AM-Radio, Überlagerungsempfänger

Einleitung:

Schon in den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts war diese Technologie bekannt. Der Vorteil ist die Verstärkung der konstanten Zwischenfrequenz, d.h. auch gleiche Selektion und Bandbreite für jeden Sender unter Vernachlässigung der Selektion der Eingangskreise, die aber für die Spiegelfrequenzunterdrückung eine wesentliche Rolle spielen. Für Konsumenten ist das weniger wichtig, war aber abhängig von den Ansprüchen an das Gerät. Auf KW war die Spiegelunterdrückung  bei Standardempfängern  eben „Standard“, gemeint so billig wie möglich und damit gering.

Mein Ziel ist es mit diesem Artikel eine so kurz wie mögliche Einführung in den Mischvorgang zu geben. In Radiomuseum.org ist diesem Bauprinzip eine Reihe von hervorragenden, umfangreichen Artikeln gewidmet, Linkliste s.u..Man kann dort sein Wissen detailliert vertiefen.

2. Der Mischvorgang um die Zwischenfrequenz zu erhalten.

Es wird oft von additiver als auch multiplikativer Mischung gesprochen. Im Endeffekt entsprechen beide Schaltungsarten einem Modulationsvorgang an nichtlinearen Eigenschaften der am Vorgang beteiligten Bauteile. In diesem Zusammenhang werden auch die Begriffe Mischer, Modulator, Multiplizierer, Gleichrichter, Detektor, „erste Gleichrichtung“ und Knickkennlinie verwendet. Allen gemeinsam ist ein nichtlineares Verhalten, das mehr oder weniger stark ausgeprägt ist.  Dazu ein Bild mit „first Det.“, sprich Mischer aus den 20er Jahren:

Quelle Radiomuseum.org. ar812development_part1.pdf

ar812dev_superhet_1st_2nd_detectorBild 1

3. Wirkungsgrad der Mischung

Zunächst einmal der Modulationsvorgang in Zeigerdarstellung, zeitlichem Ablauf und Spektrum:

Mischung_allg.jpg

Bild2                                              Bild3                                        Bild4

Im Bild2 die Darstellung die Trägerfrequenz fT und die beiden Seitenbänder fT+-fm, die gegensinnig um die Trägerfrequenz rotieren. Die vektorielle Summe aller drei Komponenten liegt immer auf der roten Linie. Im Bild für den gezeichneten Fall einer Modulationstiefe von m=100% . Bild3 zeigt den zeitlichen Ablauf. Die Summe der Seitenbänder bilden die obere und untere Einhüllende. Bild4 die spektrale Energieverteilung.

Noch ein Wort um die Gleichwertigkeit der Begriffe zu enthüllen:

Bei Amplitudenmodulation, in weiterer Folge mit AM-Modulation bezeichnet, meint man im Allgemeinen die Änderung der Amplitude eines Signales im Rhythmus der z.B. Musik. Siehe auch das Bild oberhalb mit den 2 Seitenbändern die in Summe max. 50% der Trägerwelle für unverzerrte Übertragung betragen können.

Ein wenig Erklärung für additive Mischung: Vor dem Mischvorgang ist die Oszillatorspannung und die ggfs. verstärkte Spannung der Antenne nur überlagert und bilden eine Schwebung aus. Es existieren noch keine Seitenbänder. Erst die Zuführung dieser  überlagerten Spannungen an ein Bauelement mit nichtlinearer Kennlinie lässt die Seitenbänder, wovon eines die gewünschte Zwischenfrequenz ist, entstehen.   Die Oszillatorspannung ist i.a. viel größer. Bei Mischung meint man also die  AM-Modulation   des Oszillatorsignales  durch die Empfangsfrequenz und  Detektion der Hüllkurve, welche den Zwischenfrequenzen entsprechen . Es gilt wieder das Vektorbild oberhalb. Der Unterschied liegt lediglich in der  Lage der Seitenbänder, d.h. der Frequenzdifferenz zum Oszillatorsignal. Bei „AM-Modulation“ liegen diese nur knapp neben der Trägerfrequenz,. Bei „Mischung“ von z.B. der Empfangsfrequenz von 1 MHz und  der  Oszillatorfrequenz von 1,46 MHz eben bei  460 kHz, einer üblichen Zwischenfrequenz und auch auf 2,46 MHz. Dieses obere Seitenband wird nicht ausgewertet.  Ein Beispiel zu Mischung = AM-Modulation ist die Verwendung einer ECH84 von Hrn. Roschy, siehe auch Linkliste:

mdl11_58j.png

Bild5

Die Güte der Modulation und die erreichbare Modulationstiefe, die ausgezeichnet ist und nur kleine Abweichungen 3. Ordnung von der Geraden ist im folgenden Bild 6 dargestellt:

Sin010_ Bild6

Ein Sender mit 1,92 MHz liefert jedoch auch ein Seitenband auf 460 kHz. Nur die Selektion der Eingangskreise reduziert Dieses. Damit werde Empfangsstörungen reduziert. An sich erkennt man hier was Spiegelfrequenz ist. Die europaweit unterschiedlichen Zwischenfrequenzen von 450 bis 470 kHz hängen mit der Frequenzlage der nationalen Sender zusammen um Empfangsstörungen , d.h. Interferenzpfiffe, möglichst zu vermeiden. Übrigens waren in den 20er Jahren Zwischenfrequenzen von 50 bis 130kHz üblich, weil die Güte der damals verfügbaren Bauelemente gering war und so bessere Selektionswerte erreicht werden konnten,   was natürlich nicht optimal für die Spiegelunterdrückung war,  aber durch die noch nicht sehr dichte Senderbelegung wenig in Erscheinung trat.

3.1. Mischung mit der ECH81 in multiplikativer Mischung.

Dies war die Standardanwendung bei Röhrengeräten. Diagramme zitiert aus dem Röhren- und Transistorhandbuch 1964 von Ing. Ludwig Ratheiser.

ECH81_dyn

Bild7                                                                              Bild8

Die Steilheit S der Heptode ist  2,4 mA/V . Die Mischsteilheit Sc liegt, abhängig von der Oszillatoramplitude, siehe Bild 8, bei etwa max. 1 mA/V. In der Tabelle Bild 7 ist ein Wert von 0,775 mA/V angegeben. Die Mischsteilheit könnte ja max. 50% von 2,4 mA/V betragen, ist aber nur 64,5% davon. Die ECH81 hat eben diese Eigenschaften. Es gibt Sonderformen der ECH81 Schaltungen um die volle Verstärkung der Heptode ausnutzen. Die selbstschwingende Triode der ECH81 wird als additive Mischstufe verwendet. Bild 9 zeigt die Mischstufe des Gerätes  Grundig 4035 W/3D:

ECH81_additiv_Grundig4035Bild9

Die insgesamt höhere Verstärkung war offensichtlich ein Entwurfsziel, Auch die Spiegelfrequenzunterdrückung dieses Gerätes dürfte ausgezeichnet gewesen sein durch die Anwendung eines Bandfiltereingangsteiles, der wahrscheinlich einen Teil der höheren Verstärkung wieder reduzierte.

3.2. Transistormischstufen typisch für die frühen Empfänger am Beispiel 03RL371

Mischung_RL371Bild 10, Ausschnitt aus dem Originalschaltbild

T3 ist eingestellt auf 1 mA. Die Schwingamplitude, gemessen am Emitter von T3, beträgt  300…400 mVpp  über  den MW-Bereich. Die Messung der Mischverstärkung muss mit nicht schwingendem Oszillator durchgeführt werden um erst einmal die Geradeausverstärkung zu erhalten. Man kann dann im MW- und KW-Bereich den Quotienten zwischen Geradeaus- und Mischverstärkung ermitteln. Sie beträgt bei

MW   – 3,5 dB   erwartet wird an sich – 6 dB s.o.   ECH81 im Vergleich -10 dB

KW     – 8,5 dB  Mischung  mit der 2. Harm. des Oszillators, deshalb geringer.

Wie groß sollte die Oszillatorspannung sein, um im Bereich konstanter Mischverstärkung zu liegen? Die logarithmische Diodenkennlie folgt der Beziehung

Diodenkennlinie

Für ein Stromverhältnis von 1 : 10, was einer nahezu einem ein / aus Verhältnis entspricht, genügen 60 …. 120 mVpp,  abhängig von n, dem Emissionsfaktor, der bei Transistoren i.a. nahe bei 1 liegt. Bei der oben angegebenen Spannung am Emitter von T3  in Bild 9 von 300 mVpp entspricht das einem on / off Verhälnis von  1: 100000. Man kann mit Berechtigung sagen, dass dies ein geschalteter  Mischer = AM-Modulator ist. Darum ist auch die Mischung mit der 2. Harmonischen mit nur -5 dB gegenüber der Grundwelle geringer.

Ein Mischer mit z.B. SO42P mit einigem Überschuss an Oszillatorspannung hätte keine besseren Eigenschaften. Weitere Ausführungen entnehmen sie bitte der folgenden Linkliste.

4.Linkliste

https://www.radiomuseum.org/forum/modulator_fuer_lang_und_mittelwelle.html#post114490                                                         Ein Messsender mit der ECH84 von Hrn. Roschy

https://www.radiomuseum.org/forum/einfachst_modulator.html                                               Wie eine Detektorschaltung zum Sender werden kann.

https://www.radiomuseum.org/forum/amplituden_modulatoren.html                                 Ein MUSS für erweiterte Studien

https://www.radiomuseum.org/r/rca_superheterodyne_ar812.html#threadTop              Ein Blick in die Vergangenheit von Supern

https://www.radiomuseum.org/forum/rca_ar_812_semi_portable_radiola_superhet.html#1                                                                Ein Blick zurück

https://www.radiomuseum.org/forum/mischung_und_frequenzumsetzung2.html#3    Eine umfangreiche Einführung in den Radioempfang

https://www.radiomuseum.org/forum/grundig_1055w3d_additive_or_multiplicative.html Additive oder Multiplikative Mischung

5. Ergänzung

Im gesamten Artikel wurde Modul…. durch AM-Modul… ersetzt, da es in RMorg Usus ist Mischung und AM-Modulation strikt auseinander zu halten. Dies obwohl  die Bauelemente als auch die Mathematik dahinter, ident sind. Na ja, soll eben so sein, jeder hat seine Freiheit.

Wie schon von Prof. Rudolph festgestellt gibt es auch andere Modulationsarten, sodass es, obwohl es in meinem Thread erkennbar nur um AM-Modulation ging, zu seiner Reaktion im Forum kam.