home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HamCall (October 1991) / HamCall (Whitehall Publishing)(1991).bin / bcast / miscbcst / scabasic.txt < prev    next >
Text File  |  1990-10-14  |  12KB  |  228 lines
  1.  
  2.      *********************************************************************
  3.      *  NOTE:  The following ASCII text file (without graphics)          *
  4.      *         is contained in a printed technical paper available       *
  5.      *         from Broadcast Electronics Inc.  Unfortunately, it        *
  6.      *         was not possible to reproduce the graphics portions       *
  7.      *         of this paper within this text file.  If you find the     *
  8.      *         information in this file of interest, you may request     *
  9.      *         a complimentary, printed, copy including figures and      *
  10.      *         graphics from: BROADCAST ELECTRONICS INC.                 *
  11.      *                        P.O. BOX 3606                              *
  12.      *                        4100 N. 24TH  STREET                       *
  13.      *                        QUINCY, IL. 62305-3606                     *
  14.      *                        ATTN: SALES DEPARTMENT                     *
  15.      *                        PH  217-224-9600                           *
  16.      *                        FAX 217-224-9607                           *
  17.      *                                                                   *
  18.      *         The contents of this technical paper are                  *
  19.      *         Copyrighted (c) 1984, by Broadcast Electronics Inc.       *
  20.      *         All rights reserved.                                      *
  21.      *********************************************************************
  22.  
  23.  
  24.  
  25.                                   SCA BASICS
  26.  
  27.                                       BY:
  28.                          Geoffrey N. Mendenhall, P.E.
  29.                          Vice President - Engineering
  30.                           Broadcast Electronics Inc.
  31.                                Quincy, Illinois
  32.  
  33.  
  34.  
  35.  
  36.                                  SCA OVERVIEW
  37.  
  38.     The recent de-regulation of broadcast SCA usage has spurred a new interest
  39. in using the SCA for data transmission and paging.  SCA stands for "Subsidiary
  40. Communications Authorization", which allows FM broadcast stations to
  41. "piggy-back" up to two additional audio or data channels on the main carrier of
  42. the station. 
  43.  
  44.     This article will explain the basic theory behind SCA transmission and will
  45. also describe the equipment required to add an SCA to the FM broadcast signal
  46.  
  47.  
  48.                   HOW SCA's ARE ADDED TO THE BROADCAST SIGNAL
  49.  
  50.     SCA's are added to the broadcast FM carrier by a technique called frequency
  51. domain multiplexing which allows the additional subchannels to be separated from
  52. each other and from the main channel by use of specific frequency bands for each
  53. subchannel.  In the case of an FM station broadcasting in stereo with two SCA's,
  54. the frequencies used are 67KHz and 92KHz for the two subcarriers.  The main
  55. channel and stereophonic information are transmitted in the frequency band
  56. extending from 30Hz to 53KHz while the SCA information is transmitted above this
  57. frequency range in a band extending from 54KHz to 99KHz. The SCA subcarriers
  58. each modulate the main FM carrier by a maximum of 10% of the total modulation. 
  59. This means that the effective coverage will not be as great as the main channel
  60. since the SCA does not have full use of the transmitted power.  The sum of all
  61. the different components being transmitted is called the composite baseband. It
  62. includes the following individual components as shown in figure 1A.
  63.  
  64.  
  65.  
  66.  
  67.                               (FIGURE 1A)        
  68.  
  69.  
  70.     Figure 1B shows what the composite baseband looks like if viewed on an
  71. oscilloscope with the peak-to-peak amplitude shown as a function of time.  It is
  72. difficult to identify the various components as a function of time.
  73.  
  74.     Figure 1C shows the composite baseband as viewed on a low frequency spectrum
  75. analyzer.  This is a representation of amplitude as a function of frequency.  It
  76. is now easy to identify the various frequency components within the composite
  77. baseband.
  78.  
  79.  
  80.  
  81.  
  82.                           (FIGURE 1B  AND  FIGURE 1C)
  83.  
  84.  
  85.     The method of modulation used is frequency modulation of the SCA subcarrier
  86. itself which in turn frequency modulates the main transmitter carrier.  This
  87. type of "FM on FM" system is difficult for many people to fully understand. 
  88. Think of it this way, the main carrier is deviated a constant plus and minus
  89. 7.5KHz (10% of the total) by the 67kHz subcarrier while the 67KHz subcarrier is
  90. itself deviated up to plus and minus 6KHz by the audio or data being fed into
  91. the SCA modulator.  The key points to remember are that the deviation of the
  92. main carrier is dependent only on the level of the subcarrier and is not
  93. effected by the modulation applied to the subcarrier while the deviation of the
  94. subcarrier is dependent only on the modulation applied to the subcarrier and is
  95. not related to main channel deviation.
  96.  
  97.  
  98.                                RECEIVING THE SCA
  99.  
  100.     The SCA receiver must first FM demodulate the entire baseband, filter out
  101. the desired subcarrier from the rest of the baseband components, and then FM
  102. demodulate the SCA information.  This requires two IF strips and two FM
  103. demodulators.  The first IF strip is usually operated at 10.7 MHz with a
  104. bandwidth of about 250 KHz while the second IF strip is located at the SCA
  105. frequency (67 KHz or 92 KHz) with a narrow bandwidth (typically 25KHz or less). 
  106. The first FM demodulator is usually a quadrature or pulse counting type while
  107. the second FM demodulator is usually a Phase-Locked-Loop to minimize
  108. interference from the main and stereo channels.
  109.  
  110.     This dual demodulation process places some limitations on the performance of
  111. the SCA receiver.  The amplitude and phase response of the IF filters will have
  112. a significant effect on the crosstalk into the SCA from the main and stereo
  113. channels.  This type of receiving system is also more susceptible to multipath
  114. than a simple FM system.
  115.  
  116.     The SCA subcarrier being received only has access to a maximum of 10% of the
  117. transmitter power.  The additional noise factors introduced by the "FM on FM"
  118. nature of the system cause further degradation of the signal to noise ratio
  119. which may yield a total penalty in coverage of more than 20db when compared to
  120. main channel.
  121.  
  122.  
  123.                              TRANSMITTING THE SCA
  124.  
  125.     The SCA is added to the broadcast signal by connecting an SCA generator to
  126. the FM exciter located in the FM broadcast transmitter.
  127.  
  128.     The SCA generator is usually a self contained device that accepts audio
  129. and/or DC coupled data inputs and provides a frequency modulated subcarrier (67
  130. KHz or 92 KHz) at its output.  The SCA generator may also have additional
  131. features which allow automatic muting of the SCA transmission under certain
  132. conditions, multiple inputs, active filtering of the inputs, and modulation
  133. indication.  Since the SCA generator is located at the broadcast transmitter, it
  134. is usually supplied by the broadcaster.
  135.  
  136.     The FM exciter must have a wideband SCA input to accept the subcarrier from
  137. the SCA generator and add this signal to the rest of the baseband for FM
  138. modulation onto the main radio frequency carrier.
  139.  
  140.     In order to prevent interference among the main channel, the stereo
  141. channel, and the SCA the exciter should be a state-of-the-art unit employing an
  142. ultra-linear modulator.  This type of modulator will minimize the generation of
  143. intermodulation and harmonic products within the baseband.  This is important
  144. because non-linearity within the modulation process will alter the composition
  145. of the baseband, which results in distortion of the demodulated signal at the
  146. receiver.
  147.  
  148.     Modulator linearization has reduced harmonic and intermodulation distortion
  149. to less than 0.05% in newly-developed equipment.
  150.  
  151.     Any distortion of the baseband signal caused by the modulated oscillator
  152. will have secondary effects on stereo and SCA crosstalk, which are quite
  153. noticeable at the receiver in spite of the rather small amounts of distortion to
  154. the baseband.  For example, if the harmonic distortion to the baseband is
  155. increased from 0.05% to 1.0%, as much as 26dB additional crosstalk into the SCA
  156. can be expected. This amount of crosstalk would seriously degrade the
  157. performance and utility of the SCA.
  158.  
  159.     Assuring that the composite baseband signal undergoes minimal distortion in
  160. the modulation process will suppress undesired harmonic and intermodulation
  161. products in the baseband, making the FM exciter transparent to the SCA signal
  162. coupled into it.
  163.  
  164.     The stereo generator's characteristics play an important role in preventing
  165. interference to the SCA.  The second harmonic components of the stereophonic
  166. subcarrier fall directly on top of the SCA so it is important to use an stereo
  167. generator that suppresses these spurious components.
  168.  
  169.     The bandwidth of the FM transmitter and antenna system will also affect the
  170. performance of the SCA.  The distortion in any practical FM system will depend
  171. on the amount of bandwidth available versus the modulation index being
  172. transmitted.  Relating the specific quantitative effect of bandwidth limitations
  173. imposed by a particular transmitter to the actual interference to the SCA is a
  174. complicated problem indeed.  Some factors which will improve the situation are:
  175.  
  176.                 1. Maximize bandwidth by using a broadband exciter and a   
  177.                    broadband IPA stage.
  178.                 2. Use a transmitter of single tube design or broadband    
  179.                    solid state design where feasible.
  180.                 3. Optimize both the grid circuit and plate circuit tuning 
  181.                    for best possible bandwidth.
  182.                 4. Use a broadband antenna system with low standing wave   
  183.                    ratio on the transmission line.
  184.  
  185.  
  186.               ADJUSTING THE TRANSMITTER FOR BEST SCA PERFORMANCE
  187.  
  188.     Start out by remembering that all optimization should be done with the
  189. transmitter connected to the normal antenna system rather than to a dummy load.
  190.  
  191.     The transmitter is first tuned for normal output power and proper
  192. efficiency.  A simple method for centering the transmitter passband on the
  193. carrier frequency involves adjustment for minimum synchronous AM.  Synchronous
  194. AM is AM modulation of the carrier caused by frequency modulation of the carrier
  195. frequency.  If the bandwidth is narrow or skewed, increasing amplitude
  196. modulation of the carrier will result.
  197.  
  198.     A typical adjustment procedure is to FM modulate 100% at 400 Hz in the
  199. monaural mode and fine tune the transmitter for minimum 400 Hz amplitude
  200. modulation as detected by a wideband envelope detector.  At the optimum point,
  201. the residual demodulated AM will double in frequency to 800 Hz.  It should be
  202. possible to minimize synchronous AM while maintaining output power and
  203. efficiency.
  204.  
  205.     Transmitter tuning becomes very critical when minimizing crosstalk into the
  206. SCA.  A more sensitive adjustment procedure involves modulating one channel only
  207. on the stereo generator to 100% with a 4.5 KHz tone.  This will place the lower
  208. second order (L-R) stereo sideband on top of the 67 KHz SCA.  Activate the SCA
  209. at normal injection level without modulation on the SCA.  Tune the transmitter
  210. for minimum output from the SCA demodulator.  A similar adjustment can also be
  211. made by listening to the residual crosstalk into an unmodulated SCA while normal
  212. stereo programming is being broadcast.  In any of these tests, the grid tuning
  213. is frequently more critical than the plate tuning.  This is because the
  214. impedance match into the input capacitance of the grid becomes the bandwidth
  215. limiting factor.
  216.  
  217.  
  218.                            BRINGING IT ALL TOGETHER
  219.  
  220.     SCA's do offer an important new opportunity to transmit information over
  221. existing FM broadcast facilities.  Whether SCA's are used primarily for paging,
  222. data transmission to fixed points, or other uses remains to be seen.  In any
  223. case, it is important that each subsystem be individually optimized before the
  224. complete transmission and reception system can perform properly.  The complexity
  225. and technical limitations of the SCA system makes attention to details critical
  226. to the success of the operation.
  227.  
  228.