Überlagerungsempfänger

Der Überlagerungsempfänger ist ein Schaltungsprinzip für Empfangsgeräte von Hochfrequenzsignalen. Eingesetzt wird diese Art des Empfängers heute bei fast allen Arten von Empfangsgeräten der Funkübertragung vom Radio über das Mobiltelefon bis zu modernen Satelliten.

Im Gegensatz zum Geradeausempfänger mischt der Überlagerungsempfänger das Empfangssignal vor der Demodulation erst auf eine oder mehrere Zwischenfrequenzen. Die wesentlichen Schaltungskomponenten eines Überlagerungsempfängers sind der Mischer mit zugehörigem Abstimmoszillator und das Zwischenfrequenzfilter (ZF-Filter).

Die verbesserte Empfangsqualität gegenüber dem Geradeausempfänger wird im Überlagerungsempfänger dadurch erreicht, dass das (ZF-)Filter ein festes und kein abstimmbares ist und deshalb mit deutlich höherer Trennschärfe realisiert werden kann.

Die technische Bezeichnung für den Überlagerungsempfänger lautet Superheterodyne, vom griechischen hetero=anders/fremd, dynamis=Energie/Kraft und dem lateinischen super=über. Abgekürzt wird auch von Superhet oder Super gesprochen.

Historie

Wer der Erfinder des Superheterodyne-Empfängers ist, lässt sich nicht eindeutig sagen. Dass die Erfindung in die Zeit des 1. Weltkriegs fällt und alle beteiligten Kriegsparteien an der Verbesserung der Radiotechnik arbeiteten, mag daran einen Anteil haben. Die englischsprachige Wikipedia nennt Edwin Armstrong als Erfinder des "Super Heterodyne Receiver", für die er 1918 ein Patent erhalten hat.
Andere Quellen (Who Invented the Superheterodyne?) geben an, dass Armstrong im Jahr 1918 die Idee dazu hatte, als er in Frankreich stationiert war. Das U.S.-Patent Nr. 1,342,885 Method of Receiving High Frequency Oscillations ("Methode um hochfrequente Schwingungen zu empfangen") von Edwin Armstrong beschreibt das Überlagerungsprinzip. Armstrong hat dieses Patent Anfang 1919 in den USA angemeldet und Mitte 1920 erhalten.

Fast zeitgleich sollen aber auch Lucien Lévy (1917) in Frankreich und Walter Schottky (1918) in Deutschland dieses Funktionsprinzip entdeckt haben. Lucien Lévy erhielt 1919 und 1920 in Frankreich ein Patent (Nr.493,660 und Nr.506,297) für seinen Schaltungsentwurf, der mit einer Zwischenfrequenz (ZF) arbeitete.

Einer der ersten kommerziell gebauten Superhets war der Radiola AR-812 (engl.) von RCA, der von 1924 bis ca. 1927 über 140000 mal verkauft wurde. Die deutsche Firma DeTeWe entwickelte in den Jahren 1924/1925 den "Ultradyn". In Frankreich sollen im Jahr 1923 drei Heimempfänger von Lucien Lévys Firma "Radio L.L" produziert worden sein.
In den folgenden Jahrzehnten setzte sich das Schaltungsprinzip wegen seiner vielen Vorteile immer mehr durch.

Es wurden viele Varianten von Überlagerungsempfängern entwickelt und gebaut, so auch welche mit Doppel- und Mehrfachüberlagerung (bis zu 4-fach) und Mischung mit konstanter statt variabler Mischfrequenz, sogenannte Konverter wie z.B. der LNB in der Satellitentechnik.

Die Überlagerung ist ein universelles Verfahren und kann auch in Sendern eingesetzt werden. Praktisch alle heute auf dem Markt verfügbaren drahtlosen Sende- und Empfangsgeräte arbeiten nach dem Überlagerungs-Prinzip (Radio, Funksprechgerät, Mobiltelefon, Basisstation, Relais, Fernsehen, Rundfunk, Satelliten).

Funktionsprinzip

Datei:Überlagerungsempfänger Blockschaltbild.PNG

Das Antennensignal wird in der Hochfrequenz-Verstärkerstufe vorselektiert und verstärkt. Es gelangt dann zur Mischstufe und wird dort mit dem Signal des Abstimmoszillators ( $f_{Osz}$ ) gemischt (multipliziert). Durch das Mischen wird eine Reihe von neuen Frequenzen erzeugt. In dem Gemisch am Ausgang sind neben den Originalfrequenzen unter anderem auch die Summe und die Differenz der Eingangs- und der Oszillatorfrequenz enthalten. Das Differenzsignal ist dasjenige Signal, das dann durch die ZF-Stufe herausgefiltert wird.

Dieses Frequenzgemisch wird an den Zwischenfrequenzfilter weitergeleitet. Der ZF-Filter lässt ein schmales Frequenzband um die ZF-Frequenz ( $f_{ZF}$ ) herum fast ungehindert passieren, alle anderen Frequenzbereiche werden stark gedämpft.

Der Zwischenfrequenzverstärker verstärkt das gefilterte Frequenzgemisch für die weitere Verarbeitung.

Nach dem ZF-Verstärker folgt der Demodulator. Dort wird aus dem heruntergemischten Signal wieder das Nutzsignal (z. B. Audio beim Radioempfang) gewonnen.

Nach der Demodulation folgt im Allgemeinen nur noch ein Niederfrequenz-Verstärker (NF-Verstärker).

Schaltungsstufen im Detail

Verwendete Abkürzungen:

f_{e}

= Durchlassfrequenzbereich der Vorselektion

f_{E}

= Gewünschte Empfangsfrequenz

f_{ZF}

= Zwischenfrequenz

f_{Osz}

= Abstimmfrequenz

f_{Dif}

= Differenzfrequenz(en)

f_{Sum}

= Summenfrequenz(en)

HF-Verstärker/Vorselektion

Der Hochfrequenz-Verstärker hat mehrere Funktionen. Erstens passt er die Impedanz der Antenne an die nachfolgende Schaltung an (es soll ein Maximum der von der Antenne aufgenommenen Leistung an die nachfolgende Stufe weitergegeben werden, siehe Anpassung). Des weiteren verstärkt er die schwachen Antennensignale, damit diese über dem Eigenrauschen des Mischers liegen. Dadurch wird die Eingangsempfindlichkeit des Empfängers gesteigert.
Schließlich wird in dieser Stufe eine Vorselektion vorgenommen, damit nur Frequenzen aus dem Empfangsbereich (Durchlassbereich $f_{e}$ ) den Verstärker passieren können. Dabei ist der Durchlassbereich meist an die Abstimmfrequenz gekoppelt, so dass bei einer Änderung der Frequenz des Abstimmoszillators $f_{Osz}$ auch der Frequenzbereich $f_{e}$ , der die Vorselektion passieren darf, mitgeändert wird (Genaueres ist unter Die Abstimmung zu finden). Das Begrenzen des Empfangsbereich ist ein wesentlicher Punkt, um Spiegelfrequenzen zu unterdrücken.

Mischer

Im Mischer wird der Eingangsfrequenzbereich ( $f_{e}$ ) auf einen anderen Frequenzbereich (meist einen niedrigeren) umgesetzt, indem $f_{e}$ mit der Frequenz des Abstimmoszillators $f_{Osz}$ gemischt wird. Mischen bedeutet, dass die Augenblickswerte der Signale vom Abstimmoszillator mit den Augenblickswerten der Eingangsfrequenzen multipliziert werden. Mit einem idealen Multiplizierer erhält man am Ausgang nur zwei neue Seitenbänder mit Signalen, die auf den Differenzfrequenzen von Abstimmoszillator und Eingangsfrequenzen liegen ( $f_{Dif}=|f_{Osz}-f_{e}|$ ) und mit Signalen auf der Summe von Abstimmfrequenz plus Eingangsfrequenzen ( $f_{Sum}=|f_{Osz}+f_{e}|$ ).

Mathematisch lässt sich dies an folgendem Beispiel erklären: Das Eingangssignal sei $s_{e}(t)=a(t)\,cos(2\pi f_{e}\cdot t)$ , das Signal des idealen Abstimmoszillators sei $s_{Osz}(t)=2\,cos(2\pi f_{Osz}\cdot t)$ . Das Ausgangssignal des Multiplizierers ist somit

s_{ZF}(t)=s_{e}(t)\cdot s_{Osz}(t)=2a(t)\,cos(2\pi f_{e}\cdot t)\,cos(2\pi f_{Osz}\cdot t)

.

Durch Anwendung der Additionstheoreme ergibt sich

s_{ZF}(t)=a(t)\,cos(2\pi (f_{Osz}+f_{e})\cdot t)+a(t)\,cos(2\pi (f_{Osz}-f_{e})\cdot t)

.

In diesen neuen Frequenzbereichen sind nach wie vor noch die Informationen (Modulation) der Empfangsfrequenzen enthalten. Das Eingangssignal wurde nur auf zwei andere Frequenzbereiche umgesetzt.

Ursprünglich wurde nur die additive Mischung verwendet. Hier wirken beide zu mischenden Spannungen am gleichen Eingang des Steuerelements (wie Transistor, Elektronenröhre...). Die Addition der Augenblickswerte der beiden Spannungen erzeugt hierbei jedoch noch keine neuen Frequenzen, erst durch die Verzerrung der addierten Signale an der nichtlinearen Kennlinie des Steuerelements werden $f_{Dif}$ und $f_{Sum}$ gebildet. Bei dieser Art der Mischung werden zusätzlich auch noch eine Reihe anderer Mischprodukte (Kombinationen aus Summe und Differenz der Frequenzen und deren Vielfachen) erzeugt, die aber keine weitere Verwendung finden.

Mit der (preiswerten) Verfügbarkeit von Mehrgitterröhren und später von Dual-Gate Feldeffekttransistoren verbreitete sich die multiplikative Mischung. Hier werden die beiden Spannungen jeweils auf einen eigenen Eingang des Steuerelements, wie z.B. die beiden Gates eines Dual-Gate Feldeffekttransistors oder die Steuergitter einer Vakuumröhre, geführt. Das Ausgangssignal wird von beiden Eingangssignalen gesteuert, was einer Multiplikation der beiden Steuersignale gleichkommt.

Die multiplikative Mischung bietet einige schaltungstechnische Vorteile gegenüber der additiven Mischung, so sind die Rückwirkungen auf den HF-Verstärker geringer und es besteht die Möglichkeit einer zusätzlichen Regelung der Mischstufe.

Abstimmoszillator

Der Abstimmoszillator hat die Aufgabe eine möglichst genaue, stabile Spannung mit der gewünschten Frequenz $f_{Osz}$ zu erzeugen. Diese Frequenz muss in einem weiten Bereich einstellbar sein, damit auf jeden gewünschten Sender innerhalb des Empfangsbereichs abgestimmt werden kann. Es gibt verschiedene Oszillatorschaltungen, die für diesen Zweck geeignet sind. Eingesetzt werden häufig LC-Schwingkreise oder HF-Synthesizer (siehe VFO, VCO und PLL).

Vom Abstimmoszillator hängt ganz wesentlich die Frequenzstabilität (das bedeuted, dass ein Sender über einen längeren Zeitraum empfangen werden kann ohne die Abstimmung manuell nachregeln zu müssen) und die Eindeutigkeit der Skala (gleiche Skalenstellung des Frequenzzeigers soll gleiche Empfangsfrequenz liefern) ab.
Beim Einsatz eines analogen Abstimmoszillators kann jede beliebige Frequenz innerhalb des Empfangsbereichs am Empfänger eingestellt werden. Mit digital abgestimmten Oszillatoren (PLL gesteuert) kann die Eingangsfrequenz nur mit einer bestimmten Schrittweite (oft verwendet für Kurzwelle sind 100 Hz oder 1 kHz) eingestellt werden. Das liegt daran, dass der Abstimmoszillator selbst nur Frequenzen mit dieser Schrittweite liefern kann.

Zwischenfrequenz-Filter

Das ZF-Filter ist ein Filter für einen festen Frequenzbereich. Als Bandpass soll es Signale außerhalb dieses Frequenzbereichs aussperren und die Frequenzen innerhalb möglichst ungehindert und unverändert durchlassen. Dadurch werden aus den angebotenen Frequenzen $f_{Dif}$ und $f_{Sum}$ vom Mischer nur die gewünschten Frequenzen um $f_{ZF}$ an den ZF-Verstärker weitergeleitet. Das ZF-Filter hat damit einen maßgeblichen Anteil an der Trennschärfe und der Nahselektion des Empfängers. Je nach Frequenzband und Betriebsart werden ZF-Filter mit unterschiedlichen Bandbreiten benötigt.

Spulenfilter wurden schon in der Frühzeit der Funk- und Rundfunktechnik verwendet. Extrem schmalbandige Filter findet man bei den mechanischen Filtern. Auch Quarzfilter werden für schmalbandige und hochwertige ZF-Stufen eingesetzt. Keramische Filter (Keramikschwinger) sind den Quarzfiltern in ihren Eigenschaften unterlegen, werden aber oft in Konsumergeräten wegen ihres günstigeren Preises benutzt.

Übliche Werte für die ZF-Frequenz sind 10,7 MHz für UKW-Rundfunk und 455 kHz für Lang-, Mittel- und Kurzwelle. Diese Werte sind zwar nicht genormt, aber weltweit verbreitet.

Zwischenfrequenz-Verstärker

Der ZF-Verstärker verstärkt und begrenzt (bei Frequenzmodulation (FM)) das Signal. Die Begrenzung ist bei FM notwendig, da sich Amplitudenänderungen, hervorgerufen durch Störungen auf dem Übertragungsweg, negativ auf die Empfangsqualität auswirken können. Möglich ist eine Amplitudenbegrenzung, weil bei der Frequenzmodulation, im Gegensatz zur Amplitudenmodulation, keine Informationen in der Amplitude übertragen werden.
Da das ZF-Filter als Teil des ZF-Verstärkers angesehen wird, kommt dem ZF-Verstärker auch die beim ZF-Filter genannte Aufgabe zu, das Nutzsignal zu selektieren.
Die Verstärkerstufen im ZF-Verstärker sind regelbar, sie müssen in der Lage sein, einen großen Dynamikumfang zu verarbeiten, um sowohl mit schwächsten, als auch mit sehr starken Signalen zurecht zu kommen.

Es sind auch einige Empfänger auf dem Markt, die eine der ZF-Stufen (meist die niederfrequenteste) durch Digitaltechnik ergänzen oder ganz ersetzen. Die analogen Signale, die der ZF-Stufe zugeführt werden, werden dafür in Echtzeit in digitale Signale umgewandelt (s.a. Analog-digital-Umsetzer) und dann von einem Signalprozessor weiterverarbeitet.
Dies hat den Vorteil, dass viele in Hardware nur schwer oder überhaupt nicht verwirklichbare Funktionen in Software realisiert werden können. Dazu gehören unter anderem hochwertige, in der Bandbreite variable ZF-Filter oder Kerbfilter (Notchfilter) die automatisch der Störfrequenz folgen, um nur einige Anwendungen zu nennen.

Demodulator

Im Demodulator wird der Nachrichteninhalt wieder von dem hochfrequenten Träger getrennt.
Die Demodulatorschaltungen unterscheiden sich je nach zu demodulierender Betriebsart. Im einfachsten Fall, bei der Amplitudenmodulation, ist schon eine Diode und ein RC-Glied für die Rückgewinnung des Nutzsignals ausreichend (siehe auch Hüllkurvendetektor und Tiefpass). Bei Betriebsarten mit unterdrücktem Träger, wie SSB, wird im Demodulator mit einem BFO (Beat Frequency Oszillator) der Träger wieder dazugemischt. Die Steuersignale für die AGC und die AFC werden im Demodulator aus der demodulierten Spannung gewonnen.

NF-Verstärker

Der NF-Verstärker hebt die demodulierten Signale wieder so weit an, dass damit ein Lautsprecher, Kopfhörer oder externer Verstärker (Hifi-Komponente) angesteuert werden kann. (Anmerkung: Traditionellerweise war bei einem Radio der Anschluss für den Verstärker an der Demodulatordiode angeschlossen; daher die Namen "Dioden-Stecker", "-Kabel" oder "-Buchse" für die entsprechenden Anschluss-Komponenten.) Im NF-Verstärker können auch noch die Klangeigenschaften beeinflusst werden, wie beispielsweise das Anheben oder Absenken der Höhen und Tiefen.

Automatische Verstärkungsregelung

Die Automatische Verstärkungsregelung, im deutschen mit AVR abgekürzt, meist aber mit der englischen Bezeichnung AGC für "Automatic Gain Control" benannt, gleicht Schwankungen der Empfangsfeldstärke aus. Dazu wird die Regelspannung, die aus dem Demodulator gewonnen wird, den HF-/ZF-Stufen (Rückwärtsregelung) oder dem NF-Verstärker (Vorwärtsregelung) zugeführt. Dort wird dann die Verstärkung der Stufe entsprechend erhöht oder verringert.
Dadurch ist es möglich, schwache und starke Sender in gleicher Lautstärke wiederzugeben oder den Schwund beim Kurzwellenempfang auszugleichen.

Automatische Frequenzregelung

In deutsch mit AFR abgekürzt, verbreiteter ist aber die Bezeichnung AFC für Automatic Frequency Control, siehe unter AFC.

Hier noch das komplette Bild des Signalverlaufs.

Die Abstimmung

Wie bei der Erklärung des Abstimmoszillators schon erwähnt, lässt sich die Frequenz dieses Oszillators vom Anwender einstellen. Die Frequenz des Abstimmoszillators $f_{Osz}$ liegt immer um den Betrag der ZF-Frequenz $f_{ZF}$ höher (oder bei Aufwärtsmischung tiefer) als die gewünschte Empfangsfrequenz $f_{E}$ .

Bei Aufwärtsmischung :   $f_{E}=f_{Osz}-f_{ZF}$ 
Bei Abwärtsmischung  :   $f_{E}=f_{Osz}+f_{ZF}$

Liegt $f_{ZF}$ bei 455 kHz (das bedeuted, das ZF-Filter hat eine Mittenfrequenz von 455 kHz), gleichzeitig kommt von der Antenne über die HF-Verstärkerstufe der Frequenzbereich $f_{e}$ von 800 bis 1200 kHz und $f_{Osz}$ wird auf 1455 kHz eingestellt, sind am Ausgang des Mischers unter anderem alle Frequenzen $f_{Div}$ und $f_{Sum}$ von (800 bis 1200 kHz) $\pm$ 1455 kHz vorhanden.
Der ZF-Filter lässt aber nur das Frequenzgemisch durch, das auf 455 kHz liegt. Die einzige Frequenz aus dem Bereich von $f_{e}$ , die diese Bedingung erfüllen kann, ist 1000 kHz (eine Addition der Eingangsfrequenz mit der Abstimmfrequenz ist immer $\geq$ 2255 kHz; es bleibt also nur die Differenz, $|f_{E}-f_{Osz}|$ = | 1000kHz - 1455 kHz | = 455 kHz).
Die Empfangsfrequenz $f_{E}$ ist in diesem Fall 1000 kHz. Analog zur Veränderung von $f_{Osz}$ ändert sich die Empfangsfrequenz ( $f_{E}=f_{Osz}-f_{ZF}$ ).
In der Praxis wird nicht nur diese einzelne Frequenz das Filter passieren, sondern, bedingt durch die Bandbreite des ZF-Filters von z.B. 10 kHz (d.h. das Filter lässt Frequenzen zwischen ca. 450 und 460 kHz durch), alle Empfangsfrequenzen, die zwischen 995 und 1005 KHz liegen.

Beim obigen Beispiel wurde als $f_{e}$ nur 800 bis 1200 kHz zugelassen. Lässt man einen größeren Frequenzbereich zu, so zeigt sich auch ein Nachteil des Superhet und die Notwendigkeit, im HF-Vorverstärker (bzw. vor dem Mischer) die Empfangsbandbreite mittels Vorselektion zu beschränken.

Könnten noch höhere Empfangsfrequenzen an den Mischer gelangen, dann gäbe es noch eine Differenzfrequenz $f_{Div}$ aus $f_{e}$ und $f_{Osz}$ , die 455 kHz ergibt:
$f_{e}-f_{Osz}$ = 1910 kHz - 1455 kHz = 455 kHz

Zusätzlich zu der gewünschten Empfangsfrequenz $f_{E}$ von 1000 kHz würde auch noch die Frequenz 1910 kHz auf die ZF heruntergemischt, in den ZF-Verstärker gelangen und demoduliert. Diese zweite, ungewollte Empfangsfrequenz nennt man Spiegelfrequenz. Sie ist mit dem Abstand der ZF-Frequenz an der Abstimmfrequenz gespiegelt.
Bei Empfängern mit ungenügender Spiegelfrequenzunterdrückung wird jeder Sender zweimal empfangen. Einmal auf der eigentlichen Sendefrequenz $f_{E}$ und ein zweites Mal als Spiegelfrequenz dieses Senders auf der Frequenz $f_{E}-2\cdot f_{ZF}$ . Das wäre zwar unschön, aber nicht weiter störend. Problematisch wird der Spiegelfrequenzempfang dann, wenn die Empfangsfrequenz und die Spiegelfrequenz von einem Sender belegt ist, was bei hoher Bandbelegung sehr häufig vorkommt. Dann werden beide Sender gleichzeitig demoduliert und es kommt zu hörbaren Störungen.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Es ist möglich, hohe Empfangsfrequenzen wie sie etwa beim UKW- oder Satellitenempfang auftreten, stabil zu verarbeiten, dies ist mit einem Direktempfänger nur mit viel Aufwand verwirklichbar.
Dadurch, dass das ZF-Filter auf einer festen Frequenz arbeitet, die auch meist niedriger als die Empfangsfrequenz ist, kann das Filter für diese Frequenz wesentlich höherwertig ausgelegt werden als es bei einem Filter direkt für die Empfangsfrequenz möglich wäre. Auch der ZF-Verstärker kann für diese Frequenzen elektrisch stabiler aufgebaut werden als ein Verstärker, der auf höheren Frequenzen arbeitet und zusätzlich auch noch einen großen HF-Bereich abdecken muss.
Ein Filter, das direkt auf der Empfangsfrequenz arbeitet, muss abstimmbar (in der Frequenz veränderbar) sein, damit verschiedene Frequenzen (Sender) empfangen werden können. Hochwertige schmalbandige und auch noch abstimmbare Filter sind aber besonders in den hohen Frequenzbereichen schwer zu realisieren und sie verändern zudem ihre Bandbreite mit der Empfangsfrequenz.
Ein Filter fester, niedriger Frequenz erhöht auch die produktionstechnische Reproduzierbarkeit des Empfängers ganz entscheidend gegenüber anderen Konzepten wie dem Geradeausempfänger oder dem Audion. Ein Großteil der aufwändigen Abgleicharbeiten, die bei einem Mehrkreisaudion erforderlich sind, entfallen beim Superhet.
Letztlich sei noch die einfache Bedienbarkeit erwähnt, die das Überlagerungsprinzip mit sich bringt.

Nachteile:

Durch das Überlagerungsprinzip kommt es zu Spiegelfrequenzen.
Durch den Abstimmoszillator und den Mischer kann es wegen unerwünschter Nebenprodukte zu "Pfeifstellen" kommen.
Das Grundrauschen des Empfängers wird durch den zusätzlichen Abstimmoszillator und den Mischer gegenüber einem Geradeausempfänger erhöht.

Schaltungsvarianten

Um Nachteile der Einfachüberlagerung zu beheben oder als Antwort auf spezielle Anforderungen sind einige Varianten des Überlagerungsempfängers entwickelt worden.

Doppel- und Mehrfachüberlagerungsempfänger

Beim Einfachsuperhet ist die gewählte Zwischenfrequenz immer ein Kompromiss. Einerseits soll sie möglichst niedrig sein, denn für niedrige Frequenzen läßt sich das ZF-Filter steilflankig und mit hohem Gütefaktor aufbauen. Andererseits verschärft eine niedrige ZF das Problem mit den Spiegelfrequenzen. Je niedriger die ZF-Frequenz ist, um so geringer ist der Abstand der Empfangsfrequenz $f_{E}$ zu einem Spiegelfrequenzen erzeugenden Signal (Abstand = $2\cdot f_{ZF}$ ).
Eine niedrige ZF erfordert dadurch eine schmalbandige Vorselektion, um Spiegelfrequenzen wirksam zu unterdrücken. Das wird aber wieder um so schwieriger, je höher die Empfangsfrequenzen liegen, da hierzu das Filter in der Vorselektions bei gleicher Bandbreite eine höhere Güte haben muss.

Datei:Superhet afu.png

Bild 1: Blockschaltbild eines Amateurfunk-Receivers (Allmode-Receiver / Doppelsuper) mit SSB und Schmalband-FM (NFM)

Um dieses Problem zu umgehen, arbeitet der Doppelsuper mit zwei Zwischenfrequenzen. In Kurzwellen- und Amateurfunk-Receivern wird oftmals als erste ZF 55,845 MHz und als zweite ZF 455 kHz genutzt. Der Abstimmoszillator (VFO in Bild 1) schwingt hier um 55,845 MHz höher als $f_{E}$ . Durch die hohe erste ZF sind die Spiegelfrequenzen sehr weit (2*55,845 MHz) von der empfangenen Nutzfrequenz entfernt. Damit kann die Vorselektion in der HF-Vorstufe entsprechend breitbandiger ausgelegt werden. Auf dieser hohen ersten ZF ist aber die Selektion des Nutzsignals schwierig (Breitbandiges Quarzfilter in Bild 1). Deshalb wird die erste ZF nochmals mit einem zweiten Oszillatorsignal (Quarzoszillator in Bild 1) gemischt. Dieser zweite Oszillator ist im Allgemeinen nicht abstimmbar und würde in dem Beispiel auf 56,300 MHz schwingen. Nach dem Mischen der ersten ZF mit dem Oszillatorsignal ist dann die gewünschte Empfangsfrequenz auf 455 kHz heruntergemischt. Auf der zweiten ZF kann jetzt wie beim Einfachsuperhet die Selektion im ZF-Filter (CW-Filter, SSB-Filter oder FM-Filter in Bild 1) vorgenommen werden.

Es ist auch möglich, mehr als einen Oszillator abstimmbar zu machen. Dieses Prinzip wurde z.B. beim Kurzwellenempfänger Barlow Wadley XCR-30 angewand. Bei diesem Empfänger wurde das gewünschte Eingangssignal mit einem einstellbaren Oszillator in den hohen ersten ZF-Bereich von 44,5-45,5 MHz gemischt. Dieser erste Oszillator diente zur Auswahl des MHz-Bereichs. Die erste ZF wurde dann mit einem Oszillatorsignal von konstanten 42,5 MHz in den zweiten ZF-Bereich zwischen 2-3 MHz gemischt. Aus der zweiten ZF wurde anschließend mit einer normalen Einfachsuperhetschaltung der gewünschte Kiloherzbereich eingestellt und auf die dritte ZF von 455 kHz herunter gemischt. Dieses Prinzip erforderte zwei Abstimmvorgänge: Die Auswahl des MHz-Frequenzbereichs mit dem ersten Abstimmrad (mHz Set) und anschließend die Auswahl des kHz-Bereichs innerhalb dieses MHz-Abschnitts mit einem zweiten Abstimmrad (kHz Set).

Die Vorteile dieser Schaltung waren eine, für einen analogen Empfänger, gute Ablese- und Wiederholgenauigkeit und eine recht hohe Spiegelfrequenzunterdrückung. Das Ganze ohne PLL oder Mikrocontrollersteuerung, also auch ohne die daraus resultierenden hochfrequenten Störquellen.

Konverter, Frequenzumsetzer

Konverter oder Frequenzumsetzer sind Vorschaltgeräte, die einen Frequenzbereich auf einen anderen umsetzen (konvertieren). Es wird der zu emfangende Frequenzbereich im 1. Mischer mit einer konstanten Frequenz gemischt und so ein ganzes Frequenzband in einen anderen Frequenzbereich verlegt.
Innerhalb dieses Frequenzbereichs wird dann mit einem Einfach- oder Mehrfachsuper auf den gewünschten Sender abgestimmt.

Als Beispiel wurde der LNB in der Satellitentechnik schon genannt. Der Satelliten-Receiver empfängt die erste Zwischenfrequenz vom LNB. Hier ist das 1. ZF-Filter aber kein Festfrequenzfilter wie bei einem herkömmlichen Empfänger, sondern der Satelliten-Receiver wird innerhalb des vom LNB kommenden Frequenzbereichs (meist 950 bis 2150 MHz) wie ein normaler Superhet abgestimmt. Einsatz finden Frequenzkonverter noch beim Umsetzen des 2m-Amateurfunkbands auf den Empfangsbereich von KW-Empfängern oder UKW-Radios. Für ältere TV-Geräte gibt es Konverter, die den Frequenzbereich der Kabel-Sonderkanäle in den UHF-Bereich umsetzen und für Autoradios gab es Konverter, welche Teile der KW-Bänder in den MW-Bereich verlegten.

Begriffe

Eindeutigkeit: Ein Eingangssignal muss eindeutig mit der Skala oder Frequenzanzeige übereinstimmen. Im anderen Fall spricht man von Mehrdeutigkeit.
Empfindlichkeit: Die Empfindlichkeit eines Empfängers gibt an, um wie viel stärker ein Nutzsignal (eine Radiosendung oder ähnliches) gegenüber dem Rauschen sein muss, damit der Empfang dieses Nutzsignals noch möglich ist. Das Eingangsignal soll trotz des Rauschens der Empfängerstufen und des über die Antenne zugeführten Außenrauschens noch gut aufzunehmen sein - egal in welcher Betriebsart.
Feinabstimmung: Unabhängig von der Sendeart (WFM - UKW-Radio, SSB, CW etc.) muss eine gute Abstimmung bei gleichbleibender Selektivität gegeben sein.
Kreuzmodulation, Zustopfeffekt: Wird die Information/Modulation eines starken Nachbarsenders durch den empfangenen Sender übernommen, so spricht man von Kreuzmodulation. Bei getasteten HF-Trägern spricht man im selben Fall vom Zustopfeffekt.
Selektivität: Die Selektivität oder Trennschärfe bezeichnet die Fähigkeit des Empfängers, aus mehreren, dicht in der Frequenz beieinanderliegenden Sendern den gewünschten herauszufiltern - siehe auch Nahselektion.
Spiegelfrequenzunterdrückung: Der Wert der Spiegelfrequenzunterdrückung gibt an, wie gut Spiegelfrequenzen gedämpft werden, die Angabe ist in Dezibel, höhere Werte sind besser.
Stabilität: Das Nutzsignal soll immer gut empfangbar sein, unabhängig von thermischen und/oder elektrischen Einflüssen.
Überlagerung: Die Addition zweier Schwingungen nennt man Überlagerung. Für den Überlagerungsempfänger ist der Begriff also eigentlich nicht richtig, da hier eine Mischung stattfindet.

Sonstiges

Blockschaltbild eines handelsüblichen Stereo-Empfängers (Receiver) mit VCO, PLL und Mikrocomputersteuerung:

Stereo-Empfänger

Ansicht auf die Leiterplatte eines Überlagerungsempfängers:

Der UKW-Tuner (1) enthält die HF-Stufen, den Oszillator (VCO) und die Mischstufe. Dabei werden die HF-Stufen und der Oszillator über Kapazitätsdioden abgestimmt.

Der Tuner besitzt u.a. einen Eingang für die Abstimmspannung, sowie einen Ausgang für die Oszillatorfrequenz (für PLL). Unter (2) sind die drei 10,7 MHz Keramikfilter für die ZF zu sehen. Die ZF wird dem IC (3) zugeführt, welcher u.a. den FM-Demodulator enthält.

Der oft verwendete 7,1 MHz Quarz unter (4) ist für die Referenzfrequenz der PLL zuständig. Der PLL-IC (meist ein LM 7000, LM 7001) ist ein SMD-Bauteil auf der Rückseite der Leiterplatte und nicht zu sehen.

Literatur

Ferdinand Jacobs: Lehrgang Radiotechnik. (Band I + Band II), Franzis-Verlag GmbH 1976
Philips GmbH (Hrsg.): Philips Lehrbriefe. (Band I: Einführung und Grundlagen ), Philips Fachbücher 1975
Limann/Pelka: Funktechnik ohne Ballast. (Einführung in die Schaltungstechnik der Rundfunkempfänger), Franzis-Verlag GmbH 1984
Dieter Nührmann: Das große Werkbuch Elektronik, Franzis-Verlag GmbH 1984
Hübscher, Geißler, Groth, Petersen, Schieber, Szapanski: Elektrotechnik Fachbildung Kommunikationselektronik 2 Radio-/Fernseh-/Funktechnik, Westermann
Funkamateur 4/1977, Dr. W. Rohländer ex. DM2BOH, Der Superhet, S. 193

Weblinks

Jogis Roehrenbude Überlagerungsempfänger für AM - Sehr ausführliche Erklärung
Who Invented the Superheterodyne? (engl.) Wer erfand den Superheterodyne?
Edwin Armstrong: Pioneer of the Airwaves (engl.) Edwin *Armstrong: Pionier der Ätherwellen
Lucien Levy (fran.) Kurze Biographie von Lucien Lévy
Barlow Wadley (engl.) Alles über den Barlow Wadley

Überlagerungsempfänger

Inhaltsverzeichnis

Historie

Funktionsprinzip