Ein Überlagerungsempfänger (Referenzoszillator) in einem Empfänger (SenderIn den meisten Fällen wird der Signalgenerator, der die Frequenz des Empfangs bestimmt, als Überlagerungsempfänger bezeichnet. Obwohl seine Rolle als Hilfsmittel beschrieben wird, hat er einen sehr großen Einfluss auf die Qualität der Empfangs- oder Sendeeinheit.
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Bezeichnung des Überlagerungsempfangs und Prinzip des Überlagerungsempfangs
In den Anfängen des Radioempfangs war ein Heterodyn für den Aufbau einer Empfängerschaltung unerlässlich. Das vom oszillierenden Eingangskreis aufgenommene Signal wurde verstärkt und anschließend detektiert und in einen Niederfrequenzverstärker eingespeist. Mit der Entwicklung von Schaltkreisen ergab sich das Problem, einen Funkverstärker mit hoher Verstärkung zu bauen.
Um einen großen Bereich zu überdecken, wurde er mit einer großen Bandbreite konzipiert, was ihn anfällig für Selbsterregung machte. Schaltbare Verstärker erwiesen sich als zu kompliziert und umständlich.
Das änderte sich mit der Erfindung des Heterodyn-Empfangs. Das Signal eines abstimmbaren (oder festen) Oszillators wird einem Mischer zugeführt. Der andere Eingang des Mischers ist das empfangene Signal, und der Ausgang ist eine große Anzahl von Raman-Frequenzen, die die Summen und Differenzen der Frequenzen des Überlagerungssignals und des empfangenen Signals in verschiedenen Kombinationen sind. In der praktischen Anwendung gibt es in der Regel zwei Frequenzen:
- f Heterodyn-F-Signal;
- f-Signal - f-Heterodyn.
Diese Frequenzen werden im Verhältnis zueinander als Spiegelfrequenzen bezeichnet. Der Empfang erfolgt auf einem Kanal, der andere wird von den Eingangsschaltungen des Empfängers herausgefiltert. Die Differenz wird als Zwischenfrequenz (ZF) bezeichnet, und ihr Wert wird beim Entwurf des Empfängers oder Senders gewählt. Die anderen kombinierten Frequenzen werden durch den Zwischenfrequenzfilter herausgefiltert.
Für industrielle Geräte gibt es Normen für die Auswahl der ZF-Frequenz. Bei Amateurfunkgeräten wird diese Frequenz unter verschiedenen Bedingungen gewählt, u. a. aufgrund der Verfügbarkeit von Bauteilen für den Bau eines Schmalbandfilters.
Die gefilterte Zwischenfrequenz wird im ZF-Verstärker verstärkt. Da diese Frequenz fest ist und die Bandbreite klein ist (2,5...3 kHz ist ausreichend für Sprachinformationen), kann der Verstärker dafür leicht schmalbandig mit hoher Verstärkung ausgeführt werden.
Es gibt Schaltungen, die die kombinierte Frequenz - f-Signal + f-Heterodyn - verwenden. Solche Schaltungen werden als "Up-Conversion"-Schaltungen bezeichnet. Dies vereinfacht die Eingangsschaltung des Empfängers.
Es gibt auch eine direkte Umwandlungstechnik (nicht zu verwechseln mit direkter Verstärkung!), bei der der Empfang fast auf der Heterodynfrequenz liegt. Diese Schaltung ist einfach im Aufbau und in der Abstimmung, aber direkte Umwandlungstechniken haben inhärente Nachteile, die die Leistung beeinträchtigen können.
Im Sender werden auch Heterodyns verwendet. Sie haben die umgekehrte Funktion, ein niederfrequent moduliertes Signal auf die Übertragungsfrequenz zu übertragen. In Kommunikationsgeräten kann es mehr als ein Heterodyn geben. Wenn also eine Schaltung mit zwei oder mehr Frequenzumwandlungen verwendet wird, werden zwei bzw. mehr Heterodynes verwendet. Es können auch Heterodynien in der Schaltung vorhanden sein, die zusätzliche Funktionen erfüllen - Wiederherstellung eines bei der Übertragung unterdrückten Trägers, Bildung von telegrafischen Paketen usw.
Die Leistung des Überlagerungsempfängers ist gering. Ein paar Milliwatt sind in den meisten Fällen für jede Anwendung ausreichend. Das Überlagerungssignal kann jedoch, wenn die Empfängerschaltung dies zulässt, in die Antenne eindringen und in einer Entfernung von mehreren Metern empfangen werden.
Es gibt eine unter Funkamateuren beliebte Geschichte, dass, als westliche Radiosender verboten waren, Vertreter der Sicherheitsdienste mit Empfängern, die auf die Frequenzen der "feindlichen Stimmen" (korrigiert um die Zwischenfrequenz) eingestellt waren, durch die Hauseingänge gingen. Angeblich war es möglich, anhand der Signale festzustellen, wer die verbotenen Übertragungen abhörte.
Anforderungen an die Heterodyn-Parameter
Die wichtigste Anforderung an ein Überlagerungssignal ist die spektrale Reinheit. Erzeugt das Überlagerungsgerät eine andere als die sinusförmige Spannung, werden im Mischer zusätzliche Raman-Frequenzen erzeugt. Wenn diese in die Bandbreite der Eingangsfilter fallen, führt dies zu zusätzlichen Empfangskanälen sowie zu "Hitpoints" - bei einigen Empfangsfrequenzen treten Pfeifgeräusche auf, die den Empfang eines Nutzsignals stören.
Eine weitere Anforderung ist die Stabilität des Ausgangssignalpegels und der Frequenz. Der zweite Aspekt ist besonders wichtig bei der Verarbeitung von Signalen mit unterdrücktem Träger (SSB, DSB usw.). Die Stabilität des Ausgangspegels lässt sich leicht durch den Einsatz von Spannungsreglern zur Versorgung der Hauptoszillatoren und durch die richtige Wahl der Betriebsart des aktiven Elements (Transistor) erreichen.
Die Frequenzkonstanz hängt von der Stabilität der Frequenzreferenzelemente (Kapazität und Induktivität des Schwingkreises) und auch von der Konstanz der Installationskapazität ab. Die Instabilität der LC-Elemente wird hauptsächlich durch Temperaturschwankungen während des Betriebs des Überlagerungsempfängers bestimmt. Zur Stabilisierung der Schaltungskomponenten werden diese in Thermostaten untergebracht oder es werden spezielle Maßnahmen ergriffen, um die Temperaturdrift der Kapazität und Induktivität zu kompensieren. Bei Induktionsspulen wird in der Regel versucht, sie vollständig thermostabil zu machen.
Zu diesem Zweck werden spezielle Konstruktionen verwendet - die Spulen werden mit einer starken Drahtspannung gewickelt, die Windungen werden mit einer Masse gefüllt, um eine Verschiebung der Windungen auszuschließen, der Draht wird in einen Keramikrahmen eingebrannt usw.
Um den Einfluss der Temperatur auf die Kapazität des Referenzkondensators zu verringern, werden zwei oder mehr Elemente mit unterschiedlichen Werten und Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten der Kapazität so ausgewählt, dass sie sich durch Erwärmung oder Abkühlung gegenseitig kompensieren.
Elektronisch gesteuerte Heterodynes, die Varicaps als Kapazität verwenden, werden aufgrund von Problemen mit der thermischen Stabilität nicht häufig eingesetzt. Die Temperaturabhängigkeit ist nicht linear und schwer zu kompensieren. Daher werden Varicaps nur als Verstimmungselemente verwendet.
Die Kapazität der Baugruppe wird zur Kapazität des Referenzkondensators addiert, und ihre Instabilität führt ebenfalls zu einer Frequenzdrift. Um eine instabile Installation zu vermeiden, müssen alle Heterodyn-Elemente sehr starr montiert werden, um selbst kleinste Verschiebungen zueinander zu vermeiden.
Ein echter Durchbruch bei der Konstruktion von Oszillatoren war die Entwicklung der Pulvergusstechnik in den 1930er Jahren in Deutschland. Dies ermöglichte die Herstellung komplexer dreidimensionaler Formen für Funkkomponenten, wodurch eine bis dahin nicht gekannte Befestigungssteifigkeit erreicht werden konnte. Damit wurde die Zuverlässigkeit der Funksysteme der Wehrmacht auf ein neues Niveau gehoben.
Wenn das Überlagerungsgerät nicht abstimmbar ist, ist das Frequenzabtastelement in der Regel ein Kristalloszillator. Dies führt zu einer äußerst stabilen Schwingung.
In den letzten Jahren geht der Trend dahin, digitale Frequenzsynthesizer anstelle von LC-Oszillatoren als Heterodynes zu verwenden. Stabile Ausgangsspannung und -frequenz sind leicht zu erreichen, aber die spektrale Reinheit lässt zu wünschen übrig, insbesondere wenn das Signal mit preiswerten Mikrochips erzeugt wird.
Heute werden alte Radioempfangstechnologien durch neue ersetzt, wie z. B. die DDC-Direktdigitalisierung. Die Zeit ist nicht mehr fern, in der die Heterodynie bei den Empfangsgeräten als Klasse verschwinden wird. Die Zeit wird nicht früh genug kommen, so dass Kenntnisse über Überlagerungsfrequenzen und Prinzipien des Überlagerungsempfangs noch lange Zeit gefragt sein werden.
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