5.1.2 Geradeaus und Überlagerungsempfänger

5.1.2 Geradeaus­ und
Überlagerungsempfänger
Die Antenne nimmt das vielfältige Signalgemisch ihres Empfangsbereichs auf. Es ist
deshalb in der Eingangsstufe eines Empfängers erforderlich, aus dem Frequenzgemisch nur den gewünschten Sender hervorzuheben. Die Signale anderer Sender müssen
abgeschwächt werden. Man nennt diesen
Vorgang Selektion. Verwendbar sind dazu
abstimmbare Bandpässe (Abbildung 2a), die
im einfachsten Fall aus einer Spule und einem
veränderbaren
Kondensator
bestehen
(Schwingkreis).
Bei einem amplitudenmodulierten Signal ist
die Wiedergewinnung (Demodulation) des Informationssignals einfach. Mit der Diode in
Abbildung 2b wird der obere Teil der amplitudenmodulierten
Schwingungen
abgeschnitten. Gibt man dieses Signal dann auf
einen hochohmigen Höhrer (dadurch erreicht
man eine geringere Dämpfung des Schwingkreises), dann wird die Membran nur von dem
Rhythmus der Modulationsschwingung bewegt. Die schnellen HF-Schwingungen haben
keinen Einfluss.
Die einfachste Empfangseinrichtung für ein
amplitudenmoduliertes Signal besteht aus
einer Abstimmeinrichtung mit einem
Schwingkreis und einer Diode zur Demodulation.
Das bisher beschriebene Verfahren wurde in
der Anfangszeit der Radiotechnik in Form von
Geradeausempfängern vervollkommnet. Um
auch noch schwache Sender empfangen zu
können, verwendete man vor der Demodulatorstufe HF-Verstärker (Abbildung 1). Die
Selektion der zu empfangenden Signale ließ
Abbildung 2: Einfache Empfangseinrichtung
amplitudenmodulierter Signale
sich durch mehrere abstimmbare Bandpässe
verbessern. Die Qualität eines Gerätes hing
von der Anzahl der Schwingkreise ab. Da sie
alle gleichzeitig auf die Empfangsfrequenz
abgestimmt werden mussten, verwendete man
mechanisch gekoppelte Drehkondensatoren.
Im Geradeausempfänger gelangt das hochfrequente Signal ohne Umwandlung bis zur
Demodulatorstufe.
Bei Geradeausempfängern ist die Herstellung
des Gleichlaufs zwischen den Abstimmkreisen
schwierig. Außerdem können mehrstufige
Hochfrequenzverstärker durch Rückkopplungen leicht instabil werden und selbst
Schwingungen erzeugen. Deshalb wurde etwa
vor 40 bis 50 Jahren ein Empfänger entwickelt, dessen Prinzip auch heute noch in fast
allen Radiogeräten anzutreffen ist.
Abbildung 1: Blockschaltbild eines Geradeausempfängers
Abbildung 3: Blockschaltbild eines Überlagerungsempfängers
Man nennt diesen Empfänger Überlage- angestrebten Gleichlauf zwischen der Oszillarungsempfänger.
tor- und Eingangsfrequenz bei einer
Frequenzabstimmung mit einem DrehkondenDas Prinzip des Überlagerungsempfängers sator.
wird in Abbildung 3 verdeutlicht. Nach der
Antenne folgt ein abstimmbarer Bandpass zur Die Spannungen mit der konstanten ZwiSelektion der Empfangsfrequenz. Auf den schenfrequenz werden im ZF-Verstärker weinachfolgenden HF-Verstärker wird aus Kos- ter verstärkt und anschließend in der bekanntengründen in vielen Geräten verzichtet. ten Weise demoduliert.
Abweichend vom Geradeausempfänger befindet sich im Überlagerungsempfänger ein Im Überlagerungsempfänger werden die
HF-Generator (Oszillator). Die ResonanzFrequenzen der Eingangsspannungen mit
frequenz des Eingangskreises und die OszillaHilfe einer Oszillatorfrequenz so umgetorfrequenz werden durch zwei miteinander
wandelt (Mischung), dass bei jeder Sendermechanisch gekoppelte Drehkondensatoren
einstellung eine konstante Zwischen(bzw. Kapazitätsdioden) gleichmäßig gefrequenz entsteht!
ändert. Stellt man die Senderabstimmung z.B.
auf eine höhere Empfangsfrequenz ein, dann An dem nachfolgenden Beispiel soll die Mischwingt auch der Oszillator auf einer höhe- schung verdeutlicht werden. Sie geschieht wie
ren Frequenz.
bei der Amplitudenmodulation mit einem
Eingangsfrequenz fE und Oszillatorfrequenz fO Bauteil, das eine gekrümmte Kennlinie besitzt
gelangen in die Mischstufe. Dort wird aus (z.B. Diode, Transistor, Röhre). Bei der
den beiden Frequenzen die Zwischenfrequenz additiven Mischung werden die MischfZF gebildet. Sie ist die Differenz zwischen Os- spannungen an eine gemeinsame Elektrode
zillator- und Eingangsfrequenz. Der Oszillator gelegt. Die Spannungen addieren sich zuschwingt im LW-, MW- und KW-Bereich nächst. In Abbildung 5a sind zwei gleichgroße
immer um etwa 460 kHz höher als die Ein- Spannungen mit unterschiedlichen Frequengangsfrequenz. Die Abbildung 4 zeigt den zen fO und fE abgebildet. Da ihre Phasenlagen
am Anfang kaum voneinander abweichen,
verstärken sich die Spannungen. Es gibt aber
auch Bereiche, in denen sie sich schwächen
bzw. fast vollständig auslöschen. Diese
Extremfälle hängen von dem Frequenzunterschied der beiden Spannungen ab. Das Ergebnis der Addition verdeutlicht Abbildung 5b.
Das resultierende Signal hat eine veränderliche Phase und Amplitude. Verbindet man die
Spitzenwerte miteinander (Hüllkurve), dann
erhält man eine Schwingung, deren Frequenz
Abbildung 4: Gleichlaufbedingungen
der
Differenzfrequenz der Ausgangszwischen Vorkreis und Oszillator beim
schwingungen entspricht.
Überlagerungsempfänger (idealisiert)
Abbildung 5: Addition von Schwingungen
gleicher Amplitude aber unterschiedlicher
Frequenz
Bisher wurden Spannungen gleicher Amplitude überlagert. Abbildung 6 verdeutlicht den
Vorgang mit Spannungen unterschiedlicher
Amplitude. Die Hüllkurve geht nicht mehr auf
Null zurück. Gibt man jetzt dieses Signal auf
eine Diode (Abbildung 7), dann wird eine
Halbschwingung abgeschnitten. Die Hüllkurve schwankt im Takt der Zwischenfrequenz
 f ZF = f O − f E  . Zur Aussiebung der
ZF schaltet man einen Bandpass dahinter.
Wenn man das Mischergebnis weiter untersucht, lässt sich auch noch die Summe aus fO
und fE nachweisen. Wenn der Bandpass jedoch auf die Differenzfrequenz abgestimmt
ist, wird nur diese Frequenz durchgelassen.
Bei der Mischung entstehen Spannungen
mit Differenz- und Summenfrequenzen.
Abbildung 6: Addition von Schwingungen
unterschiedlicher Amplitude und
unterschiedlicher Frequenz
Abbildung 7: Mischung mit einer Diode
Abbildung 8: Additive Mischung
Bei der Mischung bleibt die in der Hüllkurve
der Eingangsfrequenz enthaltene Informationsfrequenz vollständig erhalten. Die im
Vergleich zur Zwischenfrequenz sehr kleinen
Informationsfrequenzen beeinflussen die Amplitude nur sehr langsam. Auch die durch die
Mischung vorgenommene Gleichrichtung
wirkt sich nicht negativ aus. Durch nachfolgende elektrisch schwingfähige Bauteile
(z.B. Spule und Kondensator) wird eine symmetrische Spannung wieder hergestellt.
Die Mischung ist mit der Amplitudenmodulation vergleichbar. Auch bei der Amplitudenmodulation entstehen neue Frequenzen als
Summe und Differenz der Einzelfrequenzen.
Der Unterschied liegt lediglich darin, dass bei
der Amplitudenmodulation ein NF-Signal mit
einem HF-Signal und bei der Mischung zwei
HF-Signale miteinander auf ein Bauteil mit
gekrümmter Kennlinie gegeben werden.
Eine konkrete Schaltung für eine Mischstufe
zeigt Abbildung 8. An die Basis des Transistors gelangt die Eingangsspannung mit fE und
über einen Koppelkondensator die Spannung
des Oszillators mit fO. Durch die BasisEmitter-Diode des Transistors wird die Mischung vorgenommen und durch den
Schwingkreis im Ausgangskreis die Zwischenfrequenz herausgefiltert.
Zur
Kennzeichnung
von Mischstufen
verwendet man die Mischungsverstärkung.
Sie ist das Verhältnis von Zwischenfrequenzspannung zu Eingangsspannung.
vM=
u ZF
UE
Bei der bisher besprochenen additiven Mischung werden beide Spannungen auf eine
gemeinsame Elektrode gegeben.
Neben der additiven Mischung gibt es die
multiplikative Mischung. Man benötigt dazu
Bauteile, bei denen der Strom durch zwei
Steuerelektroden beeinflusst werden kann
(z.B. Doppel-Gate-Transistoren). Man kann
aber auch zwei Transistoren in Reihe schalten
und jede Basis getrennt mit fE und fO ansteuern.
Beim Überlagerungsempfänger gibt es eine
Störmöglichkeit, die durch Sender hervorgerufen wird, deren Frequenzen um die ZF höher liegen als die jeweilige Oszillatorfrequenz
(Oszillatorfrequenz ist größer als die Eingangsfrequenz).
Die
Zusammenhänge
verdeutlicht Abbildung 10. Bei der dort abgebildeten Skalenzeigerstellung wird die Zwischenfrequenz aus dem Sender mit fE und der
Oszillatorfrequenz fO gebildet. Liegt aber
auch noch im doppelten Abstand der ZF bei fS
(Spiegelfrequenz) ein Sender, dann entsteht
durch Mischung mit fO ebenfalls die Zwischenfrequenz. Zwei Sender werden bei einer
Einstellung empfangen. Liegt bei fE kein
Sender, dann entsteht lediglich Doppelempfang von fS.
Abbildung 10: Lage der Spiegelfrequenzen
Ein frequenzmäßig höher liegender Sender
stört den Sender, der um die doppelte Zwischenfrequenz tiefer liegt
(Voraussetzung: fO>fE).
Im Mittelwellenbereich lässt sich durch eine
gute Selektion der Vorkreise eine ausreichende Spiegelfrequenzsicherheit erreichen.
Bei Kurzwelle sind Spiegelfrequenzstörungen
und Doppelempfang recht häufig.
Die Mischung kann in einem Empfänger nicht
nur einmal, sondern mehrmals erfolgen. Die
Abbildung 9 zeigt einen Überlagerungsempfänger mit zwei Mischstufen. Vorstufe und
Oszillator sind im Gleichlauf, und es entsteht
in der Mischstufe die erste Zwischenfrequenz
fZF1. Da am Ausgang bereits eine konstante
Frequenz auftritt, genügt für die Erzeugung
der zweiten Zwischenfrequenz fZF2 ein Oszillator mit fester Frequenz. Danach erfolgt die
übliche Weiterverarbeitung der Signale.
Doppelsuper verfügen gegenüber Einfachsupern über eine bessere Selektion und eine größere Spiegelfrequenzsicherheit.
Zusammenfassend lassen sich folgende Aufgaben der einzelnen Stufen eines Überlagerungsempfängers festhalten:
Abbildung 9: Blockschaltbild eines Überlagerungsempfängers mit doppelter Überlagerung
(Doppelsuper)
Selektion des zu empfangenden Signals, Unterdrücken der Spiegelfrequenz, evtl. uE verstärken.
Oszillator
Erzeugen einer Spannung mit konstanter Amplitude und einer Frequenz, die um die Zwischenfrequenz höher liegt als die Eingangsfrequenz.
Mischstufe
Bilden einer konstanten Zwischenfrequenz für
jede Sendereinstellung.
ZF-Verstärker
Verstärken der Zwischenfrequenz mit der notwendigen Bandbreite, Erzeugen von steilen
Flanken an den Bandgrenzen.
Demodulator
Lösen des Nachrichtensignals vom Träger.
NF-Verstärker
Verstärken der niederfrequenten Spannung
und Ansteuern des Lautsprechers.