylonen kan de volgende formule gebruikt worden. Deze formule berekent de mogelijke afstand tussen twee punten in functie van de hoogte van de beide punten. Voor een antennehoogte van 20m is de berekende horizon 18km. Wordt aan ontvangstzijde een antenne geplaatst op 4m hoogte dan is de luisterafstand 26km. Hindernissen verkorten deze afstand.

6) De radio

Het doel van de radio is tweëerlei:
1) Selectie van het gewenste radiostation.
2) Het elektrisch signaal terug omzetten in geluidsgolven of -trillingen.

Alle zendfrequenties worden nu door een ontvangstantenne via de antenne-ingang van de radio-ontvanger opgevangen. De antenne zet het elektrisch veld dat ontvangen wordt om in elektrische signalen. Deze signalen worden in de eerste ontvangertrap gefilterd, om te voorkomen dat de zogenaamde spiegelfrequenties mee versterkt worden en worden ongewenste sterke signalen onderdrukt. Dat is nodig omdat anders in de eerste versterkertrap, die niet volledig lineair is, door menging ongewenste stoorsignalen zouden ontstaan (intermodulatie). De bandbreedte van dit ingangsfilter (Lin en Cin) is door zijn eenvoud veel groter dan de middenfrequent bandbreedte. Het signaal van de gewenste zender wordt verder versterkt een aangeboden aan de menger of mixer.

radio ontvanger blokschema

Blokschematische voorstelling van de AM- radio.

Verder wekt de lokale oscillator een signaal op met een frequentie gelijk aan de som van de frequentie van de te ontvangen zender en de middenfrequentue van 455kHz voor AM-omroepontvangers met bandbreedte van 9kHz voor LG (lange golfband) en MG (middengolfband), 10kHz voor de KG (korte golfband) en 10,7MHz voor de FM-omroepband (VHF-II) met een bandbreedte van 300kHz.. Tot het begin van de jaren zeventig van de vorige eeuw werd voor de afstemming vrijwel altijd gebruik gemaakt van een regelbare afstemcondensator die tenminste twee secties heeft: de ene voor de oscillator en de andere voor het preselectiefilter. Zowel de oscillatorfrequentie als de doorlaatband van het preselectiefilter worden bepaald door de resonantiefrequentie van een oscillatorkring, de LC-kring van één van de secties van de afstemcondensator en een spoel. De afstemcondensator en rest van de schakelingen zijn zo geconstrueerd dat de doorlaatband van het filter en de oscillatorfrequentie zo goed mogelijk een vast verschil houden, nl de middenfrequentie.

De mengtrap (mixer) mengt het signaal van de antenne met dat van de oscillator, waardoor het middenfrequentsignaal ontstaat. Dit wordt versterkt door de middenfrequentversterker, die een zeer nauwkeurig afgeregeld bandfilter bevat, bestaande uit meerdere filters achter elkaar, gescheiden door versterkertrappen. Bij AM-ontvangers is vrijwel altijd de versterking van de middenfrequent versterker regelbaar (automatische versterkingsregeling of AGC = Automatic Gain Control). Deze regeling zorgt ervoor dat het uitgangsniveau van de middenfrequent-versterker voor sterke- en zwakke zenders, die wel een factor 10.000 in niveau kunnen verschillen, min of meer constant is. Ook bij zenders waarvan de sterkte van het signaal bij wisselende atmosferische condities sterk kan fluctueren (fading, vooral bij AM) wordt het uitgangssignaal beter constant gehouden.

Bij ontvangst van FM wordt in de middenfrequent een hoge versterking en een begrenzer toegepast om het signaal een vast niveau te geven. Daardoor ontvangt de FM detector hoog signaal waardoor de storingen, die zich meestal in amplitude vastzetten, kunnen afgesneden worden. De demodulator wint het oorspronkelijke (audio)signaal terug uit het middenfrequent signaal. Dit signaal wordt verder versterkt en tenslotte door een of meer luidsprekers hoorbaar gemaakt. De audiobandbreedt is terug 20 tot 15.000Hz wat door het menselijk oor geobserveerd en in elektrische impulsen omgezet wordt naar de hersenen, het horen. Een FM stereodecoder in de radio-ontvanger kan terug L en R informatie onderscheiden. Een toegevoegde RDS decoder zet de zendernaam en korte berichten op een schermpje (LCD of 7-segment).

7) De luidspreker

De luidspreker zet het elektrisch signaal om in geluidsgolven. De werking is omgekeerd aan deze van de microfoon: Een spreekspoeltje kan vrij bewegen in de spleet van een permanente magneet. Door het spoeltje wordt het elektrisch audiosignaal van de versterker gestuurd waardoor het spoeltje een op- en neergaande beweging maakt met een snelheid gelijk aan de frequentie van de audiosignalen. De conus is aan dit spoeltje verbonden waardoor de luchtmoleculen in beweging gebracht worden. Dit is het ontstaan van de geluidsgolven die door het oor kunnen opgevangen worden. De grootte van de beweging dat de conus maakt is evenredig met de sterkte van het signaal en zal de luidheid van het audiosignaal weergeven. De diameter van de luidsprekerconus is bepalend voor de frequentieband dat een luidspreker kan weergeven. Een kleine diameter geeft het best de hoge tonen weer, een grote luidsprekerdiameter geeft beter de lage tonen weer, resp de tweeter en de woofer met daartussen mogelijks een middentoon luidspreker, de mid. In de luidsprekerkast, de box, is er een overgangsfilternetwerk aanwezig dat voor iedere luidspreker de juiste frequentieband doorgeeft. Dit is een elektrisch netwerkje van spoelen, condensatoren en weerstanden. Deze frequentiebanden zijn bijv. 10-250, 250-3.000 en 3.000-20.000Hz voor een zg driewegsysteem.

werking van de luidspreker
luidspreker overgangsfilter
luidsprekerkast
Samenstelling van de luidspreker.
Luidspreker overgangsfilter.
Luidsprekerkast type bass reflex.

Goede luidsprekersystemen kunnen perfect de audiobandbreedte van 15 tot 20.000Hz weergeven. Het kunnen weergeven van de extreme lage en hoge frequenties bepaalt de kwaliteit en de kostprijs van een luidsprekerkast.

8) Het menselijk oor en horen

Het horen is een ingewikkeld proces. Het oor zet de natuurlijke (omgevingsgeluiden) of kunstmatige geluidsgolven (via de luidspreker) om in elektrische signalen die door de hersenen als horen ervaren wordt.

inwendige van het oor
 
De voorstelling van het oor.
De werking van het oor.

Het frequentiebereik van het oor loopt vanaf 20Hz tot 20.000Hz bij jongere mensen, 16.000Hz bij middelbare leeftijd en daalt af tot ongeveer 10.000Hz bij oudere mensen. Ook de gevoeligheid van de lage tonen daalt bij oudere leeftijd. De gehoorsbeentjes, hamer, aanbeeld en stijgbeugel, trillen mee aan dezelfde audiofrequentie. Bij het ouder worden daalt de bewegelijkheid van deze beentjes waardoor de oorgevoeligheid daalt. De oorgevoeligheid is daarenboven afhankelijk van de frequentie en de luidsterkte. Hoe luider het omgevingsgeluid is, hoe minder gevoelig het oor wordt. Het verloop van de oorgevoeligheid is logaritmisch. Er is de geluidsdrempel waarbij het oor juist wel een geluid kan waarnemen, vanaf 0dB, en de pijndrempel waarbij het horen als pijnlijk ervaren wordt is140dB. Bij dergelijke hoge geluidsdrukken kan het trommelvlies beschadigd worden.
De oorgevoeldigheid in functie van frequentie en luidsterkte is gegevens in onderstaande grafiek.

gehoorcurve

De oorgevoelighiedscurven van Fletcher Munson (1933).

1) De lijnen stellen gelijke luidheid (isofoon) voor.
2) Het oor is het gevoeligst voor frequenties tussen 2000Hz en 5000Hz.
3) Bij zeer hoge geluidsintensiteit is de oorgevoeligheid quasi gelijk voor het hele audiospectrum.
4) Het oor heeft een lage gevoedligheid voor de lage tonen. Bij laag ingesteld volume van een versterker worden de lage tonen meer versterkt.
5) De oorgevoeligheid verloopt logaritmisch. Volumepotentiometers in audioversterkers hebben een omgekeerd logaritmisch verloop, met name de type B potmeters.