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Techn. Prinzip

Zu den Geräten, welche Hochfrequenz zur Kommunikation verwenden, ist jeweils eine Information zum technischen Prinzip angeführt, einzig beim Zubehör (beispielsweise einem Kopfhörer) oder einer Gegensprechanlage, welche de facto lediglich aus einem Mikrophon, Verstärker und Lautsprecher besteht, kann darauf verzichtet werden.

Empfänger

Empfangsgeräte werden dazu verwendet, auf Hochfrequenz drahtlos ausgestrahlte Signale, welche mit einer Antennenanlage am Standort des Empfängers aufgefangen wurden, in hörbare Niederfrequenzsignale umzuwandeln.

Nachdem sich mit den primitivsten Schützengrabenempfängern aus der Zeit des 1. Weltkriegs gezeigt hatte, dass Signale von eigenen und gegnerischen Stationen in einem wilden Brei aus dem Kopfhörer kamen, zeigte sich die Notwendigkeit, technisch anspruchsvolle Empfänger zu entwickeln.

In der Regel wird das Hochfrequenzsignal einmal verstärkt, mit dem Ziel, möglichst wenig Verzerrungen oder Störsignale beizumischen, dann wird aus dem breiten Spektrum der Radiofrequenzen ein möglichst schmales Segment herausgefiltert (Abstimmung des Empfängers), dieses Signal von Hoch- in hörbare Niederfrequenz zurückgeführt (Demodulation) und dann verstärkt, um es im Kopfhörer oder Lautsprecher hörbar zu machen.

Geradeausempfänger

Im Geradeausempfänger (engl. TRF, tuned radio frequency) wird das hochfrequente Antennensignal, selektiert im Abstimmkreis, direkt dem Demodulator zugeführt. Teils erfolgt vor der Demodulation noch eine Verstärkung der Hochfrequenz; in den meisten Fällen wird das niederfrequente Signal nach der Demodulation noch verstärkt, um mehr als nur Kopfhörerempfang der stärksten Stationen zu erlauben.

Früher wurden die Geradeausempfänger nach dem Schema (HF-Stufen) - V (ventil, d.h. Demodulator) - (NF-Verstärkerstufen) klassifiziert.

Die einfachste Form eines Geradeausempfängers ist der Detektorempfänger, bei dem das Signal in einem Schwingkreis aus Drehkondensator und Spule abgestimmt und unverstärkt einem Detektor oder Diode und von dort ohne Verstärkung dem Kopfhörer zugeführt wird (Schema 0-V-0).

In komplizierteren Geräten wird ein Hochfrequenzverstärker vorgeschaltet (Schema 1-V-0), wobei hohe Anforderungen an die lineare breitbandige Verstärkung und mit den frühen Mitteln rapide Verschlechterung der Verstärkungsleistung bei hohen Frequenzen und schlechte Selektivität infolge sehr eng beeinanderliegender Kanäle den Schaltungsaufwand rasch ansteigen liessen.
Die Trennschärfe kann verbessert werden, indem zwei Abstimmkreise vorgesehen werden, deren Abstimmkondensatoren dann aber mit einem hohen Aufwand zum Abstimmen in Gleichlauf gebracht werden müssen, die Hochfrequenzverstärkerstufen werden dann zwischen die Abstimmkreise geschaltet.

Um Lautsprecherempfang zu erlauben ist in der Regel nach der Demodulation eine NF-Vorverstärkerstufe und eine NF-Ausgangsstufe notwendig (Beispiel zwei HF-Vorverstärkerstufen, zwei NF-Stufen: 2 - V - 2).

Zu den Geradeausempfängern gehört auch das Audion (üblicherweise ausgeführt als Rückkopplungsaudion). In nur einer Röhre konnte gleichzeitig die Hochfrequenz verstärkt, über eine einstellbare Rückkopplung wird die verstärkte Hochfrequenz wieder an den Verstärkereingang zurückgeführt und der Verstärkungsfaktor steigt dadurch an, die Empfangskreisgüte kann durch Kompensation der Dämpfung verbessert und der Empfang trennschärfer gemacht werden. Die Demodulation erfolgt in derselben Röhre an der nicht linearen Röhrenkennlinie und die Niederfrequenz kann über ein Tiefpassfilter (die HF soll ja rückgekoppelt werden) dem Kopfhörer zugeführt werden.
Ab einem gewissen Anteil rückgeführter Energie beginnt die Audionschaltung zu schwingen, der Empfang wird verzerrt und die nun als Oszillator wirkende Schaltung strahlt über die Antenne Hochfrequenzstrahlung ab, welche bei Empfängern in der Umgebung zu Störungen führt. Die Rückkopplung muss somit stets sorgfältig reguliert werden, knapp vor dem Schwingungseinsatz ist die Entdämpfung am wirkungsvollsten, der Empfang am klarsten und die Trennschärfe optimal.

Ebenfalls unter die Geradeausempfänger - Schaltungen gehören die Superregenerativempfänger oder Pendelempfänger (Pendelaudion), bei denen ein Oszillator mit einer im unhörbar hohen Bereich liegenden Pendelfrequenz den Arbeitspunkt der Audioröhre ständig zwischen Verstärkung und Oszillation wechseln lässt und die manuelle Einstellung der Rückkopplung entfällt. Schaltungen dieser Art fanden sich zum Einsparen von Röhrenkosten in deutschen UKW-Empfängern der Nachkriegszeit und sind unter den militärisch genutzten Geräten in der Schweiz nicht vertreten.

Bedenken, dass Oszillatorschwingungen von einem Oszillator einer Superhet (oder eines Audion bei übermässig angezogener Rückkopplung) über die Antenne zur Abstrahlung kommen und eine Peilung des Empfänger möglich machen könnten, führten dazu, dass die deutsche Reichsmarine noch bis in die Jahre des Zweiten Weltkriegs auf hochgezüchtete Geradeausempfänger setzte und den Einsatz von Superhets auf Schiffen nicht zuliess - in der Schweiz wurde aufgrund der besseren Empfindlichkeit (infolge der Topographie im Alpenraum oft niedrige Signalstärken), Trennschärfe und Bedienung bereits sehr früh konsequent auf die Superhet-Technik gesetzt. So wurden die Geradeausempfänger deutscher Flugfunkanlagen beispielsweise nach kurzer Erprobung durch Superhetempfänger ersetzt.

Superhet

Beim Empfangsprinzip des Superhet, auch als Einfachsuperhet oder Einfachsuper bezeichnet, wird das Problem der breitbandigen und oft nicht linearen Hochfrequenzverstärkung auf sehr elegante Weise umgangen, indem das Empfangssignal mit dem Signal eines variablen Oszillators in einer Mischstufe gemischt wird und dadurch eine Zwischenfrequenz entstehen lässt. Für diese in einem Empfänger festgelegte Frequenz können wesentlich einfacher passende Verstärker und Filter konstruiert werden, bevor die Zwischenfrequenz dem Demodulator zugeführt wird.

In einem einfachen Superhet muss das von der Antenne herkommende Signal einen Schwingkreis (aus Spule und Drehkondensator) durchlaufen und wird dann mit dem Signal des abstimmbaren Oszillators gemischt, dessen Schwingkreis muss mit dem Antennenschwingkreis abdolut parallel laufen, weshalb Doppel-Drehkondensatoren eingesetzt werden müssen.
Die Oszillatorfrequenz liegt in der Regel höher als die gewünschte Empfangsfrequenz, durch subtraktive Mischung in der Mischstufenröhre entsteht die Zwischenfrequenz. Wenn eine zusätzliche Hochfrequenz-Verstärkerstufe zum Erreichen einer hohen Empfängerempfindlichkeit erwünscht ist, ist nach dem HF-Verstärker ein weiterer abgestimmter Schwingkreis notwendig, es muss somit ein Dreifach-Drehkondensator zum Einsatz kommen, der als Präzisionsbauteil aufwendiger und teurer zu fertigen ist.

Die Zwischenfrequenz wird in einer oder mehreren ZF-Verstärkerstufen, die einfach zu dimensionieren sind, verstärkt, allenfalls werden hier Filter eingebaut. Das Signal gelangt danach auf den Demodulator und wird auf einen NF-Vorverstärker und Ausgangsverstärker weitergeleitet.

Ein Problem des Superhet-Empfänger ist zum einen die notwendige gute Abschirmung und Temperaturkonstanz des Oszillators, zum anderen das Auftreten von Spiegelfrequenzen. In der Mischstufe wird nicht nur subtraktiv gemischt (F(ant)-F(osc)), sondern es kann auch das Produkt einer additiven Mischung entstehen (F(ant)+F(osc)), was dazu führt, dass eine Station um den Betrag der doppelten ZF tiefer nochmals auf der Skala erscheint, wo sie nicht hingehört - mittels Filterung kann diesem Problem der Spiegelfrequenzunterdrückung beigekommen werden.

Die Wahl der Zwischenfrequenz durch die Konstrukteure ergibt sich aus dem Frequenzbereich des Empfängers: bei einem Langwellenempfänger ist eine niedrigere Zwischenfrequenz günstiger, da mit einfachen Bandfiltern Filter mit ausreichend hoher Güte konstruiert werden können und das Spiegelbild der Empfangsfrequenz noch ausreichend weit abseits der eigentlichen Empfangsfrequenz auf der Skala liegt. Im Schweizer E41 liegt die Zwischenfrequenz beispielsweise bei 70 kHz für die niedrigen Frequenzbereiche um Lang- oder Mittelwelle.
Für Empfänger im Kurzwellenbereich, bei denen die doppelte ZF auf der Skala bedrohlich nahe der Empfangsfrequenz liegt, wird eine höhere ZF gewählt, bei dieser fällt allerdings die Güte von Bandfiltern (LC) zunehmend schlechter aus, so dass keramische, Quarz- oder mechanische Filter zum Einsatz kommen. Zudem ist der Aufwand zur Konstruktion von ZF-Verstärkern auf höheren Frequenzen grösser.

Eine typische oft eingesetzte Zwischenfrequenz von Rundfunkempfängern ist 455 kHz.

Doppelsuperhet

Da mit der Wahl der Zwischenfrequenz stets Kompromisse zwischen Spiegelfrequenzsicherheit (um das Auftauchen von starken Signalen als „Geisterstationen“ an falscher Stelle der Skala zu verhindern) und Trennschärfe eingegangen werden müssen, wurde in hochwertigen Empfängern das Prinzip des Doppelsuperhet oder Doppelsuper verwendet.

Das Antennensignal wird beim Doppelsuper mit einem wesentlich höherfrequenten Oszillatorsignal gemischt, so dass eine erste Zwischenfrequenz im Bereich von beispielsweise 5 MHz entsteht. Diese durchläuft Bandfilter, wird verstärkt und mit einem zweiten Oszillator auf eine zweite Zwischenfrequenz umgesetzt. Die definitive, die Empfänger-Trennschärfe bedingende Filterung und Verstärkung kann nun mit wesentlich einfacheren Mitteln geschehen.
Die möglichst hoch gewählt erste Zwischenfrequenz schützt vor Spiegelfrequenzen, die im doppelten ZF-Abstand auf der Skala erscheinen können und - im Beispiel der ZF von 5 MHz mit einem Abstand von 10 MHz - einfach ausgefiltert werden können: hohe erste ZF bedingt gute Spiegelfrequenzsicherheit.
Auf der zweiten niedrigeren Zwischenfrequenz können mit vertretbarem Aufwand bessere ZF-Filter konstruiert werden und man kommt mit weniger ZF-Verstärkerstufen aus: niedrigere zweite ZF bedingt einfacher erreichbare hohe Trennschärfe (Selektivität).

CW-Empfang

Morsezeichen, welche durch einfaches Ein- und Ausschalten eines nicht-mobulierten Hochfrequenzsignals entstehen (A1) werden im Kopfhörer nicht resp. höchstens durch leichtes Rauschen wahrgenommen. Um diese Morsezeichen hörbar zu machen, muss dem Antennensignal ein Oszillatorsignal beigemischt werden, welches sich um den Frequenzbetrag vom Antennensignal unterscheidet, der dann als hörbare Frequenz im Kopfhörer ertönen soll. Dieser, zum Telegraphieempfang (bezeichnet als A1, Telegraphie tonlos) zuzuschaltende Oszillator wird als „Telegraphieüberlagerer“ oder BFO (Beat Frequency Oscillator) bezeichnet.

In der Regel ist neben dem Schalter zum Aktivieren des BFO (teils als Betriebsart Telegraphie oder Tg. tonlos bezeichnet) auch ein Tonhöhenregler und bei älteren Geräten ein Pegelregler für das BFO-Signal vorhanden.

Bei Einseitenband-Aussendungen (SSB) wird von einem AM-Signal, welches aus zwei identischen symmetrischen Seitenbändern und dem dazwischen liegenden Trägersignal besteht, nur ein Seitenband ausgestrahlt, die Leistung der Sendeendstufe kann dadurch effizienter genutzt werden, indem die für Nutzsignal und nicht Trägersignal ohne Informationswert genutzt wird.
Um das Signal hörbar zu machen, muss anstelle des Trägersignals vom Sender im Empfänger ein Hilfsträger zugefügt werden. Für diese Funktion kommt bei einfachen SSB-Empfängern ebenfall der BFO zum Einsatz. Mit dem Tonhöhenregler muss der Abstand des Hilfsträgersignals zum empfangenen Seitenbandsignal so gewählt werden, dass die Stimem des Sprechers natürlich klingt, und weder der Brummbär brummelt noch nach Art von Mickey Mouse hochfrequent quietscht.

Einseitenbandempfang

In hochwertigen Empfängern ist der Einseitenbandempfang technisch aufwendiger gelöst.

Das empfangene einzelne Seitenband ohne Trägersignal, welches bei normaler AM-Betriebsart kaum verständlich demoduliert werden kann, wird nach Umsetzung auf die Zwischenfrequenz mit zwei schaltbaren unterschiedlichen Oszillatorfrequenzen gemischt, welche in einem fixen Abstand zur Zwischenfrequenz liegen. Mit entsprechenden spezifischen Filtern kann dann wahlweise das obere Seitenband (USB, upper sideband) oder das untere Seitenband (LSB, lower sideband) empfangen werden.

Mit entsprechenden schmalbandigen, auf optimale Sprachverständlichkeit dimensionierten, SSB-Filtern von 2,5 - 3,6 kHz Bandbreite, kann ein schwaches von Nachbarkanalstörungen beeinträchtigtes Signal verständlich gemacht werden.

FM-Empfang

Frequenzmodulierte Aussendungen, bei denen nicht die Amplitude der Seitenmbänder, welche die modulierte Sprach- oder Toninformation tragen, sondern die Sendefrequenz durch leichtgradige Schwankungen die Toninformation überträgt, wurden verbreitet in der militärischen Kommunikation erst gegen Ende des Zweiten Weltkriegs mit U.S.-amerikanischen VHF-Geräten verwendet. Im VHF-Bereich sind breitere Kanalabstände möglich, die FM-Aussendungen sind weniger anfällig für atmosphärische Störungen und die Sprachverständlichkeit ist wesentlich besser.

Im FM-Empfänger, in Geräten der Schweizer Armee kam durchwegs das Superhetprinzip zum Einsatz, wird das Antennensignal nach einer allfälligen HF-Verstärkerstufe auf eine Zwischenfrequenz von in FM-Empfängern typischerweise 10,7 MHz umgesetzt.

Das Signal wird dann im ZF-Verstärker verstärkt. Reste von Amplitudenmodulation werden eliminiert, indem das Signal stark verstärkt und dann im Begrenzer (Limiter) beschnitten wird. Die Demodulation erfolgt im Diskriminator, einer speziellen Demodulatorschaltung.

Um die Sprachverständigung zu verbessern, werden senderseitig bei FM-Aussendungen die Höhen stark angehoben. Nach der Demodulation werden in einem RC-Glied die hohen Frequenzen abgedämpft, was als De-Emphasis bezeichnet wird. In Europa wird für die Deemphasis eine Zeitkonstante von 50 μs verwendet, in den USA sind im Rundfunk 75 μs Standard, weshalb amerikanische UKW-Radios einen dumpferen Klang haben.
In der militärischen FM-Schmalbandmodulation (FM narrow) ist eine Deemphasis-Zeitkonstante von 280 μsec. üblich, beim Autophon E-628 ist die Deemphasis schaltbar.

Sender

Unterlagen

Hervorragend sind die in der technischen Ausbildung der militärischen Übermittlungsgerätemechaniker eingesetzten Lehrmittel, mit welchen schrittweise von der Wirkungsweise einfacher Bauteile bis hin zu komplexeren Sendeempfängern die Grundlagen im Selbststudium erarbeitet werden können:

Weitere Informationen

de/prinzip.txt · Zuletzt geändert: 2018/07/04 13:16 von mb