Le onde medie in Stereo

Le trasmissioni stereofoniche in modulazione di ampiezza non sono una novità: nel 1925 la stazione WPAY (di New Haven, negli USA) effettuò la prima trasmissione stereofonica senza fili usando due diversi trasmettitori in OM funzionanti su frequenze differenti. Verso la metà degli anni cinquanta un piccolo numero di stazioni mostrò un rinnovato interesse per la stereofonia in OM, facendo esperimenti con trasmissioni simultanee in modulazione di ampiezza ed in modulazione di frequenza: per ricevere un segnale audio stereofonico erano necessari due ricevitori separati.

dopo i numerosi studi eseguiti, cinque prestigiose ditte fornirono dei progetti per generare una stereofonia completa utilizzando un solo ricevitore e un solo trasmettitore. i segnali trasmessi dovevano essere inoltre compatibili con i normali ricevitori monofonici. I sistemi erano Belar, Harris Kahn-Hazeltine Magnavox e Motorola

Ciascuno faceva uso di un metodo diverso per generare il segnale stereofonico.  l’ FCC (Federal Communication Commission) dopo tanti test e vari anni trascorsi ,dato che tutti i sistemi avevano sia pregi che difetti ,non seppe quale scegliere e il 4 Marzo 1982 decreto’ il free marketplace. ossia il libero mercato a tutti i sistemi. Chiaramente i produttori di ricevitori dovendo investire notevoli fondi per la progettazione  erano titubanti su quale sistema scegliere.

  Il vincitore di questa "gara" fu il sistema della Motorola. Non perche’ fosse il migliore in assoluto ma perche’ chiaramente essendo Giapponese e costruendo gli integrati………

Il sistema della Harris fa uso di una modulazione in quadratura, dopo aver ridotto opportunamente il segnale 5 - D; ciò equivale a modulare con i segnali S e D due portanti sfasate tra loro di 30°. 

Il sistema della Kahn utilizza una modulazione a bande laterali indipendenti (ISB), che consente di avere sull'inviluppo d'ampiezza della portante l'informazione relativa al canale destro più quella relativa al canale sinistro.

Il sistema della Motorola, infine, utilizza una modulazione in quadratura analoga a quella del sistema Harris, ma per fare in modo che l'inviluppo della portante porti il segnale S + D, si predistorce l'intero segnale in luogo delle sole bande laterali relative al segnale S + D.

I vari sistemi per la trasmissione stereofonica in Am hanno alcune caratteristiche comuni: il segnale audio viene sempre elaborato, sia in trasmissione sia in ricezione da una matrice, posta nel trasmettitore, la quale combina (analogamente a quanto si verifica nella stereofonia in fm) i due canali audio, S e D, in modo da ottenere i due segnali S + D e S - D; il ricevitore, demodulando la portante, estrae questi due segnali e li invia ad un'altra matrice, dalla quale escono il canale S ed il canale D.

Descrizione dei sistemi

Sistema Belar (MA/M F) - Questo sistema usa una modulazione combinata in MA-MF.

La ricezione dei segnali modulati con il sistema Belar è probabilmente la più facile tra quelle dei cinque sistemi proposti. Il segnale proveniente dagli stadi a frequenza intermedia del ricevitore (fig. 1-B) viene diramato su due vie: una porta ad un rivelatore che ricostruisce il segnale S + D, mentre l'altra è diretta ad un limitatore che elimina ogni traccia della modulazione d'ampiezza. Il segnale a frequenza intermedia: così limitato passa successivamente ad un discriminatore di frequenza che ricostruisce il segnale S - D; il segnale così ottenuto deve i poi essere fatto passare in una rete di deenfasi, che elimina la preenfasi introdotta nel trasmettitore. Le componenti S + D e S – D ottenute in tal modo sono quindi inviate ad una matrice audio, che fornisce in uscita segnali relativi al canale destro ed a quello sinistro.

Sistema Magnavox (MA/Modulaz. di fase)

- Questo sistema è simile a quello della Belar; il segnale S + D viene infatti usato per modulare in ampiezza la portante ed il segnale S - D per modulare quest'ultima in fase (fig. 2-A).  

La deviazione di fase è contenuta entro un valore' di picco di 57°. Nel trasmettitore la portante riceve prima la modulazione in fase e poi quella in ampiezza. La ricezione del segnale modulato in ampiezza ed in fase avviene come illustrato nella fig. 2-B; il segnale a frequenza intermedia è diramato su due vie, una delle quali porta ad un rivelatore ad inviluppo che ricostruisce il segnale S + D, mentre l'altra arriva ad un limitatore che elimina la MA. Un rivelatore di fase serve poi per ricostruire il segnale audio S - D. I segnali S + D e S - D così ottenuti sono infine combinati in una matrice audio, da cui si ricavano i segnali relativi ai canali destro e sinistro. Il sistema e' stato usato dalla Continental .

Sistema Kahn - Hazeltine (ISB) - In questo sistema, denominato «Indipendent side-band modulation» (ISB), cioè «sistema a bande laterali indipendenti», l'informazione relativa al canale sinistro è contenuta nella banda laterale inferiore, mentre quella relativa al canale destro è contenuta nella banda laterale superiore. Per ottenere la compatibilità con i ricevitori stereo, in questo sistema viene predistorto l'intero segnale, allo scopo di ottenere che l'inviluppo della portante rappresenti il segnale S + D.

Come si rileva dalla fig. 3-A, i canali audio destro e sinistro sono anzitutto portati ad una matrice. Il segnale S + D passa poi attraverso una rete che lo sfasa di -45°, ed infine è applicato all'ingresso audio di un normale trasmettitore per MA. Il segnale S - D attraversa invece una rete di sfasamento che lo sfasa di +45° (a questo punto, i segnali S + D e 8 - D sono sfasati di 90° l'uno rispetto all'altro). La componente 8 - D viene poi inviata sia ad una rete sommatrice sia a comandare un sistema di regolazione automatica di guadagno. Una rete di ritardo variabile, inserita all'uscita dell'amplificatore sommatore, serve a rendere uguali i ritardi che subiscono i segnali S - D e S + D lungo i rispettivi cammini.

Il segnale generato da un oscillatore funzionante su un sottomultiplo della frequenza propria del trasmettitore viene inviato ad un modulatore di fase, a cui giunge anche il segnale S - D proveniente dalla rete di ritardo. La frequenza del segnale modulato in fase che esce da questo stadio viene fatta salire mediante un moltiplicatore di frequenza, sino a raggiungere quella di trasmissione; il segnale così ottenuto viene poi inviato al trasmettitore. La Kahn aveva anche scoperto che si può ottenere una migliore separazione tra i canali stereo aggiungendo una componente di seconda armonica dell'audio al segnale che modula in fase la portante. I segnali audio sinistro e destro vengono perciò portati, indipendentemente, attraverso reti sfasatrici con differenza di fase nulla, a dei duplicatori di frequenza, la cui uscita va ad un circuito differenziale, seguito da un formatore di livello.

Il formatore di livello è essenzialmente un amplificatore con regolazione automatica di guadagno, il cui guadagno è comandato dall'ampiezza del segnale S - D. Questo amplificatore regolato fornisce quel livello di componente a seconda armonica che serve per ottenere la migliore separazione tra i canali stereo. Quando i segnali audio sono di uguale ampiezza ed in fase tra loro, la componente S - D è pari a zero; in questo caso(che si verifica ad esempio con un segnale audio monofonico) il guadagno dell'amplificatore regolato va anche a zero. Quando entrambi i canali sono presenti ed in fase, ma con livelli differenti, il guadagno dell’amplificatore è solo parzialmente ridotto.

Sistema Motorola (C-QUAM)

Per comprendere meglio il funzionamento del sistema C-QUAM, è opportuno esaminare dapprima come lavora un sistema stereofonico in MA che faccia uso del metodo fondamentale di modulazione in quadratura (questo esame preliminare della modulazione in quadratura sarà utile anche per comprendere il funzionamento del sistema stereofonico Harris, che utilizza una modulazione in quadratura modificata).

Un sistema che permette di trasmettere due segnali in quadratura è schematizzato nella fig. 4-A. Come si può osservare, due trasmettitori separati ricavano la portante da un singolo oscillatore; la portante utilizzata per uno di essi è però in anticipo di 90° rispetto alla portante utilizzata per l'altro. Uno dei due trasmettitori in MA è modulato con l'informazione relativa al canale sinistro e l'altro con quella relativa al canale destro. I segnali che escono dai due trasmettitori sono poi combinati tra loro e diffusi da un'unica antenna. In pratica, per la generazione della modulazione in quadratura non è indispensabile l'uso di due trasmettitori indipendenti. Nel ricevitore (figura 4-B) ciascuna delle due portanti è rivelata indipendentemente, così da ricostruire i segnali dei canali destro e sinistro.

Le bande laterali che escono dai modulatori bilanciati, in seguito all'applicazione dei segnali S + D e S - D, sono combinate con la portante in un amplificatore sommatore.Il segnale in uscita da questo amplificatore è inviato ad un limitatore, che elimina la modulazione di ampiezza; il segnale modulato in fase così ottenuto viene utilizzato come portante per il trasmettitore, in luogo del segnale generato da un oscillatore a cristallo. L'informazione S + D proveniente dalla matrice viene portata, attraverso una rete di ritardo, all'ingresso audio del trasmettitore.

Il sistema C-QUAM risolve i problemi di distorsione che il normale metodo di modulazione in quadratura crea con i rivelatori ad inviluppo; tale sistema genera infatti di per sé prodotti di distorsione, quando la portante modulata in fase viene modulata in ampiezza, e questi prodotti cancellano la distorsione che nasce in un rivelatore ad inviluppo, purché siano ricevuti con la medesima ampiezza e con la medesima fase relativa. Questo modo di procedere presenta però due inconvenienti: prima di tutto impone severi requisiti di fase e di ampiezza agli stadi a frequenza intermedia del ricevitore; in secondo luogo, i prodotti di distorsione generati per cancellare quelli che nascono nei rivelatori monofonici ad inviluppo sono presenti sul ricevitore stereofonico.

Poiché questa distorsione deve essere corretta, ogni ricevitore per il sistema C-QUAM deve incorporare circuiti destinati a tale scopo. Il segnale stereofonico trasmesso in MA mediante il sistema C-QUAM può essere ricevuto usando rivelatori sincroni, come illustrato nella fig. 5-B. Il segnale che esce dagli stadi a frequenza intermedia viene contemporaneamente applicato ad un modulatore di livello e ad un limitatore d'ampiezza. Un oscillatore comandato in tensione (VCO) è agganciato in fase al segnale a frequenza intermedia; per ottenere ciò l'uscita del VCO e quella del limitatore d'ampiezza sono portate ad un comparatore di fase in quadratura, che, attraverso un filtro passa-basso, tiene il VCO agganciato in quadratura di fase al segnale a frequenza intermedia.

I segnali destro e sinistro in uscita dai modulatori bilanciati sono infine portati ad un amplificatore audio. Per ricostruire il segnale di identificazione della trasmissione stereofonica, i segnali del canale destro e del canale sinistro sono inviati prima ad una matrice; successivamente il segnale S - D uscente dalla matrice è portato ad un circuito che rivela il tono a 25 Hz. In tal modo il tono di identificazione può far accendere la spia che segnala la presenza di una trasmissione stereofonica, ed eventualmente può azionare automaticamente un commutatore mono/stereo per la scelta del modo di funzionamento.

Sistema Harris (CPM)

Il sistema della Harris, denominato «Compatible Phase Multiplex» (CPM), cioè «sistema multiplex di fase compatibile», usa una tecnica di modulazione in quadratura con additività lineare; esso modula due portanti sfasate tra loro di 30° Il segnale del canale sinistro modula in ampiezza una portante che è in ritardo di 15° rispetto al segnale globale uscente dal trasmettitore; da parte sua il segnale del canale destro modula una portante che è in anticipo di 15° rispetto allo stesso segnale. I segnali così ottenuti sono combinati linearmente (cioè sommati) in modo da ottenere il segnale CPM. Questo genere di funzionamento rende il sistema Harris l'unico sistema lineare tra quelli proposti. Un metodo per generare il segnale CPM è

illustrato nella fig. 6-A. Una matrice audio genera il segnale S + D e il segnale S – D ridotto. Alla componente S - D viene poi aggiunto, in un amplificatore sommatore, il tono di identificazione della trasmissione stereo, il quale, servendo soltanto per la ricezione stereofonica, non viene udito nei ricevitori monofonici, poiché si trova esclusivamente sul canale S - D. Anche nei ricevitori stereofonici tale tono non viene udito, perché viene a trovarsi in opposizione di fase sui due canali stereofonici, e quindi si annulla nell'ambiente di ascolto; per la sua eliminazione basta perciò un filtraggio molto semplice, che può addirittura mancare.

La componente S - D è poi inviata ad un modulatore bilanciato, insieme con una portante sfasata di +90°; anche la componente S + D è portata ad un modulatore bilanciato, a cui giunge inoltre la portante non sfasata. I segnali in uscita dai due modulatori vengono sommati insieme con la portante, di livello opportuno, in modo da ottenere il segnale CPM. Questo segnale, di basso livello, potrebbe essere trasmesso così com'è, senza altra elaborazione, se fosse amplificato da un amplificatore lineare, ma negli attuali trasmettitori per MA questa operazione non è possibile. Per poter essere trasmesso da un normale trasmettitore per MA, il segnale CPM viene quindi separato in due componenti: una che riproduce l'inviluppo e l'altra che è modulata in fase. La prima di queste due componenti,che non è altro se non il segnale S + D,viene ottenuta mediante un rivelatore ad , inviluppo, ed è portata all'ingresso audio del trasmettitore. La seconda componente si ottiene invece per mezzo di un limitatore, che elimina dalla portante ogni modulazione di ampiezza, lasciando solo la modulazione di fase; essa viene usata come portante per il trasmettitore, in luogo del segnale generato dall'oscillatore a cristallo del trasmettitore.

La riduzione di livello del segnale S - D, che interviene nella modulazione in quadratura, è ciò che consentiva al sistema Harris di essere compatibile con i ricevitori monofonici dotati di rivelatori ad inviluppo. Quando il segnale stereofonico CPM viene ricevuto da un ricevitore monofonico dotato di tale rivelatore, si ha in realtà una piccola distorsione (mediamente dello 0,5%), a causa della presenza delle bande laterali in quadratura; se il segnale S - D che forma queste bande laterali non fosse attenuato, la distorsione sarebbe di circa 1'11 %. I ricevitori stereofonici destinati a ricevere le trasmissioni effettuate con il sistema Harris CPM usano rivelatori sincroni anziché ad inviluppo, allo scopo di eliminare ogni distorsione sia in stereofonia sia nel funzionamento monofonico. Lo schema di un ricevitore stereofonico di questo tipo è mostrato nella fig. 6-B; esso illustra perciò uno dei metodi per ricostruire il segnale stereofonico dal segnale CPM. A differenza dei ricevitori richiesti dagli altri quattro sistemi, il ricevitore per il sistema CPM non necessita di un sintonizzatore particolarmente costoso, e ciò deriva dall'equalizzazione di ampiezza e fase richiesta per ricevere il segnale stereofonico con bassa distorsione.

Il segnale con frequenza intermedia che esce dal sintonizzatore è anzitutto inviato ad un rivelatore sincrono, il quale assolve due diverse funzioni: innanzitutto esso serve come rivelatore di fase per il circuito ad aggancio di fase, i cui altri componenti sono il VCO ed il filtro. Tale circuito ad aggancio di fase si sincronizza sul segnale a frequenza intermedia in arrivo, mantenendo rispetto ad esso uno sfasamento di 90°; in secondo luogo il modulatore bilanciato che funge da rivelatore sincrono demodula la modulazione in quadratura del segnale, cioè il segnale S - D. Il segnale che esce dal VCO viene sfasato di 90° ed usato per demodulare la componente in fase della modulazione, cioè il segnale S + D. I filtri passabasso eliminano ogni residuo della portante dal segnale proveniente dai rivelatori. I segnali S + D e S - D sono infine combinati in una normale matrice audio per ricostruire i canali destro e sinistro; la matrice provvede anche a riportare al dovuto livello la componente S - D, ridotta in trasmissione. Il tono di identificazione stereo può essere estratto con facilità: il segnale S - D è infatti inviato anche ad un circuito capace di rivelare toni da 20 Hz a 25 Hz, il quale comanda poi la spia stereo ed eventualmente anche un commutatore mono/stereo per la scelta del modo di funzionamento.