Frekvens - en nøkkel til å forstå analog informasjonsoverføring i lyd og bilder gjennom telefon, radio og TV

Erling Skaar (ikke ferdig)

Utgangspunktet for dette skrivet var en generell utilfredshet ved ikke å forstå hovedfunksjoner og hovedprinsippene i elektronisk utstyr jeg brukte til daglig. Bakgrunnen for å skrive ned det jeg lærte i det etterfølgende litteraturstudiet var at jeg har erfart at jeg lærer bedre og husker lengere det jeg selv også har prøvd å videreformidle til andre. Jeg håper videre at det jeg her har skrevet og tegnet kan være til nytte for andre. Selv opplever jeg at jeg har lært mye nyttig gjennom gratis internettsider, og disse artiklene er da ment å være mitt bidrag tilbake til det store ikke-kommersielle  internettfelleskapet som deler gjennom GNU-lisensen eller CC-lisensen.

Hensikten med denne artikkelen er å gi en oversikt over ulike metoder for å for å utveksle informasjon som kan være nyttig som bakgrunn for å forstå såkalt moderne kommunikasjon. I denne sammenhengen spiller begrepet frekvens en sentral rolle og derfor har jeg valgt gi frekvens en sentral plass i de beskrivelsene som følger. Frekvens er definert som antall pr tidsenhet (#/s) og det antallet det er snakk om er vanligvis såkalte  bit i digital sammenhenger og bølgelengde i analog sammenheng.

I utgangspunktet er ingen av disse signaltypene beregnet på å "leses" direkte av oss mennesker og følgelig kreves det forklaringer for at vi skal kunne forstå slik kommunikasjon. Nå er det i prinsippet mulig å tenke seg at vi mennesker kan gå over til å kommunisere direkte ved hjelp av "frekvenssignal", men det ville i så fall være lite hensiktsmessig. Vi mennesker er opplært til å lage og tolke "lydbilder"(det vi hører med ørene) og "lysbilder" (det vi ser med øynene). Her er det da viktig å merke seg at både lyd og lys i bunn og grunn er frekvenser, men poenget her er da at det ikke er nødvendig å forstå frekvensbegrepet for å kommunisere med andre mennesker. På samme måten er det også mulig for mennesker å bruke moderne kommunikasjonsteknologi uten å skjønne virkemåten til det fysiske utstyret som brukes. Mange mennesker føler imidlertid en slags utilfredshet i sammenhenger hvor man er avhengig utstyr som man ikke forstår.

Så lenge utstyre virker er kanskje alt ok, men siden ingen teknologi er problemfri, så vil man nødvendigvis møte problemer før eller senere. Mange føler det da ubehagelig å være totalt avhengig av andre for å takle ulike daglige problem. Her vil vi da understreke at det er forskjell på å forstå den prinsipielle virkemåten til ulikt utstyr og det å forstå så mye at man kan fikse alle tekniske problem. Det er da det første som er målet her, men her vil vi da samtidig understreke at en forståelse for virkemåten er noe mer enn å huske en beskrivelse i en artikkel. Den forståelsen det er snakk om her vil f.eks. gjøre at man kan analysere ulike praktiske problemsituasjoner, finne fram til den mest sannsynlige årsaken til problemet og om det er snakk om problem som kan fikses av brukeren ved f.eks. å endre innstillinger, så vil man også være i stand til å gjøre det.

I møte med moderne teknologi, er det mange mennesker som får en slags lammende ærbødighet når man f.eks. hører hvor mye data moderne elektronisk utstyr kan behandle på f.eks. ett sekund. De som på den andre siden lever av å selge  moderne teknologi vil da på sin side vanligvis ikke ha noe imot at folk flest tror at den aktuelle teknologien er "uforståelig". Så lenge folk flest bruker den vil det bety et økt behov for konsulenttjenester og dermed større profitt.

En hovedårsak til at moderne informasjonsteknologi er uforståelig for folk flest har med frekvens å gjøre. En bevissthet omkring hva som ligger i begrepet frekvens er sannsynligvis nødvendig for at mennesker i det hele tatt skal bli motivert for å forstå moderne teknologi. Generelt kan vi da si at den mennesklige hjernen, som vanligvis er både kilde og endestasjon for ulik informasjon, har en maksimalfrekvens i størrelsorden 10Hz. Det vil da si at vi kan produsere og oppfatte maksimalt ca 10 "informasjonsbiter" pr sekund. Informasjonsbiter kan f.eks være ord eller andre klart adskilte informasjonselement. På den andre siden har vi datamaskiner som f.eks. kan være koblet til en ethernet-linjer på 100Mbps (mega bit per second) som svarer til en frekvens på omkring 100MHz. Denne vil da til sammenlikning kunne utveksle og behandle i størrelsorden 10 000 000 tegn  pr sekund og  1 000 000 ord pr sekund om gjennomsnittslengden er 10. Mange tolker det at en datamaskin kan behandle ord  i størrelsorden 100 000 ganger raskere enn menneskehjernen som et bevis på at menneskehjernen er underlegen en datamaskin og derfor kanskje heller ikke er så egnet til å forstå moderne elektronisk kommunikasjon.

I slike sammenhenger er det vanlig at man glemmer at det er ulike måter å behandle informasjon, og det er da "den tunge delen" hjernen vår er skapt for å utføre. Det å tolke og vurdere informasjon slik hjernen vår gjør ligger på et helt annet nivå enn det som skjer i en datamaskin, og det er da også grunnen til at man sannsynligvis aldri vil klarer å lage en datamaskin som kan gjøre det som skjer i hjernene vår. På den andre siden er de rutinene som en datamaskin utfører på ord, tall eller annen menneskapt informasjon, svært enkle i forhold til det rutinene som foregår i hjernen vår og det er da grunnen til at datamaskinen kan behandle større datamengder på kortere tid enn vi klarere. Datamaskinen gjør med andre ord enkle rutinemessige operasjoner som det er relativt enkelt for hjernen vår å forstå om de forklares på en pedagogisk måte. På den andre siden er det meningsløst å snakke om at datamaskinen forstår hva den selv driver på med. Denne er da laget av mennesker for å utføre diverse rutineoppdrag på en rask og presis måte,  og den vil f.eks. aldri kunne tenke ut nye og bedre rutiner selv.  

Når vi mennesker skal forstå datamaskinens virkemåte så er det viktig at vi på den ene siden ikke blir blendet av det de raske og pålitelige prosessene som overgår det vi mennesker kan utføre. På den andre siden er det viktig at  vi innser at nøkkelen til å forstå datamaskinens virkemåte er å "redusere frekvensen" til en frekvens som hjernen vår takler. Det innebærer f.eks. at vi kanskje bruker 1 time på å beskrive det datamaskinen gjør på ett sekund. Det er så i neste omgang mulig å tenke seg at frekvensen til de ulike prosessene igjen økes så mye at sansene våre oppfatter lyd og "levende bilder" i stedet for mange enkeltstående prosesser. Det å forstå moderne elektronisk kommunikasjon handler derfor egentlig om å kunne "forflytte seg" oppover og nedover langs en frekvens-akse slik som antydet i nedenfor. Ved å klikke på de to tastene under figuren kan vi få en oversikt over et forholdsvis stort frekvensspekter. (en mer detaljert frekvensoversikt)

Frekvensoversikt

 

"Naturlige frekvenser"

Før vi dukker inn i elektronikkens måte å behandle informasjon, kan det være nyttig med en kort repitisjon av hva slags frekvenser vi mennesker kan nyttiggjøre oss av uten såkalt moderne teknologi. Lyd er en viktig kommunikasjonsform og øret vårt kan oppfatte frekvenser fra ca 20Hz til 20 kHz. I tillegg kan vi kjenne igjen mange ulike frekvenssammensetninger (ulike lyder) som da skyldes at lyden som når øret vårt er sammensatt av mange ulike frekvenser. Videre er øret veldig fleksibelt i forhold til lydstyrke. Det betyr at øret kan høre både svært svake lyder og svært sterke lyder.

Lys er et annet viktig kommunikasjonsorgan og øyets oppgaver er da å samle opp lys og sende informasjon videre til hjernen slik at vi kan se omgivelsene (danne oss et bilde av det som omgir oss). Lys er elektromagnetiske bølger med frekvens mellom  400THz og 800THz. De ulike frekvensene blir da oppfattet som ulike farger. Øyet er også svært fleksibelt i forhold til lysstyrke og det kan da se både svært svakt lys og svært sterkt lys.

Huden vår er følsom for temperatur (vi kan føle varme og kulde). Varme er vibrasjoner av ladninger/elektroner som utveksler elektromagnetiske bølger med omgivelsene. Det vil i praksis si at varme ting vil varme opp omgivelsene og kalde ting vil bli oppvarmet av varmere omgivelser. Når vi føler kulde så betyr det at huden sender ut mer varmestråling enn den mottar fra omgivelsene og omvendt når vi føler varme. Frekvensen til slik varmestråling er litt lavere enn den som finnes i lys. Strålingen er kalt infrarød stråling som da befinner seg under synlig lys i figuren til høyre. Når temperaturen i huda blir for høy eller for lav føler vi smerte. I begge tilfellene er det fare for at biologisk vev kan bli skadet og temperaturfølsomheten er da en slags sikkerhetsmekanisme som hindrer skade.

Mellom de frekvensens som er hørbare og  de frekvensene som utgjør varmestrålingene finnes det da et slags "hull" som våre sanser ikke kan oppfatte. Generelt kan vi da si at moderne kommunikasjon utnytter de frekvensene som befinner seg her for å frakte menneskelig informasjon lenger enn de vanlige signalene våre når. Men utgangspunktet er da alltid signal som vi mennesker kan høre eller se (lyd eller bilde/lys) og de aktuelle signalene blir da alltid tilbakeført til lyd eller bilde/lys for at vi mennesker skal kunne gjøre oss nytte av signalene. I det følgende vil vi se nærmere på hvordan disse omformingene skjer.

 

Signaloverføringen mellom vanlige telefoner

Selv om telegrafen er eldre enn telefonen, så kan vi vel likevel si at det var telefonen som gjorde at vanlige mennesker kunne kommunisere direkte med  hverandre over lange avstander. Mellom telefonapparatene var det da strukket to linjer (i noen tilfeller en linje i tillegg til jording) og lyd ble så i telefonen omdannet til elektriske signal som så igjen ble omdannet til lydsignal i den andre enden. Her er det verd å merke seg at de elektriske signalene hadde samme frekvenser som lydsignalene og det skjedde derfor ikke noen direkte omforming av signalene bortsett fra at de høyeste og laveste frekvenser falt bort. Telefonen overfører normalt frekvenser mellom 300Hz og 3400Hz men dette er da tilstrekkelig for å overføre vanlig tale på en forståelig måte. Fordelen med telefonen framfor vanlig tale eller roping var da at de elektriske signalene når lenger enn lydbølgene. Men også elektriske signalene gjennom vanlige strømledere har begrenset rekkevidde og derfor måtte signalene forsterkes med jevne mellomrom om de skulle langt. Dette var da en av grunnen til at man så seg om etter andre måter å sende signaler på.

 Signaloverføringen til vanlig radio

Radioen er et trådløst kommunikasjonsmiddel. I dette tilfellet går signalene gjennom eteren. Merk at vi her bruker ordet 'eteren' og ikke 'luften' som navn på det mediet som bærer radiobølgene. Generelt kan vi si at eteren er det som blir igjen når vi tar bort luften. Signalene består av elektromagnetiske bølger som er av samme typen som vi finner i lys og varme, men de har da andre frekvenser.

I prinsippet er det  mulig å lage elektromagnetiske bølger med samme frekvenser som talen vår og sende disse over lengere avstander som radiobølger. I praksis er det uhensiktsmessig når det finnes elektromagnetiske bølger med høyere frekvenser som blant annet gjør at vi kan sende mange signal samtidig uten at de forstyrrer hverandre. Dette vil vi komme tilbake til seinere. I første omgang er det viktig å forstå hvordan et lydsignal med frekvens i størrelsorden 1kHz kan sendes via elektromagnetiske signaler som har en frekvens i størrelsorden 1MHz (mellombølge). Merk at det her er snakk om en frekvensforskjell på ca 1000.

Modulering
Prinsippet vi bruker når vi sender noen frekvenser (i dette tilfellet vanlige lyder) på eller ved hjelp av andre og da mye høyere frekvenser kalles modulering. Det finnes to typer modulasjon som brukes ved vanlig radiokommunikasjon. Disse kalles da amplitudemodulasjon og frekvensmodulasjon. Amplitudemodulasjon brukes i AM-området (langbølge, mellombølge og kortbølge) mens frekvensmodulasjon brukes da i det såkalt FM-området i tillegg til annen type trådløs kommunikasjon med tilsvarende høye frekvenser (fra ca 10MHz og oppover).  

Amplitudemodulering (AM)
Om en radiosender sender vekselstrøm til en antenne, så vil denne antenna sende ut elektromagnetiske bølger med samme frekvens ut i eteren. Det er da slike elektromagnetiske bølger som når antennen til en vanlig radiomottaker og som så i denne blir omdannet til lyd i høytaleren. Figuren til høyre viser en lydbølge (i dette tillfellet en harmonisk tone ute overtoner eller andre ekstralyder) som da har en frekvens i størrelsorden 1000Hz. Denne blir i en mikrofon omdannet til elektriske signal med samme frekvens og kan derfor fremstilles med samme figuren. Om vi så i radiosenderen blander den aktuelle bølgen med en såkalt bærebølge med mye høyere frekvens (f.eks. 1000 ganger høyere frekvens), vil vi få en bølge som ser ut som den nederste bølgen. Generelt kan vi da si at den lavfrekvente bølgen bestemmer amplituden eller styrken på den høyfrekvente bølgen. Denne bølgen sendes så til senderantennen og det er da en tilsvarende bølge som oppfanges av motakerantennen på radiomottakeren. I radiomotakeren filtreres så de høyfrekvente signalene bort og om man samtidig tar bort den nedre halvdelen av signalet sitter man  igjen med et elektrisk signal som likner på den lydbølgen vi startet med. De aktuelle signalet sendes da til høytaleren og vi hører da den samme lyden som i utgangspunktet gikk inn i mikrofonen på sendersiden.

 Frekvensmodulasjon(FM)
Mens et AM-signal bare bruker en frekvens så vil et frekvensmodulert signal bruke mange frekvenser. Det er da grunnen til at frekvensmodulasjon passer dårlig i frekvensområdene omkring 1MHz. I dette området har man frekvenser som når ganske langt gjennom atmosfæren og er derfor populære av den grunn. Problemet med disse relativt lave frekvensene er at disse gir plass for relativt få ulike radiostasjoner. I utgangspunktet må det være litt avstand mellom de ulike radiofrekvensene i eteren for at det ikke skal forstyrres av andre radiostasjoner med nærliggende frekvenser. Derfor har man ikke tillatt at noen brer sine signal utover mange frekvenser slik som man gjør ved frekvensmodulasjon. Men om man derimot øker frekvensen til bærebølgen fra 1MHz til 100MHz så betyr det at man får plass til 100 ganger mer informasjon mellom en frekvens og den doble frekvensen. Om vi f.eks. tenker oss at det må være 10 kHz mellom hver radiostasjon for at de ikke skal forstyrre hverandre så betyr det at det vil være plass til 100 ulike stasjoner mellom 1MHz og 2MHz (I mellombølgeområdet). Men om vi i stedet ser på området mellom 100MHz og 200MHz så vil man da kunne få plass til 100 ganger flere (10 000). Nå er i tillegg dette et frekvensområde hvor radiobølgene har relativt kort rekkevidde ved jordoverflaten (de bøyes ikke ned bak horisonten) og de kan vanligvis bare oppfanges i områder som har tilnærmet siktelinje til senderen. Det betyr f.eks. at det bare er nærliggende radiostasjoner som kan forstyrre hverandre og følgelig har man ikke behov for mange ulike radiokanaler og hver radiokanal kan da breie seg litt mer i frekvensområdet.

Modulasjonstypen man vanligvis bruker i dette området kalles frekvensmodulasjon og figuren til venstre viser en lydbølge som blandes med en bærebølge ved hjelp av frekvensmodulasjon. Resultatet som så sendes ut på eteren blir da en radiobølge med varierende frekvens. Generelt kan vi si at variasjonen i frekvens er like stor som variasjonen i frekvensen til lydbølgen (i størrelsorden 15kHz). Den aktuelle radiobølgen fanges så opp av antennen til radiomottakeren. En måte å tenke seg demoduleringen av det aktuelle radiobølgen er at det finnes en krets som får høy spenning på utgangen når frekvensen er høy og en lav spenning på utgangen når frekvensen er lav.  

I praksis vil en vanlig FM-radio kunne skille stasjoner som har en frekvensforskjell på ca 0,5MHz  og det betyr i tilfelle at båndbredden til selve signalet er ca. 30kHz (2x15kHz p.g.a. stereo) mens det da blir 470kHz mellom to nærliggende radiostasjoner. Jo bedre en radiomottaker er, jo bedre skiller den mellom nærliggende frekvenser. For at flest mulige radioer skal fungere er det derfor ønskelig med litt mer enn minimum frekvensavstand mellom radiokanalene i FM bandet.

 Signaloverføring til vanlig TV

Også TV bruker radiobølger med frekvenser fra ca 50MHz og oppover som er frekvensmodulert. Et TV overfører både bilde og lyd og det betyr at det trenger en større frekvensbredde enn FM-radioen. Den aktuelle variasjonen i frekvens kalles båndbredde og båndbredden til et vanlig TV-signal er da fra 7 til 8MHz inklusive ekstra frekvensavstand mellom kanalene. Selve kanalen har da en båndbredde på omkring 5,5-6MHz, men siden det ikke er teknisk mulig å filtrere bort alle bølger over eller under en viss frekvens, så må man ha litt avstand mellom kanalene.

Et vanlig TV er laget for å motta såkalte TV-signal som da er frekvesmodulerte signal på en bærebølge med frekvens mellom ca 47MHz og 790MHz. Merk at det bare er deler av dette frekvensområdet som brukes til TV-signal. Store deler av området er reservert for annen type kommunikasjon. I praksis vil da en mengde ulike frekvenser fra ulik type kommunikasjon treffe antenna og følge kabelen inn i TV'n. Her vil da TV'n filtrere ut de frekvensene som hører til den kanalen som er valgt (overse alle andre frekvenser). Dette signalet som vi da kan kalle et TV-signal blir så demodulert og det gir da opphav til to lydsignal (ved stereo) med frekvensbredde omkring 15Hz og et såkalt video-signal som går til skjermen som inneholder 25 bilder pr sekund.  

Prinsipp for overføring av video-signal  
Figuren til høyre viser prinsippet for overføring av et sort-hvitt videosignal. hvor oppløsningen er 4x4=16 bildeelement og bildefrekvensen er ca 10 Hz( 10 bilder pr sekund). Nå brukes det ulike TV-system omkring i verden men det finnes da en europeisk standard som har 625 linjer og 25 bilder pr sekund. Som figuren viser vil kameraet måle et slags gjennomsnittslys i en aktuell rute og skjermen vil da gjengi dette som et felt uten mindre detaljer. Dette og andre begrensninger gjør at det på en vanlig TV-skjerm vil være i størrelsorden 410 bildepunkter i vertikalretning på en TV-skjerm.

Når det gjelder  antall horisontale punkter/felt, så er de avhengig av den såkalte båndbredden. Om vi f.eks. skal ha 550 bildepunkt i horisontalretningen betyr det at skjermen totalt sett består av 550x410»225 000 bildepunkt. Til sammenliknikning vil en 35mm spillefilm har ca 500 000 aktive bildeelement mens en 16mm film vil ha ca 200 000 aktive bildeelement. Båndbredden til det aktuelle bildesignalet vil da være omkring 5MHz mens båndbredden til signalet til venstre er 10Hz (10 punkt pr sekund). På et TV er det ellers vanlig at hvert helbilde avtegnes på skjermen som to delbilde hvor elektronstrålen hopper over annenhver linje. I praksis betyr det at vi får 50 halvbilder pr sekund. Siden det er snakk om 312 linjer pr halvbilde (625/2) betyr det at linjefrekvensen (linjer pr sekund) er 15,6kHz (50x312)

Som en oppsummering kan vi si at et TV-bilde har 50 halvbilder pr sekund (vertikalfrekvens eller bildefrekvens: 50Hz) og 15 600 linjer pr sekund (linjefrekvens 15,6kHz). For at elektronstrålen så skal kunne avtegne ca 550 horisontale punkt på en linje, må selve  signalfrekvensen være i størrelsorden 5MHz. Det betyr i praksis at bærefrekvensen for de aktuelle signalene må være høyere og de laveste TV-kanalene har frekvens omkring 50MHz.

 Som animasjonen ovenfor viser er det vanskelig å se hva som er avbildet om oppløsningen blir for lav. Figurene til høyre viser da hva som skjer når man øker oppløsningen.

Alle TV-signal inneholder en slags kjerne som gir sort/hvit-bilder med gråtoner slik  som antydet her. Men vanlige TV-bilder har også farger og disse fargene overføres da sammen med signalet som gir gråtone (lumininanssignalet). Et TV-kamera  eller et Video-kamera vil da lage et video-signal som inneholder både luminisanssignalet samt to andre signal og disse vil til sammen inneholde informasjon om gråtone og de 3 grunnfargene rødt, grønt og blått. De fire signalene er da modulert på en bærebølge med frekvens 4,43MHz. Gråtonene (lumininanssignalet) er da amplitudemodulert mens fargene er fasemodulert på to ulike bølger som er 90 grader forskjøvet i forhold til hverandre. Prinsippet som da gjør at det er mulig å få informasjon om tre farger utfra to fargesignal er da at begge de fasemodulerte fargesignalene angir forskjellen mellom en farge og luminisansignalet og i denne sammenhengen vil det da bli en "rest" som da inneholder opplysninger om den tredje fargen. Et slikt video-signal kan da sendes gjennom vanlige skjermede kabler mellom videospiller, videokamera, PC , TV, videokanon ol. Disse signalene inneholder da bare bildesignal og lyd må da overføres på andre linjer (2 stk om stereo).

Figuren til høyre viser to vanlige kontakter som brukes for å overføre videosignal. Den med mange pinner kalles scart-kontakt og overfører da både bilde og lyd. Den andre overføre da enten bilde eller en lydkanal.

På den andre siden har vi TV-signal som vi får fra TV-antennen. Dette skal da inn på antenneinngangen på et TV eller en videospiller og det inneholder da informasjon om både bilde og lyd. Denne informasjonen er modulert på bærebølger fra ca 50MHz og oppover avhengig av hvilke kanal det er snakk om.

Det er også vanlig å motta TV-sendinger via satellitt og parabol og i disse tilfellene er det snakk om en tredje type signal (ikke videosignal eller TV-signal). Disse signalene har da en frekvens i størrelsorden 10GHz og det trenges da en såkalt dekoder for å omgjøre disse signalene til videosignal og lydsignal som så overføres til TV'n.  

 (mer planlagt)