home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Unsorted BBS Collection / thegreatunsorted.tar / thegreatunsorted / texts / pirate_radio / radio.faq < prev    next >
Text File  |  2001-02-10  |  24KB  |  387 lines

  1.  
  2.                       Theory of AM, FM, and FM Stereo
  3.                       ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  4.                     (A minor treatise on radio theory)
  5.  
  6.                          By: Steve J. Quest, BSEE
  7.  
  8.  
  9.      Preface
  10.  
  11.      For most people associated with radio, either as users or producers, the
  12. need to know how radio works is, for the most part, unimportant.  For the
  13. amateur radio broadcaster however, this need to know is crucial.  Amateur or
  14. `MicroPower' broadcasting is currently forbidden in many countries, tho its
  15. popularity is growing.  Since there is relatively little information
  16. available to the MicroPower enthusiast, I have been asked to prepare a minor
  17. treatise on the subject of radio theory.  This primer will be written
  18. specifically to educate those interested in MicroPower broadcasting, with no
  19. assumption made to any prior electronic and/or radio knowledge.  I hope this
  20. text will prove very helpful in developing an intuitive understanding of the
  21. principles of AM, FM, and FM Stereo radio broadcasting.
  22.                                                                    S. Quest
  23.                                                                Oct 30, 1994
  24.  
  25.  
  26.      Chapter 1 - Overview of AM, FM, and FM Stereo.
  27.  
  28.      The first method of transmission that was developed with the capability
  29. of broadcasting voice and music was an Amplitude Modulated (AM) system.  In
  30. an AM system, the audio is conveyed from the transmitter to the receiver by
  31. causing the amplitude (size proportions of the wave) of the Radio Frequency
  32. (RF) carrier to vary in accordance with the audio waveform.  Below is an
  33. illustration of an audio waveform, an RF waveform and an AM waveform.
  34.  
  35.          Vp+         ..                                     ..
  36.                    .    .                                 .   
  37.                  .        .                             .     
  38.                .            .                         .       
  39.              .                .                     .         
  40. Audio      0 -------------------------------------------------
  41. Sine wave                       .                .            
  42.                                   .            .              
  43.                                     .        .                
  44.                                       .    .                  
  45.          Vp-                            ..                    
  46.  
  47.  
  48.  
  49.          Vp+   ^        ^        ^         ^         ^        
  50.               . .      . .      . .       . .       . .       
  51.               . .      . .      . .       . .       . .       
  52.              .   .    .   .    .   .     .   .     .   .      
  53.              .   .    .   .    .   .     .   .     .   .      
  54. RF         0 -------------------------------------------------
  55. Carrier          .   .     .   .    .   .     .   .     .   . 
  56.                  .   .     .   .    .   .     .   .     .   . 
  57.                   . .       . .      . .       . .       . .  
  58.                   . .       . .      . .       . .       . .  
  59.          Vp-       v         v        v         v         v   
  60.  
  61.  
  62.  
  63.          Vp+            ^                          ^          
  64.                ^       . .                ^       . .        ^
  65.               . .      . .               . .      . .       . 
  66.              .   .    .   .      ^      .   .    .   .     .  
  67.              .   .    .   .    .   .    .   .    .   .     .  
  68. AM         0 -------------------------------------------------
  69. Waveform         .   .     .  .     .  .     .   .    .   .   
  70.                  .   .     .  .      v       .   .    .   .   
  71.                   . .       ..                . .      . .    
  72.                   . .       v                  v       . .    
  73.          Vp-       v                                    v     
  74.  
  75.  
  76.  
  77.      The frequency of the RF Carrier (the stations frequency) is assigned to
  78. a given station by the Federal Communications Commission (FCC).  Since it is
  79. unlawful to operate as an unlicensed MicroPower radio station, one must
  80. therefore choose their own frequency of operation.  You must be _very_
  81. careful, for if you were to assign yourself a frequency that interfered with
  82. a commercial station that was outside of your reception area, but was being
  83. received by someone inside your area (using a better receiver or antenna),
  84. you can expect trouble with the FCC.  I can not stress enough the importance
  85. of non-interference with commercial broadcasting stations.
  86.  
  87.      The AM broadcast band ranges from 540 Kilohertz (Khz) to 1.6 Megahertz
  88. (Mhz).  The stations are assigned so that the minimum separation between
  89. carrier frequencies of adjacent stations is 10 Khz.  Normally, in an average
  90. population density, this separation is exaggerated proportionate to the
  91. number of stations in the area, however the minimum separation between
  92. adjacent stations must be at least 10 Khz.
  93.  
  94.      A major disadvantage of an AM transmission system is its sensitivity to
  95. electrical noise.  This noise most commonly manifests itself as a rapid and
  96. irregular variation of the amplitude of the RF carrier.  The demodulator of
  97. the AM receiver will recover such amplitude modulations and incorporate it
  98. right along with the audio impressed upon the carrier.  This disadvantage was
  99. largely overcome however by the invention of Frequency Modulation (FM). 
  100. Under Frequency Modulation, the carrier wave deviates in frequency a small
  101. range in accordance with the audio waveform.  In an FM transmission, the
  102. instantaneous amplitude of the audio signal determines the extent of the
  103. deviation of the carrier from the selected center (operational) frequency.
  104.  
  105.      The noise immunity of FM transmissions results primarily from the fact
  106. that FM demodulators (the device that removes the audio information from the
  107. modulated signal) respond to variations in frequency rather than to
  108. variations in amplitude.  By incorporating amplitude limiters or `clippers'
  109. into the receiver, most of the amplitude variations that may have been
  110. produced by undesired electrical noise can be removed, or clipped off.  As a
  111. result, FM transmissions are virtually free of noise as compared with AM.  As
  112. with any system however, FM is not 100% noise free.  A certain amount of
  113. noise will be generated inside the radio receiver itself, and no FM
  114. demodulator is perfectly immune to amplitude variations.
  115.  
  116.      It is also found that the high frequency portions of the audio spectrum
  117. contribute more noise to FM reception than do the lower frequencies.  The
  118. highs therefore tend to have a lower Signal to Noise Ratio than the lows. 
  119. The noise contribution of the high frequency region can be reduced by
  120. transmitting the highs at _increased_ relative volume levels and then
  121. reducing the level by the same amount at the receiver.  This boosting of the
  122. highs at the transmitter is known as Preemphasis and the reduction of the
  123. highs at the receiver is called Deemphasis.  For realistic reproduction, the
  124. amount of deemphasis at the receiver must equal the preemphasis at the
  125. transmitter.  Simple networks are utilized to achieve this as specified by
  126. the FCC.  The time constant for use within the United States is specified at
  127. 75 microseconds.  In Europe and some other countries this time constant is
  128. usually 50 microseconds.
  129.  
  130.      Noise free reception by itself is not necessarily high-fidelity
  131. reception (Hi-Fi).  High-fidelity reception requires that all audio frequency
  132. components in a musical passage be transmitted and reproduced at the
  133. receiver.  This in turn requires that the width of the transmission channel,
  134. plus or minus from center, (bandwidth) be sufficiently wide to accommodate
  135. the major portion of the audio spectrum.
  136.  
  137.      The FM broadcast band ranges from 88 to 108 Mhz.  Stations are located
  138. in the band at 200 Khz intervals in odd tenths of a megahertz (e.g. 88.1,
  139. 88.3, 88.5 and so on.).  Note that the FM broadcast band makes use of a
  140. portion of the RF spectrum that is about 100 times as high as that used for
  141. the AM broadcast band.  The width of the transmission channel allocated for
  142. each FM station is 200 Khz while the channel width for an AM station in the
  143. AM band can not exceed 10 Khz.  Given this greater channel width allotment by
  144. the FCC, a much greater range of audio frequencies may be transmitted than is
  145. possible with the narrow channels of the AM band.  The FCC permits FM
  146. transmission of audio frequencies ranging from 50 to 15,000 Hertz while AM
  147. transmissions may not exceed 5,000 Hz.  If AM audio impression was to exceed
  148. 5,000 Hz, the bandwidth would exceed the 10 Khz and thus interfere with
  149. adjacent stations (10 Khz apart).  The wider FM bandwidth is what accounts
  150. for the higher fidelity of FM transmissions as compared with AM.
  151.  
  152.      The FM-Stereo system is an enhancement of the original FM monaural
  153. system and is capable of transmitting two independent audio channels via one
  154. frequency modulated RF carrier.  FM-Stereo receivers can receive stereo
  155. broadcasts in stereo while monaural receivers can reproduce the same
  156. broadcast monaurally with no detectable degradation of fidelity.  In other
  157. words, a monaural receiver is compatible with stereo signal transmission.
  158.  
  159.      In regular monophonic FM transmission, the highest audio frequency
  160. transmitted is 15,000 Hz.  An examination of the system capabilities however
  161. reveals that it is possible to transmit modulating frequencies up to 75 Khz,
  162. well beyond the hearing range of humans.  The modulating frequency spectrum
  163. space between 15 and 75 Khz is used to transmit the second channel of audio
  164. information required for FM stereo transmissions.  The second channel of
  165. encoded audio information is placed above the audio spectrum in the main
  166. channel by amplitude modulating (with the carrier suppressed) a subcarrier
  167. (carrier within a carrier) whose frequency is 38 Khz.  The sidebands (a
  168. modulated signal with suppressed carrier) of the modulated subcarrier are
  169. then added to the modulating signal of the main audio channel to form a
  170. composite FM signal that contains audio information that the stereo receiver
  171. may process to form independent left and right audio channels for stereo
  172. sound reproduction.  The only difference between monaural and stereo
  173. receivers is the fact that stereo receivers have added circuitry to derive
  174. two independent channels (audio left and right) from the transmitted FM-
  175. Stereo signal.
  176.  
  177.  
  178.      Chapter 2 - Aspects of Radio Waves.
  179.  
  180.      It is a well known fact that radio waves are produced at the antennas of
  181. radio transmitters and that these waves carry the impressed information
  182. (acoustic audio, digital intelligence, etc.) from the transmitting antenna to
  183. the receiving antenna.  The following paragraphs will describe several
  184. aspects of radio wave generation, propagation, and reception.
  185.  
  186.      A simple radio transmitter consists of an RF oscillator, and RF
  187. amplifier, and a transmission line that feeds the center of a simple (dipole)
  188. antenna.  Electron currents are caused to flow up and down the dipole by the
  189. alternating voltage applied at the center of the dipole.  Obviously, the
  190. dipole antenna does not form a complete electrical circuit in the
  191. conventional sense.  The result is that electrical charges develop at the
  192. ends of the dipole with one end being positive and the other being negative
  193. alternately at the frequency of the carrier wave.  This separation of charge
  194. between the elements of the dipole produces an electric field in the space
  195. surrounding the antenna.  Further, a magnetic field is produced by the
  196. electron currents flowing up and down the antenna.  Thus, both electric and
  197. magnetic fields are produced around the antenna and both exhibit sinusoidal
  198. variation at the oscillator frequency.  Since the oscillator drives the
  199. antenna at RF frequencies, the rapid variations cause the electric and
  200. magnetic fields to `break loose' from the antenna.  When this happens, the
  201. fields begin an outward journey from the antenna.  The result is an
  202. electromagnetic (EM) wave [a wave possessing both electrical and magnetic
  203. properties].  The wave moves away from the antenna at the speed of light.
  204.  
  205.      In most cases the orientation of the antenna determines the polarization
  206. of the wave.  Vertical antennas produce vertically polarized waves, while
  207. horizontal antennas produce horizontally polarized waves.  It is not
  208. coincidental that waves emanating from a transmitting antenna travel at the
  209. speed of light.  In fact, light waves are EM waves of extremely high
  210. frequency.  Thus light waves and radio waves are different manifestations of
  211. the same physical phenomenon, with only the frequencies being different.
  212.  
  213.  
  214.      Chapter 3 - Propagation of radio waves.
  215.  
  216.      Natural atmospheric effects play an important part in the propagation of
  217. radio waves.  Solar energy produces layers of ionized (electrically charged)
  218. air that surrounds the earth at an altitude of around 250 miles or less. 
  219. These layers are called the ionosphere.  The intensity and altitude of the
  220. layers varies with time of day, the season of the year and more importantly,
  221. with solar activity (e.g. sunspots, solar flares, etc.).  The fundamental
  222. characteristic of the ionosphere is its variability.
  223.  
  224.      The importance of the ionosphere to radio lies in the fact that charged
  225. layers tend to refract (reflect or bend) radio waves back to earth that would
  226. otherwise be ejected into space.  The result is radio transmission over
  227. distances much greater than that possible with the ground waves that remain
  228. close to the surface of the earth.  This phenomenon is called `skip'.  The
  229. ability of the ionosphere to return waves to earth diminishes at frequencies
  230. above 30 Mhz.  Since FM stations operate between 88 and 108 Mhz, they are not
  231. as susceptible to ionospheric effects.  FM stations are limited in range
  232. because of the absence of skip, while AM stations are very susceptible to
  233. ionospheric effects and can easily achieve transmissions ranging into the
  234. thousands of miles.  Since skip effects are most pronounced at night, many AM
  235. stations (those not designated by the FCC as "clear channel" stations) are
  236. forced to drop power or go off the air at sundown.
  237.  
  238.      The strength or intensity of a radio wave is given in terms of the
  239. strength of the electric field in units of microvolts per meter.  The meaning
  240. of this may be understood if we imagine two large metal plates separated by
  241. a distance of 1 meter.  If we placed a potential difference of 1 volt between
  242. the two plates, the electrical field strength between the plates will be
  243. 1,000,000 microvolts per meter.  If the field strength in a region is known,
  244. the signal voltage produced in a simple straight-wire receiving antenna can
  245. be computed by multiplying the field strength (in volts per meter) by the
  246. length of the antenna (in meters).  Inversely, measuring the voltage dropped
  247. across a given length of antenna (one meter or multiples thereof) will give
  248. you the field strength of a given area.
  249.  
  250.      The propagation characteristics of broadcast band FM signals are
  251. significantly different from those of AM as stated.  This accounts for the
  252. fact that FM reception distances are only slightly greater than line of
  253. sight.  Further, since higher frequencies are not reflected back to earth by
  254. the ionosphere, long distance skip does not occur.  Remember that the
  255. principles behind this are the frequencies of the carrier waves, not the type
  256. of modulation used.
  257.  
  258.      FM broadcast waves are horizontally polarized, so horizontal dipole
  259. antennas are normally used for external FM antennas.  A horizontally
  260. polarized beam type antenna (similar to TV antennas which are also
  261. horizontally polarized) can also be used for greater transmission range but
  262. only in a given direction.  Omnidirectional antennas are primarily suited for
  263. MicroPower radio broadcasts unless your intent is to focus your transmission
  264. into a given region.  Many MicroPower broadcasters utilize vertical
  265. polarization antennas with horizontal ground planes in their designs. 
  266. Although not specified as being the "ideal" for the application, they do tend
  267. to work well given the operation.
  268.  
  269.  
  270.      Chapter 4 - Principles of FM-Stereo.
  271.  
  272.      The primary concern of the FCC when studying the various proposals for
  273. FM stereo systems was that the system used should be compatible with existing
  274. monaural FM receivers.  The FM stereo system was not to affect monaural
  275. reception to any perceptible degree.  It was required that monophonic
  276. receivers were to be able to receive the stereo transmissions and reproduce
  277. them as monaural while the stereo receivers were able to receive the same
  278. signal and reproduce full stereo separation.  These were rather stringent
  279. requirements, but through extensive thought and design, such a system now
  280. exists and has been used for quite some time.
  281.  
  282.      The FM `audio' spectrum as it was when FM stereo was proposed situated
  283. the main audio portion from 50 to 15,000 Hz (as is presently used), and a
  284. subcarrier was situated much higher, most often at 67 Khz.  The subcarrier
  285. and its sidebands occupied the spectrum between about 60 and 74 Khz.  Thus it
  286. was apparent that spectrum space was available from about 15 to 60 Khz which
  287. could possibly be used to transmit a second channel of audio information. 
  288. The spectrum referred to here is the spectrum of the modulating signal.  This
  289. signal is fed to the FM modulator to produce a maximum deviation of the FM
  290. carrier of 75 Khz.
  291.  
  292.      A subcarrier is a part of the signal used to modulate the main carrier. 
  293. In FM transmissions it is far above the audio spectrum, so it produces no
  294. sound at the receiver.  For example, if a 67 Khz signal is added to the audio
  295. at the transmitter the same 67 Khz signal will appear at the receiver at the
  296. output of the FM demodulator.  It can not be heard of course, due to its high
  297. frequency.  Generally, the subcarrier signal forms only a small portion of
  298. the total amplitude of the modulating signal.  It is possible to modulate the
  299. subcarrier (AM or FM), and when this is done, sidebands are formed on both
  300. sides of the subcarrier just as for the main carrier.  Thus, the subcarrier
  301. is capable of carrying a separate channel of audio information.  All that is
  302. required is that the circuits be added at the output of the FM detector to
  303. pick off the higher frequency subcarrier and associated sidebands for
  304. application to the appropriate subcarrier detector.  Thus, an FM station may
  305. transmit two programs at the same time, one on the main carrier and another
  306. on the subcarrier, which itself rides on the main carrier.  Such
  307. transmissions are called Multiplex transmissions.  In 1955 the FCC approved
  308. subcarrier transmission of FM stations under the Subsidiary Communications
  309. Authorization (SCA) to broadcast music to private subscribers (stores,
  310. restaurants, etc.) provided with special SCA decoded receivers.  The SCA
  311. frequency is now standardized at 67 Khz.
  312.  
  313.      The method decided upon for multiplexing FM stereo does not use the SCA
  314. subcarrier method due to the fact that the monaural receiver would not
  315. receive the total audio spectrum, only one channel of information.  The
  316. method used is called the `Left plus Right, Left minus Right' scheme of
  317. multiplexing.  A stereo program originates at two microphones (or comparable
  318. devices) which generate a left (L) and a right (R) audio signal representing
  319. the two stereo channels.  If these two signals are combined in a _linear_
  320. network, an output is produced which is the sum of the two, L + R.  We can
  321. then say that they have been added.  The L + R output by itself is a monaural
  322. reproduction of the original program, acceptable in all respects.  Going
  323. further, if the R signal is passed through an inverting amplifier operating
  324. at unity gain, the resulting signal will be 180 degrees out of phase with the
  325. original R.  We denote the inverted signal as minus R (-R).  If -R is now
  326. added to the original L signal, the result is L - R.  This signal is the
  327. difference between the left and right channels.  By itself it does not have
  328. any entertainment value, but it is of paramount importance to FM stereo.  If
  329. the L - R signal is passed through an inverting amplifier at unity gain, the
  330. result is -(L - R) or -L + R.  This signal is also important to FM stereo. 
  331. Now suppose that we have a L + R and a L - R signal.  How can the original L
  332. and R signals be recovered from those combinations of L and R?  First, add
  333. the two combined signals (L + R) + (L - R) = L + R + L - R = 2L.  We now see
  334. that a pure left signal is attained.  The amplitude is twice the original,
  335. but this is of no consequence.  Next, invert the L - R signal and then add it
  336. to the L + R as in -(L - R) + (L + R) = -L + R + L + R = 2R.  The result is
  337. a pure right signal of twice the original amplitude.  This demonstrates how
  338. it is possible to recover the original L and R signals from the combinations
  339. of L + R and L - R.
  340.  
  341.      The system adopted for FM stereo functions as follows.  The combination
  342. of L + R signal modulates the main carrier so that monaural listeners hear a
  343. combination of both L and R channels.  A subcarrier located at 38 Khz carries
  344. the L - R signal that, in stereo receivers, is used to effect channel
  345. separation.  Monaural receivers can not respond to the 38 Khz L - R signal as
  346. it is way above the audio spectrum.  A special type of AM modulation called
  347. Double Sideband Suppressed Carrier (DSSC) is used for the 38 Khz subcarrier. 
  348. This is the same as ordinary amplitude modulation except that the carrier is
  349. suppressed.  Only the sidebands are transmitted.  In other words, the 38 Khz
  350. subcarrier is not transmitted, only the AM sidebands on both sides of the 38
  351. Khz are transmitted.  To demodulate a DSSC signal, the carrier must be
  352. reinserted to restore the normal AM waveform.  For Hi-Fi demodulation, the
  353. frequency and phase of the locally generated carrier (which is reinserted)
  354. must exactly match that of the original.  To meet this requirement, a Pilot
  355. Carrier at 19 Khz (half of 38 Khz) is transmitted along with the other
  356. program material.  This pilot carrier is used to guide the phase of the 38
  357. Khz oscillator at the receiver.  Audio frequencies from 50 to 15,000 Hz are
  358. used to modulate the 38 Khz subcarrier.  Therefore the sidebands associated
  359. with the subcarrier range from 23 to 53 Khz.
  360.  
  361.      The FM stereo transmitter consists of the following parts.  First you
  362. require a stereo audio source which may be studio microphones, tape or CD
  363. units or similar items.  The audio is then processed through an audio mixer,
  364. preemphasis networks and a source switching arrangement.  The L + R output of
  365. the audio processing block goes to the adder input of the main FM modulator. 
  366. The FM stereo section begins with a 38 Khz oscillator which provides the
  367. signal for the subcarrier and also applies the 38 Khz signal to a frequency
  368. divider to obtain the 19 Khz pilot carrier which is delivered to the main
  369. carrier modulator input.  The DSSC balanced modulator receives the L - R
  370. audio and the 38 Khz subcarrier and forms the L - R sidebands.  The sidebands
  371. are then applied to the adder input of the main FM modulator.  The SCA
  372. channel receives an SCA audio source, which due to the narrow bandwidth (7
  373. Khz) may be of lower fidelity.  The SCA signal is processed and is applied to
  374. the main FM modulator as frequency modulated 67 Khz subcarrier and sidebands. 
  375. The main FM carrier channel begins with a carrier generator which is a
  376. controlled oscillator running at the center frequency for your station
  377. allocation.  This carrier frequency is then frequency modulated by the
  378. composite signal.  A power amplifier array then raises the power level to the
  379. proper level, and an antenna `flings' the multiplexed FM stereo signal out
  380. into radioland.
  381.  
  382.  
  383. --
  384. squest@moonwatcher.avrtech.com \   ( (  |  ) )   Amendment1 Congress shall make
  385. ================================>      /_\       no law abridging the freedom
  386. ==> MicroPower FM Broadcasting /      /\_/\      of speech, or of the press.
  387.