Stereotechnik

Grundprinzip der Stereofonie

Eine Schallinformation wirkt auf beide Ohren unterschiedlich, da der Schall durch die versetzte Lage der Ohren Wellenlängendifferenzen aufweist. Auf diesem zweikanaligen Weg kann die Lage einer Schallquelle leicht ermittelt werden.

Bild 1 : Hörvorgang

Die Stereoübertragung ist im Bild 2 dargestellt. In diesem Falle wird senderseitig der Schall mit zwei Mikrofonen umgewandelt, wobei diese in einem bestimmten Abstand stehen um den Hörvogang des menschlichen Ohres nachzubilden. Die beiden Signale werden getrennt voneinander übertragen und dann auch getrennt wieder in Schall zurück verwandelt. Dabei müssen die empfangsseitigen Wandler ebenfalls einen Abstand zueinander aufweisen, damit das räumliche Hören ermöglicht wird. Diese getrennte Übertragung der Schallinformation ist das Grundprinzip der Stereofonie ( = Zweikanal-Übertragung), im Gegensatz zur Monofonie ( = Einkanal-Übertragung). Bei der Monouralen Übertragung (meist nur als MONO bezeichnet) wird nur ein Kanal für die Übertragung verwendet, was bedeutet, daß es in diesem Fall keine Möglichkeit gibt, die räumliche Lage der Schallquelle festzustellen. Dies ist aber für eine möglichst naturgetreue Nachrichtenübertragung nicht ausreichend. Während die monourale Übertragung nur die Übertragung von einem Punkt im Raum darstellt, erfolgt bei der stereofonen Übertragung (meist nur als STEREO bezeichnet) die getrennte Übertragung der rechten und linken Seite einer Schallinformation. Die bei der getrennten Wiedergabe auftretende Überlagerung der Schallwellen bewirkt den räumlichen Höreindruck.

Bild 2 : Oben : Monourale Übertragung

Unten : Stereofone Übertragung

Die Stereoübertragung stellt also im Prinzip die gleichzeitige Übertragung von zwei unterschiedlichen Signalen dar, die sich auf dem Übertragungskanal jedoch keinesfalls gegenseitig beeinflussen dürfen. In einem leitungsgebundenen System treten dabei keine Probleme auf. Für eine Rundfunkübertragung wäre es am einfachsten, wenn man für jeden Kanal je einen Sender und einen Empfänger verwenden würde. Das ist wegen des erforderlichen Aufwandes keine sinnvolle Lösung. Deswegen verwendet man Multiplexverfahren, welche die Abstrahlung der beiden Signale über einen Sender ermöglichen. Um eine hochwertige Übertragung zu erreichen, wird dieser Stereo-Rundfunk nur im UKW-Bereich durchgeführt, da im UKW-Bereich eine höhere Bandbreite zur Verfügung steht und dadurch die Übertragung des Rundfunksignals durch den Zusatz des Stereosignals nicht beeinflußt wird.

Kompatibilität

Da es im Anfangsstadium des Rundfunks nur MONO-Empfänger gegeben hat, muß man die MONO-Empfänger auch bei STEREO-Übertragungen weiter verwenden können. Andererseits müssen STEREO-Empfänger auch bei MONO-Übertragungen funktionieren, wobei in diesem Fall dann beide Kanäle identisch sind.

Für die Stereoübertragung läßt sich leicht erkennen, daß nicht einfach das Signal des linken Kanals (L-Kanal) und das des rechten Kanals (R-Kanal) durch getrennte Modulation übertragen werden darf, weil für den MONO-Empfänger in jedem Falle die gesamte übertragene Information zur Verfügung stehen muß. Diese ergibt sich aus der Summe L+R. Beim STEREO-Empfänger hingegen müssen L und R als getrennte Signale zur Verfügung stehen. Die Bildung eines entsprechenden Multiplexsignales ermöglicht es, beide Forderungen zu erfüllen.

STEREO-Multiplexsignal

Ausgangspunkt für das STEREO-Multiplexsignal ist die Bildung des Summensignals L+R und eines Differenzsignales L-R. Während L+R in natürlicher Lage bleibt und damit den MONO-Empfang sicherstellt, wird das Differenzsignal durch Zweiseitenband-AM mit unterdrücktem Träger von 38 kHz frequenzmäßig entsprechend verschoben. Beide Anteile des Gesamtsignales haben den für FM üblichen Tonfrequenzbereich von 50 Hz bis 15 kHz. Es ergibt sich also als größte Frequenz im Signal 53 kHz.

Bild 3 : STEREO-Multiplexsignal

Das STEREO-Multiplexsignal besteht neben den eben angeführten Komponenten auch noch aus einem Signalanteil bei 19 kHz, die sogenannte Pilotfrequenz. Diese Frequenz hilft auf der Empfängerseite bei der Rückgewinnung von L und R und dient ebenso der Erkennung eines STEREO-Signals für den STEREO-Decoder.

STEREO-Coder

Die schaltungstechnische Aufbereitung des STEREO-Multiplexsignals erfolgt durch den STEREO-Coder. Das Ausgangssignal des STEREO-Coders dient als Modulationssignal für den FM-Sender. In Bild 4 ist eine Möglichkeit für den Aufbau eines STEREO-Coders dargestellt.

Bild 4 : STEREO-Coder

Im Weg des Differenzsignales wird vom Generator ein 19 kHz-Pilotsignal erzeugt, welches dem Ausgangs-OPV zugeführt wird. Dieses Signal wird mit dem Faktor 2 multipliziert um den für die Übertragung notwendigen Träger von 38 kHz zu erzeugen. Das Signal wird einem Multiplikator zugeführt, welcher dann folgende mathematische Operation durchführt :

sin w t sin w t = [cos (w -w t - cos (w +w t]

Träger Signal = USB , OSB

Der Träger fällt dadurch weg, weil, wie man sieht, kein w alleine vorkommt.

1) STEREO-Decoder

Wird bei der STEREO-Übertragung ein MONO-Empfänger verwendet, dann werden nach der Demodulation die über dem Summensignal liegenden Frequenzanteile (über dem Pilotton) nicht mehr ausgewertet. Für den STEREO-Empfänger muß jedoch das im STEREO-Coder aufbereitete Signal wieder in L und R aufgeteilt werden. Diese Aufgabe erfüllt der STEREO-Decoder (Bild 5). Er befindet sich nach dem Demodulator des Empfängers. Im unteren Tiefpaß werden die Anteile des Summensignals L+R herausgefiltert. Mit dem mittlerem Bandpaß wird die Pilotfrequenz bei 19 kHz herausgefiltert. Die Pilotfrequenz ist mit 19 kHz günstig gewählt. Da der Bereich zwischen 15 kHz und 23 kHz im STEREO-Multiplexsignal keine Informationen enthält, kann das Signal der Pilotfrequenz mit einem Bandpaß ausgesiebt werden, an dessen Flankensteilheit keine besonderen Ansprüche gestellt werden. Die Pilotfrequenz wird im Empfänger auf 38 kHz verdoppelt. Hätte man die Pilotfrequenz gleich mit 38 kHz übertragen, wäre empfängerseitig ein Bandpaß mit steiler Flanke erforderlich, da sich sonst Anteile der 50 Hz daneben beginnenden Seitenbänder störend bemerkbar machen würden. Mit dem obersten Bandpaß wird das Differenzssignal L-R im Bereich zwischen 23kHz und 53kHz herausgefiltert (siehe Bild 3). Der herausgefilterte Träger wird verdoppelt, damit man den eigentlich notwendigen Träger von 38 kHz erhält. Durch den Multiplikator wird folgende mathematische Operation durchgeführt :

sin (w + w t sin w t = [cos w t - cos (w + 2w t]

OSB Träger Signal wegfiltern

Das Wegfiltern des Funktionsbereiches wird durch den Tiefpaß mit f_g = 15 kHz erreicht. Nach dem Tiefpaßfilter erhält man das ursprüngliche Differenzsignal L-R. Durch vorzeichenrichtige Addition der beiden Signale (Summen- und Differenzsignal) ergibt sich dann bei jedem Kanal ein Signal 2 L oder 2 R, welches durch die darauffolgende Schaltung in L und R umgewandelt wird.

Bild 5 : STEREO-Decoder

2) Schalt-Decoder

Das Differenzsignal ist wie schon erwähnt eine Amplitudenmodulation ohne Träger. Dieses Differenzsignal wird mit dem Summensiganl über einen Multiplikator addiert. Im Bild 6 erkennt man, daß bei einer Addition der eingezeichneten Punkte jeweils entweder 2 L oder 2 R als Ergebnis herauskommt. Die Punkte dürfen aber nicht beliebig gewählt werden, sondern müssen jene sein, wo ein Punkt der Trägerfrequenz mit einem Punkt der Signalfrequenz zusammenfällt. Als Abtastfrequenz wird die doppelte Pilotfrequenz verwendet (38 kHz - Abtasttheorem ist dann erfüllt, weil zumindest die doppelte Signalfrequenz als Abtastfrequenz vorhanden sein muß). Im Bild 6 ist als letztes Signal jenes dargestellt, welches vom FM-Sender gesendet wird, und damit auch vom Empfänger empfangen wird (ohne Pilotton, da dieser konstant 19 kHz und für die Darstellung nicht interessant war). Beim ersten Signal aus Bild 6 sehen wir das Differenzsignal, wobei in der Hüllkurve das Bild des Differenzsignals steckt. Das zweite Signal ist das niederfrequente Summensignal.