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Text File  |  1996-01-28  |  11KB  |  191 lines

  1.  
  2.  
  3. Additional Thoughts on SCA Reception: 
  4.  
  5. As I recall, the setup described by Bob Parnass (I think that was who it
  6. was) was to hook a VLF receiver to the output of an ordinary FM receiver
  7. to pick up SCCA (sic - I always call it that, Sports Car Club of
  8. America, when it should really be SCA - Subsidiary Communications
  9. Authorization or something!) transmissions multiplexed on ordinary FM
  10. broadcasts.
  11.  
  12. To understand what is going on, you need to know what the FM station
  13. actually transmits.
  14.  
  15. Let's do it in "top down" fashion.  All you computer jocks out there
  16. should relate nicely to that.
  17.  
  18. First of all, the FM station has a "composite audio" input - this is
  19. just the input on which SOMETHING (consider it a stub subroutine to
  20. written later) is fed in to the modulator.
  21.  
  22. From the FM modulator's point of view, what you put on this input is
  23. just the MODULATING SIGNAL which you want to Frequency Modulate (FM) the
  24. station's carrier.  Intuitively, you can think of the station as putting
  25. out a "pure" carrier at frequency F when this modulating signal is zero.
  26. When it is NONZERO, however, the instantaneous frequency of the
  27. transmitter is changed.  Say the modulating signal value, in volts, or
  28. whatever, is M.  Then the transmitter output frequency is set to F + K*M
  29. where K is a sensitivity constant which is unimportant except that
  30. whatever maximum value of M is applied to the FM modulator input should
  31. result in a maximum "frequency deviation" K*M which is just about the
  32. maximum that the FCC allows.
  33.  
  34. If this station were a plain old-fashioned monaural FM station, all it
  35. would have to do is feed in the audio signal -- voice, music or funny
  36. sound effects -- which you want the listeners out there in Radio-Land
  37. to hear.
  38.  
  39. The signal would modulate the carrier, be amplified, fed to the antenna
  40. and radiated.  It would come swooping down into your ordinary, Monaural
  41. FM receiver.  The receiver would say, hmm...  The frequency is F + K*M
  42. I therefore have to subtract F and divide by K to give my loyal owner
  43. the instantaneous value of the signal waveform, which is M.  Voila!  Out
  44. of the FM demodulator comes M in livid high fidelity.
  45.  
  46. (I don't think the following information is needed for present purposes,
  47. but I include it so somebody won't say I am oversimplifying things!!
  48. Now, even in simple monaural FM there is one trick that we haven't
  49. mentioned.  This is called pre-emphasis and de-emphasis.  Very early in
  50. the game, it was noticed that in FM systems if you fed in no modulation
  51. at all and listened to the receiver's reconstructed value of M (after it
  52. did the arithmetic noted above), there was a NOISE output from the
  53. receiver, even at fairly strong signal levels.  The noise was
  54. particularly noticeable because its amplitude increased with frequency.
  55. Thus a quite noticeable high-frequency hiss was present on even fairly
  56. good signals.  Somebody then had the bright idea that they should
  57. effectively "turn down the treble control" at the receiver.  A fixed
  58. frequency compensating network called a "de-emphasis" network was
  59. designed and standardized to do that.  But then the music had its highs
  60. "de-emphasized", so an "inverse" network called a pre-emphasis network
  61. was added at the transmitter.
  62.  
  63. Next, along came stereo.  In order to avoid the wrath of all the owners
  64. of monaural FM sets, the FCC in its wisdom decreed that a "compatible"
  65. system would be necessary before they would approve FM stereo.  The
  66. engineers quickly noted that the A+B signal from two microphones gives a
  67. passable monaural signal (especially if "one-point" miking is used).
  68. Now the problem was how to get A and B out of A+B.  Well, as your high
  69. school algebra teacher probably taught you, (A+B)+(A-B)=A and
  70. (A+B)-(A-B)=B.  So all they had to do is send (A-B) in some clever way
  71. and the receiver could reconstruct A and B by "matrixing".  The method
  72. adopted was to "multiplex" this (A-B) signal onto the main carrier by
  73. using it to modulate a SUBcarrier located at 38 KHz. Double-Sideband
  74. Suppressed Carrier (DSBSC) modulation was chosen.  This gave a "lower
  75. sideband" extending downward from 38KHz (less 20Hz or so) to 23KHz
  76. (because the highs were cut off at 15 KHz.)  A "pilot carrier" was put
  77. at 19 KHz which allows the receiver to recover the precise frequency
  78. phase of the 38 KHz carrier so that recovery of the (A-B) signal could
  79. proceed.  In fact it turns out that this carrier can be used in an even
  80. more clever way to recover A and B signals directly from the "composite"
  81. signal ( A+B plus pilot carrier plus A-B ).
  82.  
  83. Note that all the new junk -- pilot at 19KHz and A-B from 23 to 38 K
  84. -- are so high in frequency that most people wouldn't hear them, and
  85. most older monaural FM sets and loudspeakers won't reproduce them
  86. audibly anyway.
  87.  
  88. Well, as if this wasn't bad enough, then along came the SCCA (I warned
  89. you about my warped sense of humor) and asked for authorization to put
  90. MUZAK on the air.  The obvious thing to do was to put on yet another
  91. subcarrier, this time at a frequency far enough above the audio so that
  92. it wouldn't interfere with stereo broadcasting.  67 KHz was chosen as
  93. the magic frequency.  But this time, FM modulation was chosen.
  94. Remember, all of this stuff is being stacked up in frequency above the
  95. normal monaural FM broadcast audio in such a way that a normal FM
  96. receiver won't be affected (much) by it.  So before we even go into
  97. "composite audio" input of our simple FM transmitter, we have a VERY
  98. "composite" signal indeed.  One might diagram it like this:
  99.  
  100.                     weak pilot   suppressed    just a
  101.                      carrier      carrier     boundary              FM
  102.                        /            /             /             sideband
  103.                       /            /             /          sub    /
  104.                      /            /             /           car.  /
  105. |             |             |             |            |   /
  106. | Normal FM   | (A-B) Lower | (A-B) Upper |        /||||||||\
  107. | audio (A+B) |  Sideband   |  Sideband   |     /||||S|C|A|||||\
  108. |             |             |             |  /|||||S|i|g|n|a|l|||||\
  109. DC           19KHz        38KHz         53KHz        67KHz
  110. --monaural
  111.     signal----
  112. --------stereo composite signal-----------
  113. -------------full composite (stereo + SCA) signal-------------------
  114.  
  115.  
  116.  
  117. Now to the main point.  The FM transmitter takes this composite audio
  118. signal as input and FM MODULATES its carrier with it.  When this is
  119. received by an FM receiver, what comes out of the discriminator is the
  120. composite signal.  In a normal monaural FM receiver, this is fed to the
  121. volume control and thence to the audio amplifier stages, where
  122. "de-emphasis" is applied as noted above, and finally out to the speakers
  123. or headphones.
  124.  
  125. The de-emphasis circuit tends to reduce the amplitude of the SCA signal
  126. since it is at a high frequency (53 to 81 KHz, with carrier at 67 KHz).
  127. However, enough gets through that it can still probably be used even at
  128. the speaker jack, since it is an FM signal and the absolute amplitude
  129. isn't too important.  The best way to recover the SCA audio, however,
  130. would be to go in to the FM receiver and tap off at the "top" of the
  131. volume control -- the hot side where the discriminator signal is brought
  132. in.  Bring this signal out to a jack which you can install on the set
  133. for all such nefarious purposes.  In fact, make sure that the
  134. de-emphasis network is not installed ahead of this point, although in my
  135. experience it usually is not.
  136.  
  137. Anyway, once you have brought out the full composite signal, the SCA
  138. signal is STILL AN FM SIGNAL that needs an FM discriminator to turn
  139. back into normal audio.  It happens to have a carrier frequency of 67
  140. KHz because that is what was used as the carrier at the studio when the
  141. composite audio signal was made up.
  142.  
  143. So if you have a VLF receiver capable of covering 67 KHz, you can feed
  144. the composite audio signal into its input, which happens to be the
  145. antenna connection.  You can then tune it to 67 KHz and switch it to FM
  146. mode and you should get perfect SCA audio out.
  147.  
  148. If it doesn't have FM demodulation available at this frequency, then
  149. can still use a trick called "slope detection".  Tune it above 67 KHz so
  150. that the 67 KHz carrier falls on the lower slope of the IF selectivity
  151. curve.  I.e. the signal has fallen off about halfway from its peak value
  152. on the meter.  Select AM demodulation, and then tune for the best sound.
  153. You should get acceptable recovery of the audio.  If there is a
  154. bandwidth switch, experiment with it.  Probably the widest bandwidth
  155. available will work best.
  156.  
  157. If you don't have a suitable VLF receiver covering 67 KHz, the simple
  158. trick with the Phase-Locked Loop device will work just fine.  After
  159. the monaural FM receiver has done most of the work of picking up the
  160. weak signal at VHF (88 to 108 MHz) and amplifying it and FM demodulating
  161. it so you have the baseband composite signal available to fool around
  162. with.  What is going on here is that the PLL locks to the 67 KHz signal
  163. but since that is being FM modulated, it has to work a bit to stay
  164. locked.  The Voltage-Controlled Oscillator has to be pushed above or
  165. below 67 KHz, its natural frequency, by applying a control voltage to
  166. the VCO input.  All of this is done "automatically" by the design of
  167. phase-locking circuitry, but YOU can benefit by all this work it is
  168. doing: the control voltage is precisely a measurement of the
  169. instantaneous modulation value, M, that YOU want to hear!  So you pick
  170. it off, amplify it, and listen to MUZAK (yuk) to your heart's content.
  171.  
  172. From the above rather long-winded description, you can see that the
  173. is a lot of other junk floating around on the composite signal, namely
  174. all the stereo stuff below 53 KHz. To make the SCA demodulator work
  175. and be free of interference from the main channel, it would be well
  176. put a little selectivity ahead of the SCA demodulation if you are using
  177. the PLL trick.  I haven't experimented with this, but I would think a
  178. simple high-pass filter to attenuate everything below 53 KHz would do
  179. fairly well.  Of course with the VLF receiver you have all kinds of
  180. selectivity, so there should be no problem.
  181.  
  182. I hope this helps you understand what is going on with SCA.  If you
  183. followed all the details, it should be clear that there is no black
  184. magic going on, but that once the composite signal has been received, a
  185. VLF FM receiver (a rather rare beastie) is logically what is needed
  186. recover the SCA signal.  That's why it happens to be possible to string
  187. together such a seemingly unlikely pair of receivers and get SCA
  188. broadcasts.
  189.  
  190.  
  191.