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

P&S Amateurfunkkurs HS 2016 Sender / Empfänger Marco Zahner (mzahner@ethz.ch) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 1

HB9: Selbstbau Erlaubt! Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 2

Prinzip NF HF NF Sender: Sprache/Morse/bits (NF) HF-Signal Empfänger: HF-Signal Sprache/Morse/bits (NF) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 3

Modulationsarten Modulation: «Veränderung» HF-Träger wird anhand des NF-Signals modifiziert NF-Signal (Sprache/Audio) Analog: Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 4

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 08.12.2016 5

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 08.12.2016 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 u HFmin m = 100V 40V 100V+40V m = 100V 70V 70V = 0.43 = 43% = 0.43 = 43% Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 7

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 08.12.2016 8

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 08.12.2016 9

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 08.12.2016 10

AM und SSB Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 11

AM und SSB LSB 1 KHz ftr Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 12

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 08.12.2016 13

Frequenzmodulation (FM) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 14

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 08.12.2016 15

Sender / Empfänger Komponenten und Funktionsblöcke Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 16

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 08.12.2016 17

Komponenten Mischer: Beispiel Ringmodulator NF Signal HF Signal Lokaloszillator (LO) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 18

Komponenten Mischer: Beispiel Ringmodulator U2 positiv: Dioden 1+3 leiten, 2+4 sperren - + Lokaloszillator (LO) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 19

Komponenten Mischer: Beispiel Ringmodulator U2 negativ: Dioden 1+3 sperren, 2+4 leiten -> Vorzeichenwechsel von U3 + - Lokaloszillator (LO) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 20

Komponenten SSB vs. Amplitudenmodulation AM 100% Modulationsgrad SSB (2-Ton test) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 21

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 08.12.2016 22

Komponenten Frequenzvervielfacher Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 23

Komponenten Schaltbilder: Symbole Verstärker (z.t mit Zusatzangaben wie Driver, PA, LNA) Frequenz-Filter: Bandpassfilter, Tiefpassfilter Mischer Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 24

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 08.12.2016 25

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 mzahner@ethz.ch 08.12.2016 26

Sender Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 27

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 mzahner@ethz.ch 08.12.2016 28

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 mzahner@ethz.ch 08.12.2016 29

Empfänger Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 30

Empfänger Empfänger: Demodulation Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 31

Empfänger Demodulation: AM AM-Geradeausempfänger: Gleichrichtung + Tiefpassfilterung (Diodendetektor) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 32

Empfänger Demodulation: FM Beispiel FM-Geradeausempfänger: Diskriminator Filterflanke (LC) -> «AM» -> Diodendetektor Heute weitaus üblicher: Demodulation mit PLL (Phase Locked Loop) Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 33

Empfänger Demodulation: SSB Produktdetektor: SSB Signal wird mit lokal erzeugtem Trägersignal (BFO) ins Basisband (NF) heruntergemischt («Produkt») Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 34

Empfänger Fragen: SSB Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 35

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 mzahner@ethz.ch 08.12.2016 36

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 08.12.2016 37

Empfänger Intermodulation Unerwünschtes Mischen von Eingangssignalen beim Empfänger Problem tritt bei Sättigung des Empfängers (starke Störer) auf Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 41

Verstärker Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 43

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 08.12.2016 44

Fragen? Beantworten wir gerne beim Apéro Marco Zahner mzahner@ethz.ch 08.12.2016 47