Sender / Empfänger. P&S Amateurfunkkurs HS Marco Zahner Institute of Electromagnetic Fields (IEF) ETH Zürich

Transkript

1 P&S Amateurfunkkurs HS 2016 Sender / Empfänger Marco Zahner (mzahner@ethz.ch) Marco Zahner mzahner@ethz.ch

2 HB9: Selbstbau Erlaubt! Marco Zahner

3 Prinzip NF HF NF Sender: Sprache/Morse/bits (NF) HF-Signal Empfänger: HF-Signal Sprache/Morse/bits (NF) Marco Zahner

4 Modulationsarten Modulation: «Veränderung» HF-Träger wird anhand des NF-Signals modifiziert NF-Signal (Sprache/Audio) Analog: Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Marco Zahner

5 Modulationsarten Modulation: «Veränderung» HF-Träger wird anhand des NF-Signals modifiziert NF-Signal (Bits) Digital: Amplitude: ASK / OOK Frequenz: FSK Phase: PSK Marco Zahner mzahner@ethz.ch

6 Amplitudenmodulation (AM) Modulationsgrad Stärke der Beeinflussung des Trägers durch NF-Signal m = u HFmax u HFmin u HFmax + u HFmin = u HFmax u Traeger u Traeger u HFmax u Traeger m = 141V 0V 141V+0V = 1 = 100% u HFmin Marco Zahner mzahner@ethz.ch

7 Amplitudenmodulation (AM) Modulationsgrad Stärke der Beeinflussung des Trägers durch NF-Signal m = u HFmax u HFmin u HFmax + u HFmin = u HFmax u Traeger u Traeger u HFmax u Traeger u HFmin m = 100V 40V 100V+40V m = 100V 70V 70V = 0.43 = 43% = 0.43 = 43% Marco Zahner mzahner@ethz.ch

8 Amplitudenmodulation (AM) Spektrum HF HF NF LSB USB fnfmax ftr f ftr-fnfmax ftr ftr+fnfmax f BNF BHF AM = Zweiseitenband-Modulation AM Bandbreite: BHF = 2x fnfmax -> Bandbreitenverschwendung? Marco Zahner mzahner@ethz.ch

9 Amplitudenmodulation (AM) Spektrum: Leistung NF LSB USB f1 ftr 100W 100W f Modulation (m=1) 25W 25W ftr-f1 ftr ftr+f1 f BNF Gesamtleistung: PAM = P Träger (1+0.5 m 2 ) Träger enthält aber keine Information -> Leistungsverschwendung? Marco Zahner mzahner@ethz.ch

10 Einseitenbandmodulation (SSB) Spektrum: Beispiel USB HF HF NF LSB USB BNF fnfmax ftr f ftr BSSB Einseitenband-Modulation: Träger und eines der 2 Seitenbänder wird unterdrückt BSSB = BNF -> Effiziente Nutzung von Bandbreite und Leistung ftr+fnfmax f Marco Zahner mzahner@ethz.ch

11 AM und SSB Marco Zahner

12 AM und SSB LSB 1 KHz ftr Marco Zahner mzahner@ethz.ch

13 Frequenzmodulation (FM) Prinzip : NF-abhängiger Frequenzshift des HF-Trägers Frequenzhub Δf hängt von der Lautstärke des NF sowie dem Modulationsindex ab Modulationsindex: m = f f NFmax Höchster Frequenzanteil im NF-Signal Bandbreite: B 2 ( f + f NFmax ) Amateurfunk: typische NF-Bandbreite 3 khz Marco Zahner mzahner@ethz.ch

14 Frequenzmodulation (FM) Marco Zahner

15 Modulationsarten Internationale Bezeichnung X#X Verfahren Art der Modulation Inhalt A (AM); F (FM); J (SSB); R (Rest-SB); G (Phasenmod.) 1 (digital, direkt); 2 (digital, mit HT); 3 (analoges Signal) A (Morse); B (Fernschr.); C (FAX); E (Sprache, Audio) Beispiele: Marco Zahner mzahner@ethz.ch

16 Sender / Empfänger Komponenten und Funktionsblöcke Marco Zahner mzahner@ethz.ch

17 Komponenten Der Mischer Symbole: Idealer Mischer = Multiplizierer Anwendung: Frequenzumsetzung A cos(ω 1 t) B cos(ω LO t) = A B cos ω 1 t + ω LO t + cos ω 1 t ω LO t 2 khz 100 khz f1 fout 98 khz 102 khz f1 flo f flo flo-f1 flo+f1 f Marco Zahner mzahner@ethz.ch

18 Komponenten Mischer: Beispiel Ringmodulator NF Signal HF Signal Lokaloszillator (LO) Marco Zahner

19 Komponenten Mischer: Beispiel Ringmodulator U2 positiv: Dioden 1+3 leiten, 2+4 sperren - + Lokaloszillator (LO) Marco Zahner mzahner@ethz.ch

20 Komponenten Mischer: Beispiel Ringmodulator U2 negativ: Dioden 1+3 sperren, 2+4 leiten -> Vorzeichenwechsel von U3 + - Lokaloszillator (LO) Marco Zahner mzahner@ethz.ch

21 Komponenten SSB vs. Amplitudenmodulation AM 100% Modulationsgrad SSB (2-Ton test) Marco Zahner

22 Komponenten Frequenzvervielfacher Symbol: 1 N 1. Eingangssignal 2. Verzerrung nichtlineare Kennlinie 3. Filterung (+Verstärkung) f1 f f1 2f1 3f1 4f1 f f1 2f1 3f1 4f1 f P&S Amateurfunkkurs: Sender/Empfänger Marco Zahner mzahner@ethz.ch

23 Komponenten Frequenzvervielfacher Marco Zahner

24 Komponenten Schaltbilder: Symbole Verstärker (z.t mit Zusatzangaben wie Driver, PA, LNA) Frequenz-Filter: Bandpassfilter, Tiefpassfilter Mischer Marco Zahner

25 Komponenten Schaltbilder: Oszillatoren Quarz-Oszillator (fixe Frequenz) Oszillator mit einstellbarer Frequenz VFO: Variable Frequency Oscillator VCO: Voltage Controlled Oscillator (Teil jeder PLL-Schaltung) Oszillator mit einstellbarer Frequenz: BFO = Beat Frequency Oscillator Letzter Lokaloszillator bei SSB-Empfängern Marco Zahner mzahner@ethz.ch

26 Komponenten Schaltbilder: Demodulation Demodulator für AM-Signale: Gleichrichter Demodulator für FM-Signale: Diskriminator Phasenkomparator: Teil jeder PLL-Schaltung Teil des PLL-Demodulators für FM-Signale Marco Zahner

27 Sender Marco Zahner

28 Sender: AM und FM Frage 5.2 Welches Blockschaltbild zeigt einen Sender der nach dem Prinzip der Frequenzvervielfachung arbeitet? Frequenzvervielfachung: Stabilität und Präzision eines Quarzoszillators auch bei höheren Trägerfrequenzen. FM «überlebt» die Vervielfachung (Frequenzhub skaliert mit N) Marco Zahner

29 Sender: SSB Frage 5.4 Welches der folgenden Blockschaltbilder stellt einen SSB-Sender (J3E) dar? SSB Sender: NF-Modulator mit Bandpassfilter (Unterdrückung von Träger und eines Seitenbandes); VFO zur Frequenzeinstellung erst danach. P&S Amateurfunkkurs: Sender/Empfänger Marco Zahner

30 Empfänger Marco Zahner

31 Empfänger Empfänger: Demodulation Marco Zahner

32 Empfänger Demodulation: AM AM-Geradeausempfänger: Gleichrichtung + Tiefpassfilterung (Diodendetektor) Marco Zahner mzahner@ethz.ch

33 Empfänger Demodulation: FM Beispiel FM-Geradeausempfänger: Diskriminator Filterflanke (LC) -> «AM» -> Diodendetektor Heute weitaus üblicher: Demodulation mit PLL (Phase Locked Loop) Marco Zahner

34 Empfänger Demodulation: SSB Produktdetektor: SSB Signal wird mit lokal erzeugtem Trägersignal (BFO) ins Basisband (NF) heruntergemischt («Produkt») Marco Zahner

35 Empfänger Fragen: SSB Marco Zahner

36 Empfänger Empfängerprinzipien Geradeausempfänger: HF-Signal wird direkt demoduliert. (d.h Eingangsfrequenz) Kanaleinstellung: Eingangsfilter Überlagerungsempfänger: Signal wird vor der Demodulation (z.t mehrmals) heruntergemischt. Kanaleinstellung: LO-Frequenz Zwischenfrequenz Lokaloszillatoren Marco Zahner

37 Empfänger 2fach Überlagerungsempfänger «Doppel-Superheterodynempfänger» 1. Mischer 2. Mischer HF 1. ZF 2. ZF NF Abstimmung BW=10MHz fsig 430 MHz fvfo Spiegelfrequenz f BW=2.7kHz flo 455 khz 300Hz-3 khz NF Marco Zahner mzahner@ethz.ch

38 Empfänger Marco Zahner

39 Empfänger Marco Zahner

40 Empfänger Marco Zahner

41 Empfänger Intermodulation Unerwünschtes Mischen von Eingangssignalen beim Empfänger Problem tritt bei Sättigung des Empfängers (starke Störer) auf Marco Zahner

42 Empfänger Marco Zahner

43 Verstärker Marco Zahner

44 Verstärker Verstärkerklassen Klasse A Arbeitspunkt im linearen Bereich; TR Leitet immer! + hohe linearität, einfacher Aufbau - Niedrige Effizienz (max. 25%) Klasse B Transistor leitet nur eine Halbwelle + Effizienz (>70%) - Hoher Grad an Verzerrungen Klasse AB 2 Transistoren leiten abwechslungsweise + Wesentlich effizienter als Klasse A - Gewisse Verzerrungen beim Nulldurchgang Klasse C Transistor meist ganz ein oder ganz aus + Hohe Effizienz (bis 90% möglich) - BPF am Ausgang nötig / schmalbandig Marco Zahner mzahner@ethz.ch

45 Verstärker Marco Zahner

46 Verstärker Marco Zahner

47 Fragen? Beantworten wir gerne beim Apéro Marco Zahner