Signalverarbeitung

Dieses Kapitel befasst sich mit den Signalverarbeitenden Komponenten in Sender und Empfänger. Die Komponenten werden hier als "Blackbox" behandelt, das bedeutet, dass die reale Konstruktion der Bauteiles irrelevant ist, und wir uns lediglich mit der Funktionalität des Bauteiles befassen.

Oscillator Oszillator

Der Oszillator (auch Generator genannt) erzeugt durch Schwingung eine Frequenz. Historisch wurden viele verschiedene Bauformen dafür erfunden, durch moderne Elektronik hat sich ein Schwingquarz Crystal oscillator durchgesetzt. Gute Schwingquarze sind schon für wenig Geld zu haben. Da die Schwingfrequenz durch Temperaturveränderungen abweichen kann, sind Oszillatoren teilweise beheizt.

Eine Subklasse sind die verstellbaren Oszillatoren Variable oscillator
Die Einstellung eines solchen Oszillators geschieht häufig mechanisch (z.B. Potentiometer), oder elektrisch über die Spannung. Dadurch sind der Genauigkeit Grenzen gesetzt, von daher finden verstellbare Oszillatoren nur bei niedrigen Frequenzen Anwendung.

VCO

VCO ist die englische Abkürzung für "Voltage Controller Oscillator" (Spannungsgesteuerter Oszillator). Sie sind nicht besonders genau, aber durch die Spannungssteuerung elekronisch relativ einfach zu steuern.

BFO

BFO ist die englische Abkürzung für "Beat Frequency Oscillator" (Schwebungssummer). Dieser spezielle Generator wird gebraucht um den unterdrückten Träger bei SSB im Empfänger zu erzeugen. Er macht auch CW Verbindungen hörbar.

Frequency multiplier Frequenzvervielfacher

Der Frequenzvervielfacher nimmt ein Eingangssignal und multipliziert es mit einem konstanten Faktor. Historisch war dies häufig 2 oder 3, aber durch moderne Elektronik kann mittlerweile ein beliebiger Faktor angewendet werden.

Frequency divider Frequenzteiler

Der Frequenzteiler nimmt ein Eingangssignal und dividiert es mit einem konstanten Faktor. Historisch war dies häufig 2 oder 3, aber durch moderne Elektronik kann mittlerweile ein beliebiger Faktor angewendet werden.

Durch geschicktes Zusammenschalten von Teiler und Verfielfacher verschiedener Faktoren kann ein einzelner Signalgenerator für mehrere Amateueurfrequenzen eingesetzt werden.

Mixer Mischer

Für die Modulation und Demodulation von Signalen wird meistens ein oder mehrere Signalmischer verwendet. Der Mischer ist ein Bauteil, welches zwei Frequenzen vermischt. Am Ausgang liegen vier Frequenzen an:
Die originale NF: `"NF"`
Die originale HF: `"HF"`
Die Summe: `"HF"+"NF"`
Die Differenz: `"HF"-"NF"`
Nur eine der Frequenzen ist normalerweise unerwünscht und wird deswegen gefiltert.

Hochpassfilter

Der Hochpassfilter lässt nur Frequenzen die höher als der konfigurierte Wert sind durch. Ein guter Filter hat eine steile Filterkurve, auch "Trennschärfe" genannt.

Tiefpassfilter

Der Tiefpassfilter lässt nur Frequenzen die tiefer als der konfigurierte Wert sind durch. Ein guter Filter hat eine steile Filterkurve, auch "Trennschärfe" genannt.

Bandpassfilter

Der Bandpassfilter ist eine Serienschaltung von Hoch- und Tiefpassfilter. Dadurch wird nur ein schmales Band durchgelassen. In der einfachsten Form ist es ein Serienschwingkreis.

Bandsperrfilter

Der Bandsperrfilter (auch Notchfilter genannt) ist eine Parallelschaltung von Hoch- und Tiefpassfilter. Dadurch werden tiefe und hohe Frequenzen durchgelassen, aber mittlere Frequenzen blockiert. Durch korrekte Justierung und starke Trennschärfe können so extrem schmalle "Shnitte" in das Band gemacht werden. In der einfachsten Form ist es ein Parallelschwingkreis.

AM Demodulator AM Demodulator

Der AM Demodulator gewinnt das NF Signal aus einem AM Signal zurück. In der Simplesten Form ist es eine Diode in Serie mit dem Signal, und eine RC Schaltung zwischen Signal und Erde.

FM Discriminator FM Diskriminator

Der FM Diskrimator vergleicht zwei Eingangssignale und gibt den Phasenunterschied aus. Maximale Amplitude am Ausgang bedeutet, dass die Signale 180° Auseinander liegen, bei 0° ist die Amplitude null. Die Amplitude der Eingangssignale spielt hierbei keine Rolle da FM nicht Amplitudenmoduliert ist. Es ist daher üblich Übersteuerungen der Amplitude einfach abzuschneiden. Solche Übersteuerungen werden häufig durch Störungen verursacht.

Konzept: Geradeaus- und Überlagerungsempfänger

Superhet Receiver

Der Geradeausempfänger ist konstruktiv die Simplere Variante. Die Demodulation erfolgt hier auf der eingestellten Frequenz des Benutzers. Das Problem ist, dass mehrere Filter dafür synchronisiert werden müssen, entweder durch mechanische Kopplung der einstellbaren Komponenten, oder einer Elektronischen Schaltung. Verstellbare Komponenten sind aber weniger genau als fest eingestellte Komponenten, und die Verstellung ist nicht zwingend exakt linear.
Um diesen Probleme vorzubeugen, wurde der Überlagerungsempfänger entwickelt (Siehe Blockschaltbild). Dieser wird auch "Superheterodynempfänger", "Superhet" oder einfach nur "Super" genannt. Beim Überlagerungsempfänger arbeiten alle Komponente auf einer fix eingestellten Frequenz. Sie sind dadurch sehr präzise und filtern besser. Diese fixe Frequenz wird auch die Zwischenfrequenz (ZF) genannt. Damit der Nutzer trotzdem noch eine Frequenz wählen kann, wird dieser Schaltung ein Mischer vorangestellt. Der Nutzer kann mit dem Tuning Knopf die eine Eingangsfrequenz die von einem Generator kommt beeinflussen und dadurch die andere Eingangsfrequenz (von der Antenne) in den Bereich verschieben wo die fixe Schaltung arbeitet.
Hierbei ist zu beachten, dass beim Bau das Mischverhältnis so gewählt wird, dass die Spiegelfrequenz beim Durchschreiten des ganzen Bandes immer ausserhalb des Arbeitsbereiches liegt. Die Spiegelfrequenz ist eines der beiden Signale am Ausgang des Mischers welches unerwünscht ist.

Beispiel:
Ein Überlagerungsempfänger arbeitet auf 1 MHz. Möchte man nun eine 5 MHz Frequenz empfangen mischt man 4 MHz dazu. Dadurch entstehen 1 MHz und 9 MHz Signale, was soweit kein Problem ist. Das eigentliche Problem entsteht dadurch, dass alle Eingangssignale gemischt werden, also auch ein 3 MHz Signal. Und die Mischung aus dem 3 und 4 MHz Signal erzeugt auch eine Frequenz auf 1 MHz.
Die ZF besteht nun also aus zwei Stationen und kann diese nicht mehr voneinander Trennen. Damit dies nicht geschieht ist es wichtig, dass die Zwischenfrequenz so gewählt wird, dass der Bereich wo diese Überlagerung entstehen ausserhalb der ZF liegt, wodurch sie mittels dem ZF Bandpassfilter entfernt wird. Erreicht wird dies normalerweise dadurch, dass die ZF sehr hoch ist. Des weiteren empfielt es sich die HF schon mal grob auf das gewünschte Band zu filtern.
Falls die Signalverarbeitung bei hoher ZF Probleme macht, kann ein zweiter Mischer verwendet werden, der die erste gefilterte ZF auf den Arbeitsbereich bringt.
Ein Superhet mit zwei ZF wird auch "Doppelsuper" genannt.

Konzept: Transverter

Transverter

Der Transverter ist eine Schaltung mit der ein Transciever für einen anderen Frequenzbereich umgerüstet werden kann. Dies war früher populär, heutzutage existieren aber bereits preiswerte Kombigeräte die für HF VHF und UHF geeignet sind. Die Schaltung ist relativ simpel. Ein Mischer transformiert die Frequenz des HF gerätes hoch und die Frequenz des VHF Empfanges runter. Welcher Modus verwendet wird hängt von den zwei Schaltern an Antenne und Transceiver ab. In der hier gezeigten Schaltung ist unten die Empfangsstufe und oben die Sendestufe. Die Schalter sind momentan auf Empfang gestellt.

Konzept: AM Radio

Simple AM Radio Das AM Radio ist die wohl einfachste Schaltung um ein Signal in für den Menschen höhrbare Informationen umzuwandeln. Die hier gezeigte Schaltung zeigt die wohl primitivste Art dieses Radio. Sie ist so simpel, dass nicht einmal eine eigene Spannungsquelle vorhanden ist. Die Energie für den Betrieb wird direkt aus dem AM Signal gewonnen.
Funktionsweise:
Das Signal kommt über die Antenne an. Zwischen Antenne und Erdung ist ein Parallelschwingkreis. Dieser lässt tiefe und hone Frequenzen durch, nicht aber mittlere. Da der Schwingkreis zwischen Antenne und Erdung hängt werden diese Signale eliminiert; Es bleiben also nur die mittleren Frequenzen. Der Kondensator kann verstellt werden, dies ermöglicht es den Frequenzbereich des Schwingkreises zu verschieben. Zur Repetition, die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises ist `f=1/(2*pi*sqrt(L*C))`.
Auch wenn man die Formel nicht versteht, sieht man, dass durch Veränderung von `C` der Wert `f` angepasst wird. Da C unter dem Bruchstrich steht bedeutet das, dass die Resonanzfrequenz `f` sinkt wenn `C` erhöht wird und umgekehrt.
Das Selbe Prinzip findet auch statt wenn `L` verändert wird. Als alternative kann also ein normaler Kondensator eingesetzt werden und die Spule veränderbar gemacht werden.
Auf jeden Fall verbleibt nur noch die Frequenz in der Leitung auf die der Schwingkreis eingestellt war.
Das Signal passiert nun durch die Diode. Diese schneidet die negative Hälfte des Trägers ab. Das AM signal ist wie im vorherigen Lernkapitel beschrieben symmetrisch; Information geht also nicht verloren, aber das Signal ist nun rein positiv. Als finaler Schritt wird in der RC Kombination (Kondensator + Widerstand) der Träger entfernt. Dies funktioniert weil eine RC Schaltung ein Hochpassfilter darstellt. Dieses lässt den Träger passieren, aber nicht die NF der Hüllkurve. Da diese Schaltung ebenfalls zwischen Signal und Erde hängt wird der Träger abgeleitet und entfernt.
Es verbleibt nun einzig und alleine das NF Signal der AM Radiostation. Durch Anschluss eines Kopfhörers an den Kabelenden rechts kann die Station nun gehört werden.
Hinweis: Da keine Verstärkung stattfindet sind nur starke AM Stationen hörbar, und die Antenne sollte möglichst lange sein um so viel Signal wie möglich einzufangen. Der Kopfhörer sollte möglichst Hochohmig sein.

Als Blockdiagramm ist diese Schaltung ein Bandpassfilter gefolgt von einem AM Demodulator. Sie besteht also nur aus zwei Teilen. Ein Verstärker nach dem Demodulator würde dies in ein normales (wenn auch primitives) AM Radio umwandeln.

Konzept: FM Radio

PLL circuit Am Eingang des Phasenvergleichers wird die gefilterte HF die nur noch eine FM Station enthält eingespiesen. Das Ausgangssignal wird durch einen Tiefpass geleitet und zum VCO geleitet. Dieser wiederum ist mit dem zweiten Eingang des Phasenvergleichers verbunden. Ist der Phasenunterschid gross wird der VCO eine höhere Frequenz erzeugen, was den Phasenunterschied korrigiert. Die Schaltung regelt sich also konstant nach damit beide Eingänge des Phasenvergleichers die selbe Phase haben. Die Spannung die dem VCO zugeführt wird damit dies möglich ist entspricht daher dem originalen NF Signal, da dieses den Frequenzunterschied bestimmt.