Radio

wat maken we?

Dit jaar maken wij, Sil en Kiefer, een radio.
Graag willen we een aantal zenders kunnen ontvangen, en met goede kwaliteit afspelen.
-Sil Vandriessche

Radio

Werking van de radio.

1. Inhoudstafel

Inhoudstafel
1. Geschiedenis
1.1. Ontdekking elektromagnetische golven
2. Elektromagnetische golven
2.1. Ontstaan van elektromagnetische golven
2.2. Elektromagnetime
  2.2.1. Enkele begrippen
   2.2.1.1. Magnetische flux Φ
   2.2.1.2. Magnetische fluxdichtheid of inductie B
  2.2.2. Opwekken van een magnetisch veld met elektriciteit
  2.2.3. Genereren van spanning door middel van een veranderend magnetisch veld
   2.2.3.1. Zin van de gegenereerde spanning
   2.2.3.2. Grootte van de gegenereerde spanning
2.3. Elektrostatica
2.4. Elektromagnetisme
2.5. Werking van een antenne
  2.5.1. Elektrische signalen
  2.5.2. Oscillerende stroom
  2.5.3. Maken van elektromagnetische golven
  2.5.4. Ontvangen van elektromagnetische golven
2.1. Energietransmissie van een antenne
3. Elektromagnetisch spectrum
3.1. Ioniserende straling
  3.1.1. Afkomst
3.2. Niet-ioniserende straling
  3.2.1 Afkomst
4. Modulatie
4.1. Wat is modulatie
4.2. Eigenschappen sinusgolf
4.3. Analoog
  4.3.1. AM
  4.3.2. FM
  4.3.3. PM
4.4. Digitaal
  4.4.1 ASK, FSK, PSK
  4.4.2 APSK
  4.4.3 QAM
5. FM radio
5.1. Werking FM
  5.1.1 Wat is FM
  5.1.2 Verschil FM en AM
  5.1.3 Voordelen FM
  5.1.4 Nadelen FM
5.2. Soorten FM ontvanger
  5.2.1. Tuned radio frequency receiver (TRF)
  5.2.2. Superheterodyne receiver
5.3. Tegenwoordige implementatie
  5.3.1. IC
  5.3.2. Werking TDA7021T
  5.3.3. Aansluitingen TDA7021T
6. DAB+
6.1. Transmissie
  6.1.1. Services
   6.1.1.1. Audio Service
  6.1.2. Werking DAB verzender
6.2. Ontvanger
  6.2.1. Implementatie DAB+ ontvanger
  6.2.2. Voorbeeld IC
7. Bibliografie
Download PDF



1. Geschiedenis

1.1. Ontdekking elektromagnetische golven

Figuur 1 James Marxwell

James Maxwell, een Schotse natuurkundige, heeft aanzienlijke bijdragen geleverd aan het veld van de natuurkunde, met name op het gebied van elektromagnetisme. Zijn belangrijkste verdienste ligt in de ontwikkeling van wiskundige vergelijkingen die het werk van Michael Faraday beschrijven. Aanvankelijk omvatten deze vergelijkingen 20 onbekenden, maar Maxwell slaagde erin ze te reduceren tot slechts 4. Deze vermindering bevestigde het bestaan van elektrische en magnetische velden, en bovendien toonde hij aan dat deze velden zich door de vrije ruimte konden verspreiden. Hoewel Faraday eerder experimenten had uitgevoerd rond dit concept, slaagde Maxwell erin om Faradays theorie op een wiskundige manier te formaliseren.


Wiskundig kan worden afgeleid uit deze vergelijkingen dat bewegende ladingen elektromagnetische golven door de ruimte uitzenden, en wel met de snelheid van het licht. Gebaseerd op deze conclusie stelde Maxwell dat licht een elektromagnetisch golfverschijnsel is. Door zijn berekeningen kon hij theoretisch de lichtsnelheid vaststellen, zoals gedocumenteerd in zijn werk "A Treatise on Electricity and Magnetism".

Figuur 2 Hertz Heinrich Rudolf

Een grote bewonderaar van Maxwells vergelijkingen is Heinrich Hertz. Omdat hij de prijs probeerde te winnen voor gespecialiseerd werk op het gebied van elektromagnetisme, bouwde hij een oscillator. Deze bestond uit een batterijgevoede vonkinductor, waaraan twee metalen bollen waren bevestigd met een kleine opening ertussen. Toen hij een elektrische stroom aanlegde, zag hij dat er vonken oversprongen van de ene op de andere bol. Dit gebeurde op geregelde tijdstippen.

Hertz dacht onmiddellijk aan de vergelijkingen van Maxwell, waarmee hij vertrouwd was. Deze gaven aan dat een oscillerende lading een elektromagnetisch veld moest uitzenden. De Duitser vroeg zich af of er onzichtbare stralingsgolven door zijn laboratorium bewogen als er een vonk oversprong.


Om de aanwezigheid van deze golven te bevestigen, creëerde hij een eenvoudige ronde draadboog met een kleine opening aan de bovenkant. Wanneer een elektromagnetische golf de draadboog bereikte, induceerde dit elektrische stroom. Deze stroom leidde tot een vonk bij de kleine opening. Door de draadboog op verschillende locaties in zijn laboratorium te verplaatsen, kon hij de straling detecteren. Hertz kon de golflengte van de straling bepalen door naar de veranderingen in sterkte te kijken in relatie tot de positie.


Figuur 3 Guglielmo Marconi

Echter was Hertz, net als Maxwell, niet overtuigd van het nut van deze ontdekking. Ze waren enkel uit op de wetenschap, en hadden hier geen toepassingen voor. Dit bleef enkele jaren zo, tot Guglielmo Marconi met deze golven ging experimenteren. Hij slaagde erin om met zelfgebouwde toestellen signalen draadloos te versturen over een afstand van 2400 meter. Hierbij maakte hij gebruik van een vonkengenerator en zijn eigen nieuwe uitvinding: de radioantenne.

Later bouwde Marconi een zendstation in Wimereux (Frankrijk). Hiermee kon hij radioberichten versturen tussen Engeland en Frankrijk. Hij kon dus de afstand over het kanaal overbruggen.


Vanwege de kromming van de aarde werd aanvankelijk aangenomen dat de maximale afstand die een radiogolf kon overbruggen, beperkt was tot 300 kilometer. Echter bewees Marconi op 12 december 1901 dat radiogolven reflecteerden op verschillende luchtlagen, waardoor ze zich konden voortplanten over de horizon. Dit illustreerde hij door morsesignalen over de Atlantische Oceaan te verzenden.


2. Elektromagnetische golven

Elektromagnetische golven zijn samengesteld uit twee transversale deelgolven, een elektrische en een magnetische golf. Deze zijn onafscheidbaar verbonden. Ze hebben dus dezelfde golflengte en dezelfde voortplantingssnelheid. De vlakken waarin deze deelgolven trillen, staan loodrecht op elkaar.

Figuur 4 Elektromagnetische straling


2.1. Ontstaan van elektromagnetische golven

Als een atoom ergens energie vandaan haalt, dan kunnen elektronen naar een hogere schil overspringen. Vervolgens keren deze elektronen terug naar hun oorspronkelijke schil. Wanneer een elektron terugkeert naar zijn schil, geeft hij de opgenomen energie terug vrij. Hierdoor ontstaat een elektromagnetische golf. De frequentie van het uitgezonden signaal kan je berekenen aan de hand met volgende formule:

\( f = \frac Eh\)

Waarbij:

\( E = energie\)

\( h = 6.63 \cdot 10^ {-34} J \cdot s \) (constante van Planck)

Aangezien de constante van Planck zeer klein is, zal de frequentie al snel zeer groot worden. Deze methode om golven op te wekken is dus niet bruikbaar voor radiogolven, wat een frequentie heeft van. Om radiogolven te kunnen opwekken, moeten we dus opzoek naar een nieuwe methode.


2.2. Elektromagnetisme

2.2.1 Enkele begrippen

Daar magnetisme een zeer uitgebreid gegeven is, zal niet alles hiervan aan bod komen. Hieronder staat een korte definities van de begrippen die we nodig hebben.

  • Magnetisch veld: Ruimte waarin de magnetische werking waarneembaar is.

  • Uniform veld: een magnetisch veld waarin de veldsterkte in elk punt gelijk is.

  • Veldsterkte H ⃗: De veldsterkte in een punt van een magnetisch veld is de kracht die in dat punt wordt uitgeoefend op de eenheidsnoordpool.

  • Veldlijnen: een ingebeelde lijn waarvan in elk punt de richting van de raaklijn overeenstemt met de richting van de veldsterkte in dat punt.

  • Permeabiliteit: De grootheid die aangeeft hoe goed magnetische veldlijnen doorgelaten worden.

  • 2.2.1.1. Magnetische flux

    Figuur 5 magnetische flux

    Magnetische flux Φ is het totaal aantal veldlijnen die aan de noordpool naar buiten treden, zich verspreiden in de ruimte en aan de zuidpool opnieuw binnentreden. Simpel gezegd is de magnetische flux dus het totale aantal veldlijnen. Wanneer we dus een uniform veld beschouwen, dan spreken we van een flux Φ door oppervlakte A.


    2.2.1.2. Magnetische fluxdichtheid of inductie B

    We brengen een stuk ijzer in de buurt van een magneet. De veldlijnen maken we zichtbaar a.d.h.v. ijzervijlsel. We zien dat de veldlijnen veel liever door het ijzer gaan dan door de omgevende lucht. Door deze concentratie van veldlijnen krijgt het stuk ijzer magnetische eigenschappen. Er wordt een noord- en zuidpool gevormd. Hierdoor ontstaat dus eigenlijk een ‘nieuwe’ magneet.

    Figuur 6 Veldlijnen doorheen een stuk ijzer


    In dit voorbeeld wordt het ijzer magnetisch door inductie. De intredende veldlijnen vormen een zuidpool. De uittredende veldlijnen een noordpool. Hierdoor komen 2 tegengestelde polen tegenover elkaar te staan, met een aantrekkingskracht tot gevolg. Dit verklaart dus waarom het stuk ijzer wordt aangetrokken tot de magneet.

    Aangezien de veldlijnen veel liever door het ijzer gaan, zal de dichtheid van de veldlijnen daar dus ook groter zijn. De inductie B is dus gelijk aan de dichtheid van de veldlijnen. Daarom dat het ook wel de magnetische fluxdichtheid wordt genoemd.

    De verhouding tussen inductie en magnetische flux is dus:

    \( B = \frac ΦA\)

    Eigenlijk is de inductie een vector, aangezien het een grootte, richting en zin heeft. Echter zullen we in de formules enkel over de grootte spreken, daar dit voldoende is om elektromagnetische golven uit te leggen.


    2.2.2. Opwekken van ene magnetisch veld met elektriciteit

    Als we een stroom door een geleider laten vloeien, dan zien we dat er rond deze geleider een magnetisch veld ontstaat.

    Figuur 7 Magnetisch veld rond een geleider


    De veldsterkte \(\vec{H}\) wordt weergegeven door de wet van Biot en Savart:

    \(H_a = \frac{I}{2\pi \cdot r} \quad (1)\)

    Nu weten we dat:

    \(µ = \frac{B}{H} \quad (2) \)

    Nu kunne we (1) invullen in (2):

    \(µ = \frac{B_A}{\frac{I}{2 \pi \cdot r}} \)

    \(B_A = µ \cdot \frac{I}{2 \pi \cdot r} \)

    Hierbij is:

  • B De inductie.
  • µ De Permeabiliteit.
  • I De stroom door de geleider.
  • r De afstand van de geleider tot het punt waarin we meten.

  • Met deze formule kunnen we dus de inductie in een punt A rond de geleider berekenen.

    We zien dat de magnetische veldlijnen concentrische cirkels zijn met de geleider als middelpunt. De zin van deze veldlijnen kun je makkelijk bepalen aan de hand van de rechterhandregel. Wanneer je je rechterduim opsteekt, dan duid je duim de zin van de stroom aan. De richting waarin je vingers krullen, tonen dan de zin van de magnetische veldlijnen aan.

    Figuur 8 rechterhandregel

    Het vlak waarin de veldlijnen van dit opgewekt magnetisch veld liggen, staat loodrecht op de stroomzin.

    Wanneer we een wisselstroom door de geleider sturen, zal dus ook het magnetisch vlak telkens van zin veranderen.


    2.2.3. Genereren van spanning door middel van een veranderend magnetisch veld

    In fysica werkt een proces vaak in 2 richtingen. Dat een stroomvoerende geleider een magnetisch veld opwekt, laat ons vermoeden dat we ook stroom kunnen opwekken wanneer we een geleider in een magnetisch veld brengen.

    Deze stelling is niet waar, maar het wijst ons wel in de goede richting. Proefondervindelijk vinden we dat er een spanning wordt opgewekt over deze geleider, wanneer we deze in een veranderend magnetisch veld plaatsen. Indien we deze geleider in een statisch veld brengen, zal geen spanning worden opgewekt.

    Een gegenereerde spanning kan slechts ontstaan als de omsloten flux in de spoel verandert (wet van Faraday).

    2.2.3.1. Zin van de gegenereerde spanning

    Wanneer we een lamp aansluiten op deze geleider, observeren we dat de energie wordt omgezet in licht. Aangezien het niet mogelijk is om energie uit het niets te creëren, moet deze lichtenergie voortkomen uit de mechanische energie die nodig is om de beweging uit te voeren. Voor het verrichten van mechanische arbeid zijn zowel kracht als verplaatsing vereist. Als er geen tegenstand was, zou er dus geen kracht worden uitgeoefend, en dus ook geen arbeid worden geleverd.

    Hieruit kunnen we concluderen dat de spoel de beweging van de magneet tegengaat. Dit bereikt ze door zelf een elektromagneet te worden met een polariteit die het opgelegde veranderende magnetische veld tegenwerkt.

    Een veranderende magnetische flux door een geleidende lus wekt een elektrische spanning en daarmee een stroom op die een tegengesteld magnetisch veld veroorzaakt. (Wet van Lenz).


    2.2.3.2. Grootte van de gegenereerde spanning

    Proefondervindelijk kun je vinden dat:

    \(E = B \cdot l \cdot v \)

    Hierbij is:

  • E Elektromotorische kracht.
  • B Inductie.
  • l Lengte van de geleider.
  • v snelheid waarmee de geleider de veldlijnen snijdt.
  • We zien in deze formule dat de lengte recht evenredig is met de opgewekte elektromotorische kracht. Dit wil dus zeggen dat hoe langer de geleider (die fluxverandering ondervindt) hoe groter de elektromotorische kracht.

    Ook de inductie is recht evenredig met de elektromotorische kracht. Aangezien de inductie afneemt met de afstand (zie opwekken van een magnetisch veld), zal de EMK dus ook kwadratisch afnemen met de afstand tot de bron (bv. Zendmast).


    2.4 Elektromagnetisme

    Zoals we al weten bestaat een elektromagnetische golf dus uit een magnetische component en een elektrische component. We hebben in de vorige paragrafen gezien hoe we een magnetisch en een elektrisch veld kunnen opwekken. Wanneer we deze combineren, kunnen we dus zeer gemakkelijk een elektromagnetische golf opwekken.


    2.5. Werking van een antenne

    2.5.1. Elektrische signalen

    Het proces begint met een elektrisch signaal. Typisch wordt dit signaal gegenereerd door een elektronisch apparaat. Dit signaal bevat informatie, zoals audio, video of data. Hoe deze informatie gecodeerd wordt in dit signaal, wordt in het hoofdstuk 4 Modulatie behandeld.


    2.5.2. Oscillerende stroom

    Het elektrisch signaal bestaat uit wisselstroom. Hierdoor zullen de elektronen zich dus zeer snel heen en weer bewegen in de antenne.


    2.5.3. Maken van elektromagnetische golven

    Wanneer de elektronen in de antenne heen en weer bewegen, creëren ze veranderende elektrische en magnetische velden. Aangezien deze dus dezelfde fase en periode hebben, zullen ze dus een elektromagnetische golf vormen. In een vacuüm zal deze zich verspreiden aan een snelheid van 299 792 458 m/s. Aangezien deze golven werden opgewekt met het elektrisch signaal dat informatie bevat, zullen deze golven dus ook diezelfde informatie bevatten.

    De amplitude en frequentie van de golf is dus recht evenredig met de amplitude en de frequentie van het elektrische signaal. Men kan hiermee dus zeer gemakkelijk de amplitude en frequentie van een radiogolf regelen. Dit is dus een zeer geschikte manier om informatie te verzenden via een radiogolf.


    2.5.4. Ontvangen van elektromagnetische golven

    Wanneer een elektromagnetische golf invalt op een antenne, zal deze terug het oorspronkelijke elektrisch signaal opwekken, weliswaar veel zwakker. Dit elektrische signaal bevat echter wel nog alle informatie.


    2.6. Energietransmissie van een antenne

    De eerste hoofdwet van de thermodynamica zegt dat energie noch opgewekt noch vernietigd kan worden. Dit is ook van toepassing op antennes.

    Dit wil dus zeggen dat alle energie die wordt opgenomen bij ontvangst ook door de zendmast moeten uitgestuurd worden. Dit heeft als gevolg dat het energieverbruik van een zendmast afhankelijk is van de ontvanger(s). Wanneer de ontvanger dus meer energie opneemt, zal de zendmast dus meer energie moeten uitzenden. Echter is dit slechts het topje van de ijsberg, en zijn veel details hier weggelaten.


    3. Elektromagnetisch spectrum

    Elektromagnetische golven komen in talloze toepassingen voor. Echter is de frequentie wel afhankelijk van de toepassing. Sommige toepassingen hebben nood aan een zeer grote frequentie, met een korte golflengte, terwijl andere toepassingen juist lagere frequenties en langere golflengten gebruiken. Er is dus een zeer groot spectrum, waarop alle toepassingen een plaats hebben.

    Figuur 9 Elektromagnetisch spectrum

    Op deze grafiek zien we dat het spectrum is onderverdeeld in 6 grote gebieden. Gammastralen hebben de grootste frequentie, terwijl radiogolven de laagste frequentie hebben. Hieronder enkele voorbeelden waarvoor deze gebieden gebruikt worden:

  • Gammastraling: Medische fysica.
  • X-stralen: Wordt gebruikt om foto’s te maken van de botten bij medische beeldvorming.
  • Ultraviolet: Het uitharden van lijm, doen oplichten van fluorescerende stoffen …
  • Zichtbaar licht: Beeldschermen, lampen …
  • Infrarood: Warmtestraling zal vaak in dit gebied plaatsvinden. Een warmtecamera kijkt dus in het infrarode spectrum. Ook wordt infraroodlicht vaak gebruikt in een afstandsbediening van een TV.
  • Microgolven: Verwarmen van voedsel
  • Radiogolven: Wordt gebruikt om data te versturen. Dit geld niet alleen voor radio, maar ook Wi-Fi, bluetooth en andere communicatietoepassingen maken hier handig gebruik van.

  • Hier is een onderscheid gemaakt tussen microgolven en radiogolven. Echter worden microgolven gedefinieerd als radiogolven in het hogere frequentiegebied. Eigenlijk mag je deze dus samennemen.


    3.1. Ioniserende straling

    Ioniserende straling is straling die genoeg energie bezit om elektronen van hun kern los te maken. Dit noemt men ioniseren. Hierna houd je dus een ion over, aangezien je een elektron minder hebt. Hierbij kan schade ontstaan aan het molecuul waarin dat atoom zich bevind. Als dit in grote aantallen of op verkeerde plaatsen gebeurt in levend weefsel, kan dit schadelijke gevolgen hebben voor de gezondheid.


    3.1.1. Afkomst

    Ioniserende straling is van nature aanwezig. Echter kan deze ook geproduceerd worden door kunstmatige bronnen. Straling van natuurlijke bronnen wordt achtergrondstraling genoemd.

    Ioniserende straling kan in volgende vormen voorkomen:

  • Gammastralen
  • X-stralen
  • Alfadeeltjes
  • Bètadeeltjes

  • Let hierbij wel dat alfadeeltjes en bètadeeltjes geen deel zijn van het elektromagnetisch spectrum. Dit zijn deeltjes waar we niet verder op in zullen gaan.


    3.2. Niet-ioniserende straling

    Zoals de naam al doet vermoeden heeft deze straling niet genoeg energie om atomen te ioniseren. Er zijn veel onderzoeken die aanwijzen dat deze straling geen schadelijke gevolgen heeft voor de gezondheid.

    Dit betekend niet dat blootstelling aan deze stralen altijd even goed is. Een voorbeeld hiervan zijn de microgolfstralen die een magnetron opwekt. Deze hebben namelijk de perfecte golflengte waardoor ze watermoleculen sneller laten trillen. Moleculen die sneller trillen, bezitten meer energie en dus zal het voedsel opwarmen. Aangezien het menselijk lichaam ongeveer 70% water bevat, is het geen goed idee om aan deze straling blootgesteld te worden.

    Een ander voorbeeld is UV-straling. Bij te lange blootstelling kan je huid verbranden. Dit kan huidkanker als gevolg hebben. Er bestaan 3 soorten UV-staling: UVA (type A), UVB (type B) en UVC (type C).

    UVA is doorheen het volledige jaar aanwezig, ook wanneer de lucht bewolkt is. Echter leidt deze straling vooral tot huidveroudering. Een dagcrème met SPF is hierbij voldoende. UVB is vooral tijdens de zomermaanden aanwezig, en kan zonnebrand veroorzaken. UVC wordt volledig geblokkeerd door de atmosfeer.

    De meeste zonnecrème blokkeert tegen UVA- en UVB-straling, maar dus niet elke zonnecrème. Bij de keuze van zonnecrème is het dus belangrijk om te controleren of ze beschermt tegen type A én type B. Echter is enkel zonnecrème gebruiken onvoldoende. Je moet het dus combineren met andere methodes, zoals schaduw opzoeken, je huid bedekken …

    Men moet dus het energieniveau van de staling in het oog houden. Bij een magnetron bezitten deze stralen te veel energie, waardoor ze dus ons lichaam opwarmen. Echter wanneer we de energie van deze stralen sterk verminderen, is deze niet zo schadelijk voor ons lichaam.

    Hierdoor kan het dus dat Wi-Fi, die een frequentie heeft in dezelfde grootteorde als een microgolfoven, momenteel niet als schadelijk wordt beschouwd voor ons lichaam. Wi-Fi en andere communicatietoepassingen moeten echter voldoen aan zeer strenge regels die opgelegd zijn door de EU. Het kan zijn dat deze regels in de toekomst strenger worden, aangezien we nog niet goed kunnen evalueren wat deze straling doet met de gezondheid van de mens. Het is dus van groot belang dat hier blijvend onderzoek naar wordt gedaan.


    3.2.1 Afkomst

    Niet-ioniserende straling kan in volgende vormen voorkomen:

  • UV-straling
  • Zichtbaar licht
  • Infrarood
  • Microgolven
  • Radiogolven

  • 4. Modulatie

    4.1. Wat is modulatie

    Wanneer je moduleert verander je 1 of meerdere eigenschappen van een golf die we de draaggolf noemen.. We passen deze eigenschappen aan volgens een signaal. Dit signaal kan een audio- of videosignaal, binaire data, etc. zijn. De draaggolf is meestal een veel hogere frequentie dan het te moduleren signaal. De reden hiervoor is omdat je voor hogere frequenties een kleinere antenne nodig hebt. Ook kun je meer data verzenden volgens een bepaalde bandbreedte.


    4.2. Eigenschappen sinusgolf

    We kunnen iedere sinusgolf beschrijven met volgende functie:

    \(f(t) = Asin(2\pi ft + \phi) \)

    Zoals we kunnen zien in bovenstaande functie hebben we 3 onbekenden om een sinusfunctie te beschrijven.

    A: dit is de amplitude van de sinusfunctie. De waarde van A beschrijft de maximale waarde van f(x).

    f: dit is de frequentie. Hoe hoger de frequentie, hoe meer de functie zich per seconde herhaald.

    φ: dit is de fase van de sinusgolf. Simpel gezegd is dit hoeveel de functie naar links of rechts verschoven is.

    We kunnen alle drie bovenstaande veranderen om een signaal in een draaggolf te moduleren.


    4.4. Digitaal

    4.4.1. ASK, FSK, PSK

    ASK (amplitude shift keying), FSK (frequency shift keying) en PSK (phase shift keying) kun je zien als de digitale varianten van bovenstaande analoge modulatie technieken. Deze modulatietechnieken verschillen van de analoge technieken doordat hierbij een specifieke waarde wordt toegewezen aan een aantal bits. Als voorbeeld kunnen we kijken naar de simpelste vorm van ASK, namelijk on- off keying. Hierbij zetten we de amplitude op 0 als we een 0 bit willen verzenden en de amplitude maximaal als we een 1 willen verzenden. Dit wordt bijna nooit meer gebruikt omdat dit zeer inefficiënt omgaat met bandbreedte. Om beter met bandbreedte om te gaan voegen we gradaties toe waardoor we meerdere bits in 1 keer kunnen verzenden.


    4.4.2. APSK

    Figuur 10 Mogelijke punten bij APSK

    APSK of amplitude phase shift keying verandert de amplitude en de fase om een digitaal signaal te verzenden. Met een amplitude en een fase kunnen we een vector omschrijven. Deze kan worden omschreven door een punt op een 2d vlak. Zoals je ziet op de tekening hieronder kunnen we met APSK cirkels vormen bestaande uit punten. Ieder punt op deze tekening stelt een paar bits voor.

    Hoe meer van deze punten we nemen hoe meer data we per seconde kunnen versturen, maar het signaal wordt dan wel gevoeliger voor fouten.


    4.4.3. QAM

    Figuur 11 Mogelijke punten bij QAM

    QAM of quadrature amplitude modulation lijkt sterk op APSK met dat het ook de hoek en fase van een draagsignaal aanpast. Het grote verschil met APSK is dat QAM de punten in een vierkant legt zoals je ziet in onderstaande figuur

    De reden dat deze punten in een vierkant liggen is omdat ieder punt dan verder van elkaar ligt. Daardoor kan QAM beter tegen interferentie dan APSK en kan zo dus meer bits per seconde doorsturen. Wat je ook kan zien op de figuur is dat er meerdere versies van QAM zijn. Deze versies hebben te maken met hoeveel bits je per keer wilt verzenden. Bv. 4-QAM kan 2 bits per keer verzenden. Want twee bits kunnen 4 verschillende waarden hebben omdat 2^2 = 4. We hebben hier dus 4 punten nodig om iedere combinatie van de 2 bits voor te stellen.



    5. FM radio

    5.1. werking FM

    5.1.1. Wat is FM

    FM of frequentie modulatie is een techniek om een audio signaal te encoderen in een draaggolf.

    Een audio signaal is een analoog signaal dat de spanning op de spoel van een speaker voorstelt. We willen dit audio signaal dus verzenden via een radiogolf. Het is ook nodig om dit op verschillende frequenties te kunnen doen zodat we meerdere radio zenders kunnen hebben. FM doet dit door het audio signaal te encoderen in de frequente. Voor een audio signaal in de frequentie te moduleren neem je een basis frequentie. In Belgie ligt dit voor FM radio tussen 87,80MHz en 108MHz. Nadat je een basisfrequentie hebt gekozen voeg je de waarde van je audio signaal vermenigvuldigt met een constante toe aan je basisfrequentie.


    5.1.2. Verschil FM en AM

    AM is amplitude modulatie. Hier vermenigvuldig je de amplitude van de radiogolf, waarover je een audio signaal wil verzenden, met de amplitude van je audio signaal op dat moment in de tijd. Dus het verschil met FM is dat je bij AM de amplitude moduleert en bij FM de frequentie moduleert.


    5.1.3. Voordelen FM

    FM heeft een paar voordelen ten opzichte van AM.

    Het eerste voordeel is dat FM veel beter tegen interferentie kan dan AM waardoor het signaal robuuster is.

    Daarnaast heeft FM ook een betere signaal tot ruis ratio. Signaal tot ruis ratio is de ratio van het vermogen van het nuttige signaal tot het vermogen van de ruis in het signaal.

    5.1.4. Nadelen FM

    FM kan niet goed tegen reflecties. Wanneer je een reflectie en het directe signaal tegelijkertijd ontvangt kan dit storingen geven in het ontvangen audio signaal. FM heeft ook een grotere bandbreedte dan AM. Hierdoor kun je minder zenders op 1 zelfde frequentie band krijgen dan dat je zou kunnen krijgen bij AM.

    De signaal tot ruis ratio ligt lager bij FM dan de meeste digitale technieken zoals OFDM. Hierdoor treden er meer fouten op tijdens het verzenden van de signalen bij FM. Dit kan zorgen voor bijvoorbeeld verminderde audio kwaliteit bij een radio.


    5.2. Soorten FM ontvanger

    5.2.1. Tuned radio frequency receiver (TRF)

    Dit is een simpele maar niet zo vaak meer gebruikte radio ontvanger.

    Figuur 12 Schema TRF

    Deze radio werkt in 3 stappen.

    1. Er worden eerst een paar filters met versterkers achter elkaar gehangen. Dit is nodig om omdat we het signaal meteen filteren op de frequentie dat het signaal toekomt. Hoe hoger de doorlaat frequentie van de banddoorlaatfilter hoe groter de bandbreedte is dat hij doorlaat. Dus als we een radio signaal van rond de 100MHz willen filteren hebben we een te grote bandbreedte. We lossen dit op door meerdere banddoorlaat filters achter elkaar te zetten

    2. De demodulator decodeert het FM signaal en zet het om in een audio signaal. Dit doet hij door te kijken naar hoe de frequentie verandert van het te demoduleren signaal en die verandering van frequentie om te zetten in een audio signaal.

    3. Daarna wordt het signaal versterkt naar een spanning die bruikbaar is voor speakers.

    Er zijn een paar nadelen aan dit type fm radio. Één van de nadelen is dat het heel moeilijk is om 1 radio zender uit te filteren omdat je filtert op de hoge frequenties. Daardoor heb je veel filters achter elkaar nodig om te zorgen dat je voldoende op 1 zender kan selecteren.


    5.2.2. Superheterodyne receiver

    Dit is de meest gebruikte radio ontvanger met ook de beste audio kwaliteit, maar is een stuk ingewikkelder dan de tuned radio frequency receiver.

    Figuur 13 Schema superheterodyne receiver


    Deze radio ontvanger werkt in 5 stappen.

    1. We filteren en versterken het signaal hier op de hoge frequentie van het radio signaal (~100MHz). Dit doen we om al een eerste keer te focussen op de gewenste radio zender. Deze filter heeft nog een grote bandbreedte zoals vermeld bij de nadelen van de TRF receiver.

    2. Nu mixen we het radio signaal met een sinusgolf met een frequentie van 10,7MHz meer of minder dan de oorspronkelijke radio frequentie afhankelijk van hoe je de mixer aansluit. De mixer vermenigvuldigt de twee signalen waardoor er 2 nieuwe signalen ontstaan waar allebei het audio signaal in gemoduleerd zit. Het eerste signaal bevindt zich op 10,7MHz en het tweede signaal bevindt zich op de radio frequentie + de frequentie van de sinusgolf.

    3. Nu filteren en versterken we het 10,7MHz signaal. Dit is makkelijker om te filteren, omdat dit signaal een lagere frequentie heeft. Met deze filter halen we de het signaal op de hogere frequentie band weg. Hiermee zorgen we dat de andere radio zenders er nog beter worden uit gefilterd.

    4. Hierna demoduleren we het signaal. Dit is hetzelfde zoals de TRF receiver waarbij we het FM signaal omzetten in een audio signaal.

    5. Als laatst versterken we het audio signaal zodat deze bruikbaar is voor speakers.

    Dit type FM radio ontvanger lost dus veel problemen op van de TRF receiver. Zoals het beter filteren op 1 specifieke radio zender. Dit is dus de reden dat de meeste moderne FM radio’s een superheterodyne ontvanger hebben.


    5.3. Tegenwoordige implementatie

    5.3.1. IC

    In de elektronica wordt tegenwoordig bijna alles met ic’s (integrated circuits) gedaan dus ook een radio. Ic’s zijn meestal kleine component die gemaakt zijn met 1 doel, bv FM radio demoduleren. Ze kunnen zo klein zijn omdat ze alle schakeling die nodig zijn om hun functie te bereiken op een silicium plaatje maken. De reden dat ze silicium gebruiken is omdat silicium een halfgeleider is.


    5.3.2. Werking TDA7021T

    Dit is een voorbeeld van een ic om FM te ontvangen.

    Figuur 14 Schema TDA7021T

    Zoals je ziet in bovenstaande tekening heeft deze ic veel functies ook al zit hij in een SOT109-1. Deze package heeft een grote van 10mmx4mmx1,75mm en is dus zeer klein.

    Als we deze tekening nu volgen van de RF input wat de antenne aansluiting is tot aan MUX out die het geluid signaal uitzend, dan zien we dat dit grotendeels hetzelfde is zoals de superheterodyne ontvanger.

    We komen dus eerst een mixer tegen die de frequentie verlaagd. Waarna we een paar filters tegen komen die de gewenste radiozender uit filteren.

    Hierna komen we een limiter tegen, dit component verlaagt alle hoge pieken tot ze eenzelfde spanning hebben.

    Hierna gaat het signaal door de demodulator. Deze zet het FM signaal om in een audio signaal, die dan nog versterkt wordt en dan naar de MUX out wordt verzonden.


    5.3.3. Aansluitingen TDA7021T

    Figuur 15 Schema TDA7021T


    Niet alle componenten kun je produceren met het halfgeleidermateriaal waarmee een IC gemaakt is. Daarom heb je een paar externe componenten nodig voor een goede werking van de IC. De tekening hierboven toont wat je allemaal nodig hebt om een radio zender te ontvangen en er een mono audio signaal van te ontvangen. In deze tekening is frf het binnenkomende radio signaal en AF output de uitgang van je audio signaal. Je sluit een spanning van tussen de 3V en 7V aan over Vp en GND. Om naar de gewenste radio zender te kunnen luisteren kunnen we nu de capaciteit van de variabele condensator aangesloten op pin 5 veranderen tot we op de juiste radio zender zitten.


    6. DAB+

    6.1. Transmissie

    Figuur 16 Diagram transmissie bij DAB+


    6.1.1. Services

    Er worden meerdere data types verzonden over DAB+ bv. Audio, nieuws en weer. Ieder van deze data types krijgt een eigen service. Een service is dus 1 specifiek datatype dat moet verzonden worden over DAB+.


    6.1.1.1. Audio service

    De audio service is de service die het audio signaal van de radio zender bewerkt. Met deze bewerkingen zorgt deze service dat het digitale signaal goed verzonden kan worden. Dit is belangrijk om zo goed mogelijke audio kwaliteit te behouden als er interferentie optreedt. Hieronder worden de verschillende stappen die de audio service doet uitgelegd.

    Figuur 17 Blokschema audio service


    1. HE AAC v2 audio encoder: Dit is een encoder die de audio comprimeert. Comprimeren betekent dat de data minder ruimte inneemt. Je hebt 2 soorten compressie. Je hebt compressie met verlies en compressie zonder verlies. Verlies betekent dat de kwaliteit van de audio vermindert, maar daardoor kun je wel meer plaats besparen. HE AAC v2 is compressie met verlies maar dit zorgt ervoor dat je minder bandbreedte nodig hebt.

    2. Audio super framing: Hier combineer je meerde audio frames (dit zijn kleine stukjes audio data) in 1 super frame. Bij DAB+ heeft 1 audio super frame altijd een lengte van 120ms.

    3. Reed-Solomon coding: Deze techniek wordt gebruikt voor foutdetectie en -correctie om ervoor te zorgen dat de ontvanger exact ontvangt wat de zender heeft verzonden. Het werkt door extra bytes toe te voegen aan elk datablok, bekend als foutcorrectiebytes. Hoewel deze bytes geen bruikbare data bevatten, moet er toch bandbreedte worden opgeofferd om ze mee te sturen. Het is echter de moeite waard om deze bytes te verzenden omdat ze fouten in de data kunnen corrigeren. Helaas heeft deze techniek een limiet: na een bepaald aantal fouten kan het systeem ze niet meer corrigeren. De Reed-Solomon foutcorrectie kan een groot aantal fouten detecteren, maar na een bepaald punt kan het ze niet meer corrigeren. Het aantal fouten dat deze foutcorrectie kan detecteren of corrigeren hangt af van het aantal foutcorrectiebytes. In het geval van DAB+ worden er 10 extra bytes aan foutcorrectie toegevoegd voor elke 110 bytes aan audio. Dit betekent dat als er bijvoorbeeld 5 bytes niet juist zijn, deze aan de hand van de 10 foutcorrectiebytes kunnen worden geïdentificeerd en gecorrigeerd. Als er echter minder dan 10, maar meer dan 5 bytes fouten bevatten, kan het systeem weliswaar een fout detecteren, maar kan het deze niet corrigeren.

    4. Virtual interleaver: In deze fase creëren we een tabel met 120 kolommen, waarvan het aantal rijen afhankelijk is van de hoeveelheid bytes in één super frame. We vullen de eerste kolom met het aantal bytes dat we willen verzenden, totdat deze vol is. Vervolgens vullen we de tweede kolom en gaan zo door totdat de eerste 110 kolommen zijn gevuld. Elke rij bevat nu dus 110 bytes. Voor elke van deze rijen berekenen we nu 10 Reed-Solomon foutcorrectiebytes. Nadat dit is gedaan, beginnen we opnieuw met het verzenden van de inhoud van de eerste kolom naar de multiplexer. Dan volgt de tweede kolom, enzovoort, totdat de volledige tabel is verzonden. Het doel van deze stap is ervoor te zorgen dat foutcorrectie plaatsvindt over delen van de data verspreid in de tijd. Hierdoor, als bijvoorbeeld een opeenvolgende reeks van 100 bytes verandert door interferentie, worden deze 100 bytes verdeeld over meerdere van de 10-byte foutcorrectiebytes in plaats van slechts 10 bytes. Hierdoor kunnen deze opeenvolgende 100 bytes nog steeds worden hersteld.

    5. Main service channel multiplexer: hier wordt het audio signaal toegevoegd aan de multiplexer die alle services combineert.


    6.1.2. Werking DAB verzender

    Figuur 18 Blokschema DAB verzender


    1. MUX controller: deze controller bedient de multiplexer. Deze is instelbaar en kan dus zorgen dat de ene service meer data kan zenden dan een andere service. Deze kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat het audio signaal meer bandbreedte krijgt dan de metadata.

    2. FIC GENERATOR: Dit is de fast information channel. dit is een apart stuk data dat gegenereerd wordt met de informatie van hoe de multiplexer geconfigureerd was en wat informatie over de verzonden services. De reden dat dit apart is van de main service channel is om de vertraging van virtual-interleaving te vermijden.

    3. Frequency interleaver: dit verdeelt de data in kleine stukjes en verstuurd die stukjes op verschillende frequenties. Dus als iets eens specifieke frequentie radio golf tegen houdt is niet alle data verloren.

    4. OFDM: dit is een orthogonal frequency-division multiplexer. Deze laat de stream van data over verschillende lage bitrate signalen over verschillende frequenties verzenden in de plaats van over 1 hoog bitrate signaal op 1 frequentie.

    5. DQPSK: Dit is een modulatie techniek die DAB+ gebruikt. Deze modulatie past de fase van het signaal aan om data te verzenden over een gegeven frequentie. Je past hier de fase aan met 45°, 135°, 225° of 315° waarmee je dus 2 bits kan voorstellen. Het verschil tussen DQPSK (differential quadrature fase shift keying) en QPSK (quadrature fase shift keying) is dat DQPSK gebruik maakt van het verschil in fase in plaats van absolute fase zoals QPSK. Het is makkelijker om met het verschil in fase te werken omdat je je fase dan niet moet synchroniseren tussen zender en ontvanger.

    Figuur 19 DQPSK


    6.2. Ontvanger

    Figuur 20 Blokschema ontvanger DAB


    De ontvanger is grotendeels het zelfde als de verzender maar dan omgekeerd. Een verschil is dat we een circuit nodig hebben om de juiste frequentie te ontvangen en te versterken en van analoog naar digitaal te veranderen. Bij de ontvanger hebben we meestal ook een “user interface” waardoor de gebruiker van de radio deze kan bedienen.


    6.2.1. Implementatie DAB+ ontvanger

    DAB+ is veel te complex om in een compact formaat puur uit halfgeleiders en passieve componenten te maken. Om dit op te lossen gebruiken we een ic, net zoals bij de FM radio. Deze ic’s bestaan dus ook voor DAB+ ontvangers. Ze maken het mogelijk om zeer compacte DAB+ radio’s te maken maar waar we toch nog alle functionaliteit hebben die we willen.

    5.2.2. Voorbeeld IC

    We kunnen bijvoorbeeld de nxp SAF360x series ic’s gebruiken. Deze ic kan FM, AM, DAB, DAB+ signalen verwerken. Met een formaat van 12mmx12mmx1.3mm kan deze chip makkelijk in draagbare apparaten verwerkt worden.

    Figuur 21 Blokschema IC


    Zoals je ziet op bovenstaand blokdiagram wijzen alle pijlen naar een rechthoek. Deze rechthoek stelt een bus voor. Dit is een communicatie lijn die zorgt dat ieder component, die op deze bus is aangesloten, met elkaar kan communiceren. Alles achter de ADC is digitaal, wat verschilt van de meeste FM ic’s waar alles analoog is. Daarna voert de ic op digitale wijze alle stappen door om het digitale signaal te decoderen en via de error correctie de fouten er uit te halen.

    7. Bibliografie

    Antenne (straling). (sd). Opgehaald van Wikipedia: https://nl.wikipedia.org/wiki/Antenne_%28straling%29

    Autoriteit Nucleaire Veiligheid en Stralingsbescherming. (sd). Ioniserende straling: bronnen en effecten. Opgehaald van Autoriteit Nucleaire Veiligheid en Stralingsbescherming: https://www.autoriteitnvs.nl/onderwerpen/straling/ioniserende-straling-bronnen-en-effecten#:~:text=Ioniserende%20straling%20is%20de%20verzamelnaam,geproduceerd%2C%20bijvoorbeeld%20met%20een%20r%C3%B6ntgentoestel

    Elektromagnetische straling. (sd). Opgehaald van Wikipedia: https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_straling#:~:text=William%20Herschel%20mat%20in%201800,die%20geen%20zichtbaar%20licht%20was.

    FM radio. (sd). Opgehaald van wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_receiver

    how dab works. (sd). Opgehaald van worlddab: https://www.worlddab.org/dab/how-dab-works

    Karel Standaert, P. H. (sd). Leerpakket elektriciteit leerboek A-2. De Boeck.

    Modulatie. (sd). Opgehaald van Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Modulation

    SAF360X. (sd). Opgehaald van nxp: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/SAF360X_FAM_SDS.pdf

    Stichting tegen kanker. (sd). Zon: vind het juiste evenwicht. Opgehaald van kanker.be: https://kanker.be/preventie/bescherm-je-tegen-de-zon/#:~:text=Type%20A%20ultraviolet%20of%20UVA,tegen%20UVA%20%C3%A9n%20UVB%2Dstralen.

    TDA7021T. (sd). Opgehaald van futurlec: https://www.futurlec.com/Philips/TDA7021T.shtml

    Wordt voedsel in een magnetron ongezonder? (sd). Opgehaald van kennisplatform: https://www.kennisplatform.nl/wordt-voedsel-in-een-magnetron-ongezonder/#:~:text=Het%20voedsel%20in%20een%20magnetron,en%20wordt%20het%20voedsel%20warm

    -Kiefer Moyaert
    -Sil Vandriessche