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Trasmissione e ricezione FM-Stereo

Introduzione

Diamo un cenno sulla tecnologia utilizzata nella trasmissione FM stereo, senza pretendere di esaurire l'argomento. La trasmissione in stereofonia, tanto comune al giorno d’oggi, ha avuto origine nei primi anni '60, ed era riservata ai grossi impianti radio-fonografici domestici, dal prezzo elevato e dalle prestazioni, per quei tempi, favolose. La tecnologia utilizzata per la trasmissione e la ricezione stereofonica è piuttosto complessa, ed il suo studio approfondito esula dagli scopi di queste pagine; tuttavia ritengo indispensabile, per completezza, dare almeno un cenno sul principio di funzionamento, sulla struttura del segnale FM stereo trasmesso e sulla costituzione di un decoder stereofonico

Di trasmissioni radio stereofoniche si parlava già negli anni '50, con tante proposte e numerosi brevetti. Una delle proposte fu quella di trasmettere i due canali stereosu due frequenze differenti a distanza fissa, il che poteva essere fatto su qualunque banda, per esempio le onde medie. Il ricevitore avrebbe dovuto essere dotato di due sintonizzatori distinti, uno per il canale destro, uno per il sinistro: in pratica una doppia radio in un solo contenitore, fornita di un unico comando. L’idea era apparentemente buona, ma aveva un grosso inconveniente: la trasmissione non sarebbe stata ricevibile con un comune ricevitore monofonico, o meglio si sarebbe potuto ricevere solo un canale, e non la miscela dei due come sarebbe corretto. Viceversa, il ricevitore stereo realizzato con quella tecnologia non avrebbe potuto ricevere una trasmissione normale se non spegnendo uno dei canali o annullando l’offset di frequenza. Insomma mancava completamente la compatibilità tra la tecnologia proposta e quella esistente. Un’altra idea fu quella di utilizzare la modulazione in frequenza per trasmettere un canale, quella in ampiezza per trasmettere l’altro canale, sulla medesima portante. Anche in questo caso le difficoltà erano molteplici, e non si arrivò mai ad uno standard accettabile, anche a causa, ancora, della mancanza di compatibilità con i sistemi esistenti.

La soluzione che fu adottata alla fine ha qualcosa a che vedere con l’ultima proposta riportata sopra, ed è il frutto degli studi di un’apposita commissione creata negli Stati Uniti per questi scopi, la Federal Communications Commission e da essa prende il nome. Viene chiamato infatti “Sistema Stereo FCC”. È un’invenzione ingegnosa e complessa che ha permesso la trasmissione stereofonica pur mantenendo la piena compatibilità con i ricevitori  monofonici. Ancora oggi, a distanza di oltre quaranta anni dalla loro introduzione (1961), le trasmissioni FM stereo sono un valido mezzo per trasmettere musica di ottima  qualità, e si prestano ancora ad aggiunte tecnologiche (come i canali RDS, le sottoportantidi servizio eccetera) che mantengono la tecnologia “giovane” e ancora resistente e competitiva rispetto agli attacchi della radio digitale. L’unico inconveniente, se così può essere considerato, delle trasmissioni stereo, è che possono essere effettuate solo su bande di frequenza elevata, come sono appunto le bande VHF dove avviene la trasmissione in FM. Infatti i canali della banda FM sono distanziati l’uno dall’altro di 200kHz, ed è solo grazie a questa abbondanza di spazio che si sono potute alloggiare in ciascun canale tutte le informazioni relative al segnale stereofonico.

Stereo o "bi-ampli"?

Molti ricevitori AM/FM dei primi anni '60 portano nel nome o in qualche marchio la scritta "stereo". In genere, questa dicitura non si riferisce alla vera e propria capacità di ricezione stereofonica, ma alla semplice presenza di un doppio amplificatore di bassa frequenza (sistema "bi-ampli"). Il doppio canale BF permetteva di riprodurre dischi stereofonici e forniva migliori caratteristiche alle qualità audio anche nell'ascolto monofonico (tridimensionalità del suono e altre sofisticherie). Non bisogna confondere queste caratteristiche con quelle relative alla ricezione FM stereo, che comporta la presenza di un apposito decoder. In genere i ricevitori AM/FM veramente stereofonici lo denotano dalla presenza di alcuni controlli supplementari (tasti mono/stereo, potenziometro di bilanciamento), oltre ad una spia, in genere costituita da una lampadina al neon, che segnala l'avvenuto "aggancio" di una emittente stereofonica. Un'occhiata all'interno del mobile della radio può essere d'aiuto a fugare ogni dubbio.

Formazione del segnale stereo

Il segnale stereofonicodi partenza, come si sa, è costituito dai due canali di bassa frequenza, destro (R) e sinistro (L). Per ottenere l’ascolto stereofonico, in ricezione i due canali devono restare distinti e separati, ed i loro contenuti si devono mescolare il meno possibile. La miscela (somma) dei due canali produce infatti il segnale monofonico (M = R + L), come si vede . Questo è ciò che capita normalmente quando si ascolta della musica stereofonica attraverso un amplificatore monoaurale: l’informazione stereofonica si perde e si ottiene un segnale che comprende sia R sia L ma è differente da entrambi. Partendo dal solo segnale M non è possibile andare a ritroso, ossia non è possibile ricavare i due segnali distinti, dato che sono mescolati indissolubilmente. Ma se si possiede M e S, o M e D, o anche altre combinazioni, per esempio la somma e la differenza dei due canali, allora è possibile recuperare i segnali di partenza effettuando delle “semplici” operazioni algebriche. L’importante è riuscire a trasmettere tutte le informazioni necessarie, sullo stesso canale radio, senza che si mescolino a loro volta. Questo è il vero problema. La soluzione è un segnale molto complesso che prende il nome di “segnale multiplex”. La sua strutturaè mostrata nel diagramma qua sotto. Mi scuso fin d’ora per la spiegazione un po’ troppo “tecnica” che segue, ma purtroppo, come dicevo, si tratta di un sistema complesso.

Ciò che è raffigurato nello schema è il modo in cui è occupata la banda di trasmissione FM, per ciascun canale di trasmissione. Il primo tratto (da qualche decina di Hz a 15kHz) è occupato dal segnale M, ossia la combinazione dei due canali stereo. Se un ricevitore si limita a ricevere quel tratto di banda è in grado di riprodurre perfettamente una trasmissione monoaurale, senza alcuna perdita di fedeltà. In questo modo è salvaguardata la compatibilità “verso il basso”. Un ricevitore equipaggiato per la ricezione stereo avrà invece una larghezza di banda di che si estenda almeno fino ai 53kHz, ed in questo modo potrà ricevere la seconda componente del segnale stereo, il segnale “differenza” L - R. Questo, però, non è stato trasmesso tale e quale, ma utilizzato per modulare in ampiezza un segnale alla frequenza di 38kHz. Questo segnale prende il nome di “sottoportante”. In questo modo si è potuto “spostare” il segnale differenzain una zona della banda non occupata. Per rendere la cosa ancora più complessa, occorre dire che la stessa sottoportante viene soppressain trasmissione per motivi di assorbimento di potenza, ma vengono trasmesse le sole bande lateralidella modulazione, come si vede in figura. Ma per poter rivelare un segnale modulato in ampiezza, occorre che la portante sia presente, e perciò viene inserita nel segnale una “nota” a 19kHz, cioè metà della frequenza della sottoportante. Questa nota si posiziona come una “riga” nello spazio vuoto lasciato dalle due bande maggiori. Il decodificatore stereoavrà anche il compito di utilizzare questa nota per ricostruire la sottoportante e poter così rivelare il segnale L - R. Infine, se la banda di ricezione si estende ancora un po’, fino verso i 57kHz, essa potrà comprendere anche le informazioni digitali presenti, sotto forma di modulazione di fase, nel segnale RDS. Questo è il segnale, usato soprattutto nelle autoradio, che porta le informazioni che appaiono sul display della radio, ossia il nome dell’emittente, le informazioni sulla trasmissione in corso, la data e l’ora eccetera. È una specie di “televideo” radiofonico. Negli Stati Uniti la cosa non finisce qui, perché molti canali FM stereo contengono ancora un ulteriore canale audio, monofonico a bassa fedeltà, che può trasportare musica di intrattenimento adatta per grandi magazzini, ambulatori eccetera.

Non scendo in ulteriori dettagli sulle interessanti tecniche usate in trasmissione per ottenere il segnale FM multiplex; vediamo invece per sommi capi quali sono i compiti che deve svolgere un decoder stereoper ricostruire il segnale da inviare agli amplificatori finali. Partiamo dal segnale in uscita dal rivelatore FM.

·         Filtraggio della “nota” a 19kHz necessaria per ricostruire la sottoportante a 38kHz. Questa viene ottenuta per semplice duplicazione di frequenza della nota ricevuta;

·         Ricostruzione del segnale completo a 38kHz modulato in ampiezza da L-R; rivelazione e filtraggio. Il risultato è la combinazione L-R originale;

·         Filtraggio del segnale L+R mediante un filtro passa-basso;

·         Combinazione algebrica (L+R)+(L-R) = 2L (canale sinistro);

·         Combinazione algebrica (L+R)-(L-R) = 2R (canale destro).

I segnali L ed R ricostruiti vengono a questo punto inviati ai canali audio, ai controlli di tono e agli amplificatori finali. Come si vede la sequenza è complessa, e si può intuire che i circuiti necessari siano delicati e di difficile messa a punto. Fortunatamente al giorno d’oggi esistono circuiti integrati monolitici che svolgono tutte le funzioni indicate, mentre negli anni ’60 occorreva una apposita sezione del ricevitore, dotata di numerosi transistor, diodi e bobine, che veniva adibita a tale compito. Per questo motivo la stereofonia era prerogativa dei complessi di classe elevata, mentre la maggior parte delle radio portatili non ne erano dotate. Ecco, per esempio, nello schema qua sotto un tipico decoder stereo utilizzato in una radio AM-FM-stereo a valvole di fabbricazione tedesca (anno 1962).

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