Empfängerspezifikationen verstehen

Einführung

Während der Sender nur das HF-Signal erzeugt, was relativ einfach zu implementieren ist, ist der Empfang des Signals und die Extraktion der gewünschten Informationen nicht so einfach. Die Fähigkeit des Empfängers, das gewünschte Signal von unerwünschten Signalen zu trennen, ist das Herzstück seiner Konstruktion, und ein schlecht konzipierter Empfänger kann eine Funkverbindung unbrauchbar machen.

Durch die Analyse der Empfängerspezifikationen kann der Ingenieur entscheiden, welche Parameter wichtig sind, um die Wahrscheinlichkeit einer zuverlässigen Kommunikationsverbindung zu steigern.

Wichtige Parameter für zuverlässige Kommunikation

Empfängerempfindlichkeit

Wenn Funkwellen auf die Empfangsantenne treffen, wird am Empfängereingang ein Signal erzeugt. Dieses Signal muss auf einem Pegel sein, mit dem der Empfänger arbeiten kann, um es zu demodulieren. Dieser Mindesteingangspegel ist die Empfängerempfindlichkeit. Wenn der Signaleingangspegel zu niedrig ist, kann keine Kommunikation stattfinden.

Zur Messung der Empfindlichkeit werden Daten auf einen Träger mit einer bekannten Frequenz moduliert. Dieses modulierte Signal wird direkt mit dem Eingang des Empfängers verbunden. Der Empfänger wird auf die Trägerfrequenz abgestimmt und der Empfängereingangspegel muss eingestellt werden.

Die Empfindlichkeit wird als die kleinste Leistung (dBm) oder Signalstärke (dBuV) am Empfängereingang ausgedrückt, die erforderlich ist, um ein brauchbares Signal am Empfängerausgang zu erzeugen. Der Begriff „brauchbar“ kann durch einen Ausdruck wie „der Eingang, an dem die Ausgangsbitfehlerrate (BER) 1 % nicht überschreitet“ definiert werden.

12 dB SINAD

Näheres dazu finden Sie im Artikel, “Was ist 12 dB SINAD?”

Eine andere Möglichkeit, die Empfindlichkeit zu messen, ist die Bestimmung des kleinsten Pegels (üblicherweise in uV ausgedrückt), bei dem der Empfänger Rauschen und Verzerrungen ausgibt, die 25 % (den 12-dB-Punkt) des Gesamtsignals nicht überschreiten. Sie wird in Audiogeräten zur Angabe der Lesbarkeit von Sprache verwendet, kann aber auf jedes demodulierte Signal angewendet werden. Im Falle von Funkmodulen sind die „12 dB“ nicht relevant, sondern dienen nur als willkürlicher Wert für Vergleichszwecke.

Zwischenfrequenz (ZF)

Betrachten wir das typische Blockdiagramm eines Funkempfängers.

Der Empfänger muss empfindlich und selektiv genug sein, um das gewünschte Signal (welches auch sehr schwach sein kann) erfassen zu können, was immer höhere Anforderungen an das Empfängerdesign stellt.

Empfänger wie z. B. Schmalbandempfänger, die auf der Überlagerungsempfänger-Konfiguration basieren (weitere Informationen zu Überlagerungsempfängern finden Sie <ahref=”https://www.circuitdesign.de/design_guide/superheterodyne-receivers/”>hier) wandeln unser Signal in Kombination mit einem Lokaloszillator in eine Zwischenfrequenz oder ZF um. Die Vor- und Nachteile dieser Methode werden in dem verlinkten Artikel erläutert. Ein Empfänger wird als mit einer ersten ZF (und möglicherweise einer zweiten/doppelten ZF) arbeitend gekennzeichnet.

Auswahl der ZF

Die für die Verwendung als Zwischenfrequenz gewählten Frequenzen sind mittlerweile zu einer Art Standard geworden (z. B. 1. ZF = 21,7 MHz, 2. ZF = 450 kHz), aber im Allgemeinen handelt es sich um einen Kompromiss zwischen Selektivität und der Vermeidung von Spiegelfrequenzen. Warum diese wichtig sind, wird weiter unten erläutert.

Rauschen und Störungen

Rauschen ist jedes unerwünschte Signal in unserem Empfänger, das den Empfang des Nutzsignals stören kann. Dabei kann es sich um Signale von anderen Benutzern (Interferenzen) oder um Rauschen handeln, das von den internen Komponenten des Empfängers erzeugt wird (thermisches Rauschen). Dies kann nicht verhindert, aber durch Filter so weit wie möglich unterdrückt werden.

Da das Funkspektrum immer stärker ausgelastet ist, wird die Filterung immer wichtiger. Einen ausführlicheren Artikel über Filter finden Sie hier.

Nachbarkanalselektivität

Das Funkspektrum ist in Bänder unterteilt, die unterschiedlichen Applikationen zugehordnet sind (eine Übersicht finden Sie hier). Die Bänder wiederum werden in definierte Frequenzkanäle unterteilt, um einen Bandplan zu erstellen. Die Anzahl der Kanäle hängt von der Größe des Bandes, der Breite eines Kanals (Kanalbandbreite) und dem Abstand zwischen den Kanälen (Kanalabstand) ab.

Normalerweise sind die Kanäle von einem Ende zum anderen gleichmäßig verteilt, sodass ihr Abstand und ihre Bandbreite immer identisch sind. In einigen Fällen kann jedoch ein schmaler Abstand (oder auch Schutzabstand) als Puffer vorhanden sein. In diesem Fall sind die Kanalbandbreite und der Abstand nicht gleich.

Nachdem wir nun eine Möglichkeit haben, die Kommunikation in klare Bereiche zu unterteilen, gibt es keine Überschneidungen und es sollte keine Störungen geben.

Erinnern Sie sich daran, dass wir in einem Superheterodynsystem einen Bandpassfilter („D“ im Blockdiagramm) verwenden, um den Kanal zu isolieren, den wir empfangen möchten.

Reale Filter weisen jedoch eine gewisse Dämpfung auf und lassen einen Teil des Nachbarkanals in unseren gewünschten Kanal „eindringen“. Einige Empfänger können diese Interferenzen effektiver unterdrücken, und wir messen dies mit einem Parameter namens Nachbarkanalselektivität. Wir können dies auf zwei Arten messen.

1. Das zulässige Verhältnis der Signalstärke im Nachbarkanal zum Nutzsignal (in dB). Je höher der dB-Wert, desto höher ist die Nachbarkanalselektivität.
2. Um den zulässigen Pegel (in dBm) des Signals im Nachbarkanal zu erhalten, muss vorher ein definierter Signalpegel für das Nutzsignal in dBm eingestellt werden, Dieser Pegel ergibt sich aus der entsprechenden technischen Richtlinie (z.B. EN 300 220). Je höher der dBm Pegel des Signals im Nachbarkanal, desto höher ist die Nachbarkanalselektion des Empfängers.

Die Nachbarkanalselektivität ist entscheidend, wenn viele Kanäle im gleichen Gebiet genutzt werden. Wenn Sie das Diagramm rechts betrachten, sollte es klar sein, dass ein Funkgerät mit höherer Empfindlichkeit(niedrigerer dBm-Wert) ein weiter entferntes Signal empfangen kann. Aber ohne die entsprechende Erhöhung der Selektivität müssten auch die Nachbarkanalsender ihre Leistung reduzieren oder sich weiter entfernen, um Störungen zu vermeiden.

Dies ist als Near-Far-Problem bei Funkgeräten bekannt.

Blocking-Performance

Dies ähnelt der Nachbarkanalselektivität, nur dass hier die Fähigkeit des Empfängers zur Unterdrückung einer störenden Aussendung in einem benachbarten Band ermittelt wird. Da die einzelnen Bänder individuell reglementiert sind und keine Hoheit über andere Bänder haben, kann ein solches Signal stark genug sein, um den Empfänger zu übersteuern, selbst wenn es nicht auf einem Nachbarkanal gesendet wird. Die Fähigkeit des Empfängers zur Unterdrückung dieser Außerband-Signale wird als Blocking-Performance bezeichnet. Diese kann auf zwei Arten gemessen werden.

1. Das zulässige Verhältnis der Außerband-Signalstärke zum Hauptsignal (in dB) bei einem festgelegten Frequenzabstand in Hz. Je höher der dB-Wert, desto höher die Blocking-Performance.
2. Die zulässige Stärke des Außerband-Signals (in dBm) bei einem bestimmten Frequenzabstand in Hz. Um den dBm-Wert zu messen, muss zuvor ein definierter Pegel für das Nutzsignal angelegt werden. Je höher der dBm-Wert, desto höher ist die Blocking-Performance.

Zur Verbesserung der Blocking-Performance können wir ein Filter auf der ersten Stufe („A“ im Blockdiagramm) einbauen. Das Filter wirkt im Durchlassbereich nur für die Kanäle, die das Modul empfangen soll. Wenn in den Spezifikationen auf diese In-Band-Filterung besonderer Wert gelegt wird, können Sie sicher sein, dass alle Signale außerhalb des Bandes ausreichend unterdrückt werden.

Spiegelfrequenz

Wenn das Außerband-Signal zufällig der Spiegelfrequenz (hier erfahren Sie, warum es eine Spiegelfrequenz gibt) des Empfängers entspricht, wird natürlich eine zweite nicht erwünschte Zwischenfrequenz durch den Mischer erzeugt, die das Hauptsignal stört. Die Fähigkeit des Empfängers zur Unterdrückung der Spiegelfrequenz und anderer Störsignale, während die Kommunikation noch aufrechterhalten werden kann, fällt unter eine andere Kategorie, die Nebenempfangsstellenunterdrückung genannt wird. Wie beim Blocking wird sie in dB oder dBm ausgedrückt.

Übersicht über die wichtigsten Empfängerspezifikationen

Parameter	Beschreibung
Empfindlichkeit	Dies ist die kleinste Eingangsleistung (in dBm) für den Empfänger, bei der noch eine Demodulation des Signals möglich ist. Eine Vergrößerung des Abstands zwischen Sender und Empfänger kann den Eingangspegel unter den für die Demodulation erforderlichen Wert senken.
Zwischenfrequenz	Dies ist die Frequenz nach der ersten Abwärtsmischung von der ursprünglichen HF-Frequenz. Bei zwei Abwärtsmischstufen handelt es sich um einen doppelten Superheterodynempfänger, der eine Erhöhung der Kanalselektivität und der Spiegelfrequenzunterdrückung ermöglicht.
Kanalanzahl	Anzahl der Kanäle, die im Empfänger ausgewählt werden können. Die Kanäle eines Empfängers können über das ganze Band verteilt sein. Dadurch kann eine größere Anzahl an Sendern in einem Gebiet verwendet werden. Allerdings ist dann die Wahrscheinlichkeit von Störungen höher.
Kanalabstand	Dabei handelt es sich um den Abstand zwischen dem aktuellen Kanal und dem nächsten empfangbaren Kanal in kHz, wie im Bandplan beschrieben. Dies ist nicht immer gleich dem „Kanalschritt“, der der Abstand zum nächsten empfangbaren Kanal im empfängereigenen Kanalplan ist.
Kanalbandbreite	Dies ist die Breite eines einzelnen Kanals in kHz.
Nachbarkanalselektivität	Dies misst die Fähigkeit des Empfängers, Signale in den Nachbarkanälen zu unterdrücken.
Blocking-Performance	Blocking ist die Fähigkeit des Empfängers, Signale außerhalb des Bandes zu unterdrücken.
Kanalplan	Der im Empfänger enthaltene Kanalplan. Wenn die Kanäle nicht aus einer Tabelle ausgewählt werden können, werden sie aus einer Reihe von diskreten Frequenzen selektiert, die vom Hersteller festgelegt wurden.

Empfängerkategorisierung

Es gibt eine Methode zur Kategorisierung von Empfängern, die darauf beruht, wie gut sie in bestimmte Spezifikationen passen. Diese Spezifikationen können offiziell festgelegt werden, so dass die Hersteller ihre Empfänger anhand eines Zahlensystems qualifizieren können, damit die Nutzer sich nicht durch die Spezifikationen arbeiten müssen.

Das von ETSI geschaffene System der Empfängerkategorienummern teilt die Empfänger in die Kategorien 1, 1.5 und 2.0 ein, wobei „1“ die höchste Performance darstellt. Siehe Application Note hier für Details

Fazit

Es ist verlockend, sich bei der Auswahl eines Empfängers allein von der Spezifikation des Herstellers leiten zu lassen und dann eine gute Leistung zu erwarten. Spezifikationen sind jedoch nur eine Möglichkeit, einen Empfänger mit einem anderen auf der Grundlage von Messungen unter Laborbedingungen zu vergleichen. Dies macht es problematisch, diese Zahlen auf die Kommunikation im Feld zu beziehen, da es viele Variablen (wie z.B. Rauschen) in der Umgebung gibt, die die Empfangsfähigkeit beeinflussen.

Ein Empfänger kann nicht in allen Bereichen gleich gut funktionieren. Wenn Sie wissen, welche Art von Umgebung Ihr Empfänger benötigt, um zu funktionieren, können Sie stattdessen nach den wichtigsten Parametern in den Spezifikationen suchen und sich auf diese konzentrieren.