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 Überlagerungsempfänger. Das Prinzip des Überlagerungsempfängers wird in Abbildung 3 verdeutlicht. Nach der Antenne folgt ein abstimmbarer Bandpass zur Selektion der Empfangsfrequenz. Auf den nachfolgenden HF-Verstärker wird aus Kostengründen in vielen Geräten verzichtet. Abweichend vom Geradeausempfänger befindet sich im Überlagerungsempfänger ein HF-Generator (Oszillator). Die Resonanzfrequenz des Eingangskreises und die Oszillatorfrequenz werden durch zwei miteinander mechanisch gekoppelte Drehkondensatoren (bzw. Kapazitätsdioden) gleichmäßig geändert. Stellt man die Senderabstimmung z.b. auf eine höhere Empfangsfrequenz ein, dann schwingt auch der Oszillator auf einer höheren Frequenz. Eingangsfrequenz f E und Oszillatorfrequenz f O gelangen in die Mischstufe. Dort wird aus den beiden Frequenzen die Zwischenfrequenz f ZF gebildet. Sie ist die Differenz zwischen Oszillator- und Eingangsfrequenz. Der Oszillator schwingt im LW-, MW- und KW-Bereich immer um etwa 460 khz höher als die Eingangsfrequenz. Die Abbildung 4 zeigt den Abbildung 4: Gleichlaufbedingungen zwischen Vorkreis und Oszillator beim Überlagerungsempfänger (idealisiert) angestrebten Gleichlauf zwischen der Oszillator- und Eingangsfrequenz bei einer Frequenzabstimmung mit einem Drehkondensator. Die Spannungen mit der konstanten Zwischenfrequenz werden im ZF-Verstärker weiter verstärkt und anschließend in der bekannten Weise demoduliert. Im Überlagerungsempfänger werden die Frequenzen der Eingangsspannungen mit Hilfe einer Oszillatorfrequenz so umgewandelt (Mischung), dass bei jeder Sendereinstellung eine konstante Zwischenfrequenz entsteht! An dem nachfolgenden Beispiel soll die Mischung verdeutlicht werden. Sie geschieht wie bei der Amplitudenmodulation mit einem Bauteil, das eine gekrümmte Kennlinie besitzt (z.b. Diode, Transistor, Röhre). Bei der additiven Mischung werden die Mischspannungen an eine gemeinsame Elektrode gelegt. Die Spannungen addieren sich zunächst. In Abbildung 5a sind zwei gleichgroße Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen f O und f E 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 der Differenzfrequenz der Ausgangsschwingungen entspricht.
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 f O und f E 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 f E und über einen Koppelkondensator die Spannung des Oszillators mit f O. Durch die Basis- Emitter-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. v M = u ZF U E 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 f E und f O 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 f E und der Oszillatorfrequenz f O gebildet. Liegt aber auch noch im doppelten Abstand der ZF bei f S (Spiegelfrequenz) ein Sender, dann entsteht durch Mischung mit f O ebenfalls die Zwischenfrequenz. Zwei Sender werden bei einer Einstellung empfangen. Liegt bei f E kein Sender, dann entsteht lediglich Doppelempfang von f S. Abbildung 10: Lage der Spiegelfrequenzen Ein frequenzmäßig höher liegender Sender stört den Sender, der um die doppelte Zwischenfrequenz tiefer liegt (Voraussetzung: f O>f E). 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 f ZF1. Da am Ausgang bereits eine konstante Frequenz auftritt, genügt für die Erzeugung der zweiten Zwischenfrequenz f ZF2 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. u E 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.