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Arten der Signalmodulation
Arten der Signalmodulation

Radio

Die Bedienung eines Funkgeräts kann in mehreren Schritten beschrieben werden. Ein Mikrofon empfängt die Stimme und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Das Signal wird dann von Sendeelementen in mehreren Stufen verarbeitet und über ein Kabel an die Sendeantenne zurückgesendet.

Dasselbe Signal wird von der Sendeantenne in elektromagnetische Wellen umgewandelt, die an eine Empfangsantenne gesendet werden. Die elektromagnetischen Wellen, die durch die Umwandlung des vom Mikrofon erzeugten elektrischen Signals entstehen, breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, reflektieren die Ionosphäre und landen in einer Empfängerantenne.
Terrestrische Relais werden verwendet, um sicherzustellen, dass die Wellen Empfänger erreichen, die sich weit vom Sender entfernt befinden. Auch Satelliten können verwendet werden.

Sobald die elektromagnetischen Wellen den Empfänger erreichen, wandelt die Empfangsantenne sie in ein elektrisches Signal um. Dieses elektrische Signal wird dann über ein Kabel an den Empfänger übertragen. Es wird dann von den Empfängerelementen in ein akustisches Signal umgewandelt.
Das so erhaltene Tonsignal wird von den Lautsprechern in Form von Klängen wiedergegeben.

Sender und Empfänger

Der Sender ist ein elektronisches Gerät. Es sorgt für die Übertragung von Informationen durch das Aussenden von Funkwellen. Es besteht im Wesentlichen aus drei Elementen : dem Oszillationsgenerator, der die Umwandlung des elektrischen Stroms in die Hochfrequenzschwingung gewährleistet,
der Wandler, der die Übertragung von Informationen über ein Mikrofon sicherstellt, und der Verstärker, der je nach gewählter Frequenz die Verstärkung der Kraft der Schwingungen gewährleistet.

Der Empfänger wird verwendet, um die vom Sender ausgesendeten Wellen aufzunehmen. Es besteht aus mehreren Elementen : dem Oszillator, der das eingehende und das ausgehende Signal verarbeitet, und dem Verstärker, der die erfassten elektrischen Signale verstärkt.
der Demodulator, der die exakte Weiterübertragung des Originaltons gewährleistet, die Filter, die die Eliminierung von Signalen gewährleisten, die die richtige Wahrnehmung der Nachrichten beeinträchtigen könnten, und der Lautsprecher, der dazu dient, die elektrischen Signale in Tonbotschaften umzuwandeln, damit sie vom Menschen wahrgenommen werden können.

Erinnerungen an verschiedene Luftverkehrsträger

HF-Träger

Wir hören manchmal von "Träger" (carrier auf Englisch) oder "HF-Träger", ohne wirklich zu wissen, was es ist. Ein Träger ist einfach ein Signal, das als Medium dient, um das nützliche Signal zu übertragen (dasjenige, das Sie übertragen möchten, z. B. Sprache, Musik, analoge oder digitale Daten).
Wenn wir im Bereich der analogen Übertragungen bleiben, ist der Träger ein einfaches und einzigartiges sinusförmiges Signal. Im Bereich des digitalen Rundfunks (z. B. DVB-T und DVB-T) gibt es eine Vielzahl von Trägern, die die zu übertragenden Informationen gemeinsam nutzen.
Wir werden hier nicht über den Fall dieser Multi-Carrier sprechen. Die Besonderheit eines Trägers besteht darin, dass er mit einer viel höheren Frequenz schwingt als die maximale Frequenz des zu übertragenden Signals. Angenommen, Sie möchten eine gesprochene oder gesungene Rede 10 km weit übertragen (oder im Schwarzen, wenn der Sprecher schnell spricht).
Es wird ein einzelner Sender verwendet, der "Wellen aussendet", die mehrere Empfänger gleichzeitig empfangen können.

Aber Physik kann nicht erfunden werden. Wenn Sie die Stimme des Sprechers übertragen möchten, indem Sie einfach eine kabelgebundene Schleife oder eine riesige Antenne an den Ausgang des NF-Verstärkers anschließen, funktioniert dies, aber nicht sehr weit (zählen Sie ein paar Meter oder sogar Dutzende von Metern).
Damit die Übertragung über eine angenehme Distanz erfolgen kann, muss eine Trägerwelle verwendet werden, die als Vermittler fungiert und weniger Schwierigkeiten hat, Entfernungen zu überwinden. Die Wahl der Frequenz dieser Trägerwelle hängt ab von :

- die Art der zu übertragenden Informationen (Sprache, Radio, Nachrichten oder digitales HD-TV),

- erwartete Leistung;

- die Entfernung, die Sie zurücklegen möchten,

- die Entlastung des Geländes zwischen Sender und Empfänger (ab 50 MHz breiten sich die Wellen immer mehr geradlinig aus und fürchten Hindernisse),

- den Preis, den Sie Ihrem Stromversorger oder Batteriehändler zu zahlen bereit sind,

- Genehmigungen, die uns die zuständigen Behörden zu erteilen bereit sind.

Denn Sie können sich die Probleme der Wellen vorstellen, die kollidieren, wenn niemand käme, um ein wenig Ordnung in diese Sache zu bringen ! All dies ist stark reguliert, und für diese oder jene Übertragungsart (CB, Rundfunk, Fernsehen, Mobiltelefone, Radare usw.) sind Frequenzbereiche reserviert.
Zusätzlich zu diesen Frequenzbereichsreservierungen sind ziemlich strenge technische Eigenschaften der Sendekreise erforderlich, um das Risiko von Interferenzen mit anderen Geräten, die nicht unbedingt in denselben Frequenzbereichen arbeiten, so weit wie möglich zu begrenzen.
Zwei benachbarte Sendekreise, die mit sehr hohen Frequenzen und nahe beieinander arbeiten, können einen Empfänger, der in einem viel niedrigeren Frequenzbereich arbeitet, sehr gut stören. Dies gilt insbesondere, wenn die Geräte hausgemacht sind und sie in der HF-Ausgabe unzureichend gefiltert sind.
Kurz gesagt, bevor Sie sich in den Bereich des Rundfunks wagen, ist es besser, einige Kenntnisse über die damit verbundenen Interferenzrisiken zu haben.
Frequenzmodulations-Übertragung
Frequenzmodulations-Übertragung

Frequenzmodulation (FM)-Übertragung

Bei dieser Transportart haben wir einen Träger, dessen Amplitude unabhängig von der Amplitude des modulierenden Signals konstant bleibt. Anstatt die Amplitude des Trägers zu ändern, wird seine Momentanfrequenz geändert. Ohne Modulation (Amplitude des Modulationssignals gleich Null) bleibt die Frequenz des Trägers auf einem perfekt definierten und stabilen Wert, der als Mittenfrequenz bezeichnet wird.
Der Wert der Trägerfrequenzverschiebung hängt von der Amplitude des modulierenden Signals ab : Je größer die Amplitude des modulierenden Signals, desto weiter entfernt sich die Trägerfrequenz von ihrem ursprünglichen Wert. Die Richtung der Frequenzverschiebung hängt von der Polarität des Wechsels des modulierenden Signals ab.
Bei einem positiven Wechsel wird die Frequenz des Trägers erhöht, bei einem negativen Wechsel wird die Frequenz des Trägers verringert. Aber diese Wahl ist willkürlich, wir könnten sehr wohl das Gegenteil tun ! Das Ausmaß der Variation der Trägerfrequenz wird als Frequenzabweichung bezeichnet.
Die maximale Frequenzabweichung kann unterschiedliche Werte annehmen, z.B. +/-5 kHz für eine Trägerfrequenz von 27 MHz oder +/-75 kHz für eine Trägerfrequenz von 100 MHz.
Die folgenden Diagramme zeigen ein modulierendes Signal mit einer festen Frequenz von 1 kHz, das einen Träger von 40 kHz moduliert (die horizontale Skala ist gut erweitert, um besser zu sehen, was bei allen Variationen passiert).

Echtes Audiosignal

Wenn wir das feste modulierende Signal von 1 kHz durch ein echtes Audiosignal ersetzen, sieht es so aus.
Dieser zweite Kurvensatz ist ziemlich aufschlussreich, zumindest für die grüne Kurve, für die die maximale Frequenzabweichung sehr klar ist, weil sie "gut eingestellt" ist. Wenn wir die Entsprechung zwischen dem modulierenden Signal (gelbe Kurve) und dem modulierten Träger (grüne Kurve) herstellen, können wir perfekt sehen, dass die Schwankungen in der Amplitude des Trägers langsamer sind
- was gut einer niedrigeren Frequenz entspricht - wenn das modulierende Signal auf seinem niedrigsten Wert ist (negative Spitze).
Andererseits wird die maximale Frequenz des Trägers für die positiven Spitzen des modulierenden Signals erhalten (auf den Kurven etwas weniger leicht zu erkennen, aber wir spüren es bei den am meisten "gefüllten" Teilen).
Gleichzeitig bleibt die maximale Amplitude des Trägers vollkommen konstant, es gibt keine Amplitudenmodulation in Bezug auf das modulierende Quellsignal.
Ein Funkempfänger kann einfach sein
Ein Funkempfänger kann einfach sein

Empfang

Um einen FM-Empfänger herzustellen, können Sie mit wenigen Transistoren oder mit einem einzigen integrierten Schaltkreis (z. B. einem TDA7000) auskommen. Aber in diesem Fall erhalten wir eine Standard-Hörqualität. Für ein "High-End"-Hören muss man aufs Ganze gehen und das Thema gut kennen. Und das gilt umso mehr, wenn es um die Dekodierung eines Stereo-Audiosignals geht.
Und ja, ohne Stereo-Decoder haben Sie ein Mono-Signal, bei dem der linke und der rechte Kanal gemischt werden (wenn das Radioprogramm natürlich in Stereo ausgestrahlt wird). Aus Hochfrequenzsicht ist das Quellsignal in der Amplitude des Trägers nicht sichtbar und Sie können mit einem Gleichrichter/Filter, wie er in einem AM-Empfänger verwendet wird, nicht zufrieden sein.
Da das Nutzsignal in den Frequenzschwankungen des Trägers "versteckt" ist, muss ein Weg gefunden werden, diese Frequenzschwankungen in Spannungsschwankungen umzuwandeln, ein Prozess, der das Gegenteil (Spiegel) des für die Übertragung verwendeten Prozesses ist.

Das System, das diese Funktion ausführt, wird als FM-Diskriminator bezeichnet und besteht im Wesentlichen aus einem oszillierenden (und resonanten) Kreis, dessen Frequenz-/Amplitudengang die Form einer "Glocke" hat. Für die Unterscheidungsfunktion können diskrete Komponenten (kleine Transformatoren, Dioden und Kondensatoren) oder ein spezieller integrierter Schaltkreis (z. B. SO41P) verwendet werden.

Digitale Übertragung

In ihrer einfachsten Anwendung gibt eine digitale Übertragung dem Träger die Möglichkeit, zwei mögliche Zustände zu haben, die einem hohen logischen Zustand (Wert 1) oder einem niedrigen logischen Zustand (Wert 0) entsprechen.
Diese beiden Zustände können durch eine unterschiedliche Amplitude des Trägers (offensichtliche Analogie zur Amplitudenmodulation) oder durch einen anderen Wert seiner Frequenz (Frequenzmodulation) identifiziert werden.
Im AM-Modus können wir beispielsweise entscheiden, dass eine Modulationsrate von 10 % einem niedrigen Logikzustand und eine Modulationsrate von 90 % einem hohen Logikzustand entspricht.

Im FM-Modus können Sie beispielsweise entscheiden, dass die Mittenfrequenz einem niedrigen Logikzustand und eine Frequenzabweichung von 10 kHz einem hohen Logikzustand entspricht.
Wenn Sie eine sehr große Menge an digitalen Informationen in sehr kurzer Zeit und mit starkem Schutz vor Übertragungsfehlern übertragen möchten (erweiterte Fehlererkennung und -korrektur), können Sie mehrere Träger gleichzeitig übertragen und nicht nur einen.
Zum Beispiel 4 Spediteure, 100 Spediteure oder mehr als 1000 Spediteure.
Dies geschieht beispielsweise für das digitale terrestrische Fernsehen (DVB-T) und das digitale terrestrische Radio (DVB-T).

In alten Fernbedienungen für maßstabsgetreue Modelle konnte eine sehr einfache digitale Übertragungsfunktion verwendet werden : Aktivierung oder Deaktivierung des HF-Trägers des Senders, mit einem Empfänger, der einfach das Vorhandensein oder Fehlen des Trägers erkannte (ohne Träger hatten wir viel Atem, also "BF" von hoher Lautstärke,
und in Gegenwart eines Trägers verschwand der Atem, das Signal "BF" verschwand).
Bei anderen Arten von Fernsteuerungen wurde ein Prinzip der "Proportionalität" implementiert, das es ermöglichte, mehrere Informationen hintereinander zu übertragen, indem einfach monostabile Informationen verwendet wurden, die Schlitze unterschiedlicher Dauer erzeugten. Die Dauer der empfangenen Impulse entsprach sehr genauen "numerischen" Werten.

Sprach- oder Musikübertragung

Die Übertragung von Sprache erfordert keine große Tonqualität, solange es sich um die Übermittlung einer Informationsbotschaft handelt. Die Hauptsache ist, dass wir verstehen, was gesagt wird. Andererseits erwarten wir mehr von der Qualität der Übertragung, wenn es um die Stimme oder Musik eines Sängers geht.
Aus diesem Grund beruhen die für ein Paar Gegensprechanlagen oder Walkie-Talkies verwendeten Übertragungsmethoden und die für den Rundfunk verwendeten Übertragungsmethoden nicht auf streng identischen Regeln. Wir können nicht sagen, dass wir mit Frequenzmodulationsübertragung einen notwendigerweise besseren Klang haben als mit Amplitudenmodulation (AM auf Französisch, AM auf Englisch).
Auch wenn es offensichtlich ist, dass Ihr Hifi-Tuner im UKW-Band 88-108 MHz bessere Ergebnisse liefert. Wenn Sie wollen, können Sie in AM ziemlich gut und in FM sehr schlecht abschneiden. Genauso wie man sehr gutes analoges Audio und sehr schlechtes digitales Audio machen kann.
Wenn Sie Musik von einem Raum in einen anderen in Ihrem Haus oder von der Garage in den Garten übertragen möchten, können Sie einen kleinen Radiosender bauen, der auf dem UKW-Band oder auf dem Kleinwellenband (PO auf Französisch, MW auf Englisch) senden kann, in diesem Fall kann ein kommerzieller Empfänger die Ergänzung übernehmen.
Bei FM erhalten Sie bessere Klangergebnisse, einfach weil die Rundfunkstandards eine ganz andere Bandbreite bieten als die in den AM-BÄNDERN (GO, PO und OC). Die höhere Empfindlichkeit eines AM-Empfängers gegenüber Umgebungsstörungen (atmosphärisch und industriell) hat ebenfalls viel damit zu tun.

"Langsame" analoge Datenübertragung

Hier geht es darum, einen analogen Wert wie eine Temperatur, einen Strom, einen Druck, eine Lichtmenge usw. zu übertragen, der zuvor in eine dazu proportionale Gleichspannung umgewandelt wird.
Es gibt mehrere Methoden und natürlich hat jede ihre Vor- und Nachteile, Sie können Amplitudenmodulation oder Frequenzmodulation verwenden. Der Begriff Amplitudenmodulation oder Frequenzmodulation ist etwas übertrieben, denn wenn der zu übertragende Analogwert nicht variiert,
Der Träger behält seine Amplituden- und Frequenzeigenschaften bei, die dem zu übertragenden Wert entsprechen. Aber wir müssen von der Größe sprechen, die variiert. Tatsächlich ist es nicht schwieriger, Informationen zu übermitteln, die wenig (wenn überhaupt) variieren, als Informationen, die sich schnell ändern.
Aber Sie können nicht immer einen klassischen AM- oder FM-Radiosender (kommerziell hergestellt oder in Bausatzform erhältlich) verwenden, da letzterer sehr wohl einen Tiefpassfilter am Eingang haben kann, der langsame Spannungsschwankungen begrenzt.

Und wenn ein Link-Kondensator in den Pfad des Eingangssignals implantiert wird, ist die Operation einfach unmöglich ! Einen solchen Emitter zu modifizieren, um ihn "kompatibel" zu machen, ist nicht unbedingt immer einfach...
Dies kann die Konstruktion einer speziellen Sender-/Empfängerbaugruppe für den Betrieb beinhalten.
Wenn wir das Problem jedoch von der Seite betrachten, stellen wir fest, dass wir sehr wohl ein Signal übertragen können, dessen Amplitude je nach Wert der zu übertragenden Dauerspannung selbst dazu führt, dass der Träger variiert. Und wenn das Zwischenmodulationssignal innerhalb des hörbaren Bandes liegt (z.B. zwischen 100 Hz und 10 kHz), dann kann der Einsatz eines herkömmlichen Funksenders wieder in Betracht gezogen werden.

Wie Sie sehen, ist ein einfacher Spannungs-/Frequenzwandler auf der Übertragungsseite und dessen Ergänzung zu einem Frequenz-/Spannungswandler auf der Empfängerseite eine Lösung unter anderen Beispielen.

Digitale Datenübertragung

Achten Sie darauf, "digitale Übertragung" und "digitale Datenübertragung" nicht zu verwechseln. Wir können analoge Informationen mit einem digitalen Übertragungsmodus übertragen, genauso wie wir digitale Daten mit einem analogen Übertragungsmodus übertragen können, auch wenn wir im letzteren Fall darüber diskutieren können.
Um digitale Daten mit einem analogen Übertragungsmodus zu übertragen, kann davon ausgegangen werden, dass die elektrischen Pegel der digitalen Signale dem Minimum und Maximum eines analogen Signals entsprechen.
Seien Sie jedoch vorsichtig mit der Form der digitalen Signale, die, wenn sie schnell und rechtwinklig sind, eine hohe Rate an Oberschwingungen enthalten können, die vom Sender nicht unbedingt verdaut werden können.
Es kann notwendig sein, die digitalen Daten mit Signalen zu übertragen, die eine "analoge Form" wie Sinus haben. Wenn die zu übertragenden digitalen Daten sehr wichtig sind (z. B. sicherer Zugang mit Zugangscode), müssen einige Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.

In der Tat kann in keinem Fall davon ausgegangen werden, dass die Übertragung von einem Punkt zum anderen fehlerfrei ist, und ein Teil der übertragenen Informationen kann sehr wohl nie oder verzerrt und unbrauchbar ankommen.
Die übermittelten Informationen können daher durch Kontrollinformationen (z. B. CRC) ergänzt oder einfach zwei- oder dreimal hintereinander wiederholt werden.
https : //onde-numerique.fr/la-radio-comment-ca-marche/

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