Superhet-Empfänger

Einführung

Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem Superhet-Empfänger und seinem Funktionsprinzip. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt, bedeutete er eine enorme Verbesserung gegenüber dem einfachen Geradeausempfänger und stellt heute eine der am weitesten verbreiteten Funktechniken dar.

In diesem Artikel erfahren Sie, was ein Superhet-Empfänger ist und wie er die Probleme früherer Funkgeräte überwinden konnte.

Geradeausempfänger

Damit ein Funkempfänger funktionieren kann, muss es zunächst eine Methode geben, um die Funkwellen zu erfassen und die Signale zu den Empfängerschaltkreisen zu transportieren. Diese besteht in der Regel aus einer Antenne, die an den Funkantenneneingang angeschlossen ist. Zweitens ist ein Verfahren zur Abgrenzung und Separierung des gewünschten Signals erforderlich, das durch einen Abstimmvorgang erreicht wird. Drittens braucht man ein Verfahren zur Zerlegung des übertragenen Signals (z. B. Audio) vom Träger (Demodulation und Detektion), das in einen Kopfhörer zum Hören oder in einen Verstärker zur weiteren Verstärkung eingespeist werden kann. Die obigen Ausführungen lassen sich anhand eines abgestimmten Hochfrequenzempfängers veranschaulichen (siehe unten).

Frühe Radios, die als Kristalldetektoren bekannt waren, benutzten einen Kristall (daher der Name), um das Radiosignal zu demodulieren, und der ausgegebene Ton wurde direkt in einen piezoelektrischen Kristallkopfhörer eingespeist, wobei die Energie der Radiowellen ausreichte, um ihn zu betreiben. Daher brauchten sie keine Batterien.

Die Abstimmeinheit enthält einen Kondensator und eine Spule (ein Filter), um nur den gewünschten Sender zum Detektor durchzulassen. Die Abstimmung kann durch Verwendung eines Drehkondensators variiert werden.

Kristalldetektoren sind zwar einfach aufgebaut, haben aber Nachteile wie eine geringe Selektivität und Empfindlichkeit. Es ist nicht einfach, ein Abstimmfilter zu entwickeln, das gleichmäßig über das gesamte Frequenzband arbeitet und eine ausreichend schmale Bandbreite hat, um nur das gewünschte Signal durchzulassen. Im folgenden Diagramm ist das Filter über das gesamte Band abstimmbar, aber benachbarte Signale können noch teilweise durch das Filter gelangen und wahrgenommen werden. Als die Anzahl der Rundfunksignale mit der Zeit zunahm, verschärfte sich das Problem durch die zunehmende Signalüberlastung noch.

Was die Empfindlichkeit betrifft, so erhöht ein Filter, das breiter als das Nutzsignal ist, das Gesamtrauschen und verringert die Fähigkeit des Empfängers, kleinere Signale zu erfassen.

Darüber hinaus erfordert das Einfügen weiterer Filter- und Verstärkungsstufen, dass jede einzelne von ihnen auf das eingehende Funksignal abgestimmt wird, was den Abstimmungsprozess erschwert.

Superhet-Empfänger

Nachdem wir nun die Unzulänglichkeiten des Geradeausempfängers erkannt haben, werden wir sehen, wie der Superhet diese Probleme lösen kann.

Betrieb

Wir haben gesehen, dass ein Geradeausempfänger funktioniert, indem ein abstimmbares Filter über das gesamte Frequenzband verstellt wird. Es ist schwierig, die Abstimmung des Filters und der anderen Komponenten über das gesamte Frequenzband zu realisieren. Wenn das Radio nur eine feste Frequenz abstimmen müsste und nicht alle Frequenzen des gesamten Bandes, dann wäre der Geradeausempfänger kein Problem. Aber in den meisten Fällen ist eine Abstimmung über das gesamte Frequenzband wünschenswert.

Es sollte nun klar sein, dass der Geradeausempfänger nicht der beste Ansatz ist, um eine angemessene Abstimmung über einen ganzen Frequenzbereich zu erreichen. Aber auch wenn wir das Funksignal bei einer einzigen festen Frequenz verarbeiten könnten, könnten alle HF-Schaltkreise um diese Frequenz herum entworfen werden. Ein Filter und andere HF-Stufen, die bei einer Frequenz arbeiten, können eine sehr gut definierte Bandbreite haben und wären einfacher zu konstruieren als das Filter im Geradeausempfänger. Dies würde den Entwurfsprozess immens vereinfachen.

Was können wir also tun?

Wenn das Empfangsgerät das Spektrum der empfangenen Signale verschieben kann, kann es das Nutzsignal auf eine gemeinsame Frequenz umsetzen. Diese Frequenz wird als Zwischenfrequenz oder IF bezeichnet.

Um das Spektrum von Funksignalen zu verschieben, können wir einen Mischer und einen Lokaloszillator verwenden. Der Mischer gibt das Produkt aus dem Lokaloszillator und den Antennensignalen aus, das die Summe und die Differenz ihrer Frequenzen enthält. Wir können uns jedoch vorstellen, dass dies das Spektrum der empfangenen Signale um einen Betrag FLO verschiebt, so dass das Nutzsignal auf der ZF-Frequenz umgesetzt wird. Sobald das Signal dort zentral liegt, kann es durch das ZF-Filter isoliert werden. Die Formel für die Zuordnung der ZF-Frequenz lautet:

$${F_{IF} }= F_{RF} – F_{LO} $$

Um auf ein anderes Signal abzustimmen, ändern wir einfach den Wert von FLO. Zum Beispiel würde eine AM-Sendung von 535 bis 1605 kHz mit einer ZF von 455 kHz (typische ZF in AM-Mittelwellenempfängern) bedeuten, dass unser Lokaloszillator für den Empfang einer Sendung (FRF) auf 1000 kHz auf diesen Wert eingestellt werden müsste:

F_LO = F_RF – F_IF = 1000 – 455 = 545 kHz

Oberlage- und Unterlageeinspeisung

Bisher haben wir gezeigt, wie die Zwischenfrequenz abgeleitet wird, indem die Frequenz des Lokaloszillators im Abstand der ZF unterhalb des Nutzsignals eingestellt wird. Dies ist die Unterlageeinspeisung

Für die Oberlageeinspeisung wird die Zwischenfrequenz abgeleitet, indem die Frequenz des Lokaloszillators um den gleichen Betrag über dem gewünschten Signal eingestellt wird. Die Formel lautet dann:

$${F_{IF} }= F_{LO} – F_{RF} $$

Beide Verfahren geben die gleiche Zwischenfrequenz aus. Das Problem der Spiegelfrequenzen im Zusammenhang mit dem Superheterodyn wird im folgenden Abschnitt “Spiegelfrequenz-Problem” beschrieben.

Vorteile des Superhet-Empfängers

Ein Vorteil ist die verbesserte Selektivität, da es einfacher ist, ein Filter mit einer geringeren Bandbreite auf einer niedrigeren Frequenz zu entwickeln (dank der niedrigeren Güte*). Außerdem ist es wünschenswert, die Filterbandbreite (zur Minimierung des Rauschens) an die Art der empfangenen Sendung anpassen zu können. Solche Empfänger können mit umschaltbaren ZF-Filtern ausgestattet werden.

*Die Güte ist das Verhältnis der Frequenz zur Filterbandbreite

Ein weiterer Vorteil ist, dass zur Abstimmung nur der lokale Oszillator FLO geändert werden muss. Sobald dies geschehen ist, müssen die folgenden Schaltungen nur noch auf der Zwischenfrequenz arbeiten.

Nachteile des Superhet-Empfängers

Zu den Nachteilen des Superhets gehört ein komplexerer Aufbau als beim Geradeausempfänger, aber der Hauptnachteil ist die Erzeugung von Spiegelfrequenzen.

Spiegelfrequenz-Problem

Da der Empfänger mit dem vom Mischer ausgegebenen Differenzsignal arbeitet, gibt es 2 verschiedene Eingangsfrequenzen, die die ZF-Frequenz erzeugen können. Unabhängig davon, auf welchen Wert die lokale Oszillatorfrequenz eingestellt ist, gibt es 2 Werte für FRF, die dieselbe Zwischenfrequenz erzeugen:

Ein Wert der FRF ist das gewünschte Signal, das durch das ZF-Filter geht. Das andere Signal durchläuft ebenfalls das ZF-Filter, ist aber ein Signal, das nicht erwünscht ist, und wird als Spiegelfrequenz bezeichnet. Da der Empfänger beide Signale als gültig ansieht, gibt es keine Methode, um die Spiegelfrequenz erfolgreich zu entfernen, sobald sie in das ZF-Filter gelangt ist.

Im Allgemeinen liegt die Spiegelfrequenz in einem Abstand von 2 x IF zum Nutzsignal und die FLO in der Mitte dazwischen.

Sobald die Spiegelfrequenz das ZF-Filter passiert hat, gibt es keine Möglichkeit mehr, sie zu entfernen. Wir können also versuchen, die Spiegelfrequenz herauszufiltern, bevor sie in den Mischer gelangt. Das können wir erreichen, indem wir ein Spiegelfrequenz-Unterdrückungsfilter auf der Antennenseite einfügen. Dieses muss nicht selektiv eine einzelne Frequenz durchlassen, sondern die Spiegelfrequenz abschwächen, bevor sie in den Mischer gelangt. Da alle Frequenzen des Bandes relativ zueinander abgebildet werden, muss das Filter während der Abstimmung verschoben werden. Dazu wird es elektrisch oder mechanisch mit dem lokalen Oszillator verbunden.

Wahl der Zwischenfrequenz

Die nächste Frage ist, welcher Wert als ZF-Frequenz zu verwenden ist. Es handelt sich um einen Kompromiss zwischen der Vermeidung der Spiegelfrequenzen und der Selektivität.

Das Problem der Spiegelfrequenzen haben wir bereits gesehen. Auf den ersten Blick sieht es so aus, als könnten wir das Problem lösen, indem wir die ZF-Frequenz auf einen höheren Wert setzen. Dann ist es leichter, die Spiegelfrequenz herauszufiltern, da sie weiter entfernt liegt (2 x ZF). Allerdings ist es schwierig, ZF-Filter für höhere Frequenzen bei gleicher Bandbreite zu bauen (hohe Güte), und das Ergebnis ist eine schlechtere Selektivität. Heutzutage kann man in modernen Empfängern Quarz- und Keramikfilter verwenden, die höhere Güten als LC-Schaltungen ermöglichen, und auch DSP-Filter (im Falle von softwaredefinierten Empfängern).

Doppelsuperhet

Um sowohl das Spiegel- als auch das Selektivitätsproblem zu lösen, kann man zwei ZF-Stufen nutzen – eine erste ZF und eine zweite. Die 1. ZF kann verwendet werden, um die Spiegelfrequenzen so weit wie möglich zu unterdrücken, während die 2. ZF zur Verbesserung der Selektivität dient. Ein Funkgerät mit Schmalbandkanälen, das im 434-MHz-Band arbeitet, kann beispielsweise 10,7 MHz als 1. ZF und 450 kHz als 2. ZF verwenden.

Verwendete Standard-ZF-Frequenzen

Die folgende Tabelle enthält die von verschiedenen Systemen genutzten Standard-Zwischenfrequenzen.

System	Zwischenfrequenz	Bandbreite
Analoges Fernsehen	36 MHz	6 MHz
FM-Rundfunk	10.7 MHz	10 – 150 kHz
National / HF	455 – 500 kHz	1 – 6 kHz

Quelle: Betts, Alan G0HIQ and Hartley, Steve G0FUW “Advance! The Full Licence Manual”, p64 Table 9A