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Online zur Amateurfunkprüfung Klasse A

COPYRIGHT 2016 by Eckart K.W. Moltrecht, DJ4UF

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Hinweis:
in diesem Kapitel wurden Prüfungsfragen häufig vor die Erläuterungen gesetzt

Kapitel 12: Modulation und Demodulation

In diesem Kapitel geht es um die Praxis der Modulation und Demodulation, während in im vorigen Kapitel die Theorie dazu behandelt wurde.

Übersicht

Erzeugung von AM

Amplitudenmodulation kann mit folgender einfachen Schaltung erzeugt werden. Die beiden Generatoren HF und NF stellen das Hochfrequenzsignal (Träger) und das Niederfrequenzsignal dar. Beide Signale werden über hochohmige Vorwiderstände gemeinsam über eine Diode auf einen Schwingkreis gegeben. Wegen der hochohmigen Widerstände werden die Ströme in der Diode addiert, die Diode „verzerrt“ das Signal und der Schwingkreis siebt den gewünschten Frequenzbereich aus.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-1: Prinzipschaltung für Amplitudenmodulation

NF-Signal (Diagramm A in Bild 12-2) und Träger (Diagramm B) werden addiert und ergeben das Signal C, was noch keine Modulation darstellt. Die Amplitude der einzelnen Schwingungen ist noch immer überall gleich groß, nur etwas nach oben und nach unten verschoben. Man nennt dies eine Überlagerung. Um daraus eine Modulation zu machen, bei der sich die Amplitude ändert, muss eine Halbwelle dieses überlagerten Signals mit einer Diode unterdrückt werden (D). Mit Hilfe einer Siebschaltung, die hier aus einem Schwingkreis besteht, werden die negativen Halbwellen in gleicher Größe wie die positiven Halbwellen regeneriert.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-2: Die Entstehung von AM

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Der Modulationsgrad
TE111  Das folgende Oszillogramm zeigt ein AM-Signal.

 

Der Modulationsgrad beträgt hier zirka

33 %
50 %.
67 %
75 %

Unter Modulationsgrad versteht man das Verhältnis der Amplitude der NF-Schwin­gung zur Amplitude der unmodulierten Trägerschwingung, meist in Prozent ausgedrückt. In der Formelsammlung der BNetzA lautet die Formel

Bild 12-3: Modulationsgrad

Dieses Diagramm entstammt dem Prüfungsfragenkatalog (Prüfungsfrage TE111). Es soll der Modulationsgrad in Prozent ermittelt werden. Zur Lösung habe ich in der Mitte eine Nulllinie eingezeichnet. Dann habe ich eine Mittellinie des oberen Teils der Modulationshüllkurve eingezeichnet. Hieraus kann man nun sehr gut Ûmod und ÛT ablesen und den Modulationsgrad berechnen.

Der Modulationsgrad entspricht der Lautstärke und damit der Spannung der Tonschwingung (Modulationssignal). Ein leiser Ton ergibt eine geringe Änderung der Amplitude, ein lauter Ton eine starke Amplitudenänderung.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-3: Lautstärke bei AM

Bei schnellen Schwingungen eines hohen Tones wird die Amplitude des Trägers häufiger verändert als bei einem tiefen Ton.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-4: Tonhöhe bei AM

 

TE112  Das folgende Oszillogramm zeigt ein AM-Signal.

 

Der Modulationsgrad beträgt hier zirka

30 %.
55 %.
45 %.
75 %.

Lösungsweg: Mittellinie einzeichnen. Ablesen. 0,6 Kästchen geteilt durch 1,5 Kästchen ergibt 0,4 - also zirka 40%.

 

Aus dem Bild kann man folgendes herauslesen, was Sie in der Prüfung auch erkennen müssen. Bild A stellt ein unmoduliertes Signal dar. Bild B ist AM, schwach moduliert. Bild C ist AM 100 % moduliert, weil das Modulationssignal bis zur Nulllinie geht. Bild C ist AM, aber übermoduliert.

Wird der Modulationsgrad eines AM-Senders auf über 100 % erhöht entstehen Verzerrungen auf der Empfangsseite. Außerdem erhöht sich die Bandbreite des Senders übermäßig, was zu Störungen auf den Nachbarfrequenzen führt, die man „Splatter“ nennt.

 

TE105  Welches Bild stellt die Übermodulation eines AM-Signals dar?

Zu TE105: Die Bilder C und D stellen AM mit einem relativ geringen Modulationsgrad dar. Beide Signale sind etwa gleich „laut“. Beim Signal C wird eine höhere Tonfrequenz übertragen als beim Signal D. Beim Signal C berühren sich die beiden Hüllkurven gerade. Der Modulationsgrad ist 100 %. Bild A zeigt eine starke Übermodulation.

 

TE110  In welcher Abbildung ist AM mit einem Modulationsgrad von 100 % dargestellt?
x

Wird der Modulationsgrad eines AM-Senders auf über 100 % erhöht entstehen Verzerrungen auf der Empfangsseite. Außerdem erhöht sich die Bandbreite des Senders übermäßig, was zu Störungen auf den Nachbarfrequenzen führt, die man „Splatter“ nennt.

 

TE106  Die Übermodulation eines SSB-Signals führt wahrscheinlich zu
verminderten Seitenbändern.
Kreuzmodulation.
ausgeprägten Splatter-Erscheinungen.
überhöhtem Hub.
TE108  Um unnötige Seitenband-Splatter zu vermeiden, sollte der Modulationsgrad eines AM-Signals unter
100 % liegen.
50 % liegen.
75 % liegen.
25 % liegen.

 

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Leistungen bei AM

Nun sollen die Leistungen von Träger und Seitenfrequenzen eines 100% modulierten AM-Signals berechnet werden, um die Leistungsersparnis bei SSB zu ergründen. Bei 100% Modulationsgrad sind Trägerspannung und Modulationsspannung gleich. Wenn die Gesamtspannung 100 V beträgt, fallen 50 V auf den Träger und zweimal 25 Volt gleich 50 V auf die Seitenfrequenzen. Nehmen wir an, diese Spannungen wurden an einem Widerstand von 50 Ohm gemessen.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 12-5: A: Spannungen und B: Leistungen bei AM mit einem Modulationsgrad von 100%
Aufgabe
Die im Bild 12-5 angegebenen Spannungswerte sollen Effektivwerte sein. Berechnen Sie die Leistung von Träger und den Seitenfrequenzen. Tragen Sie die Werte im Bild B ein. Berechnen Sie die Gesamtleistung.

Lösung: (Siehe auch Bild 12-9)

Von den insgesamt 75 Watt entfallen nur 12,5 Watt auf das Seitenband mit der Information. Das sind nur 12,5 / 75 = 1/6 der Gesamtleistung. 5/6 der Leistung könnte man sparen, wenn man beim Senden den Träger und ein Seitenband unterdrückt. Dies führt uns direkt zum nächsten Kapitel: SSB. Aber vorher werden wir noch klären, wie das modulierte Signal wieder zurückgewandelt wird.

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AM-Demodulation

Unter Demodulation versteht man die Rückwandlung des übertragenen Signals in die ursprüngliche Frequenzlage am Empfangsort. Der Demodulator ist sozusagen das Herz des Empfängers.

 

TD503  Am ZF-Eingang liegt ein sinusförmig moduliertes AM-Signal. Bei dieser Schaltung zeigt der mit "X" bezeichnete Punkt das nebenstehende

    

Signal 1.
Signal 2.
Signal 3.
Signal 4.

Erläuterung unter folgender Aufgabe!

TD504  Am ZF-Eingang liegt ein sinusförmig moduliertes AM-Signal. Bei dieser Schaltung zeigt der mit "X" bezeichnete Punkt das nebenstehende

    

Signal 1.
Signal 2.
Signal 3.
Signal 4.

Eine Schaltung zur Demodulation von AM hat die Aufgabe, die modulierte Spannung gleichzurichten (Diode in folgendem Bild) und mit den Spitzenwerten dieser pulsierenden Spannung einen Kondensator (C1) aufzuladen. Die aneinander gereihten Spitzenwerte ergeben den Verlauf der niederfrequenten Signalspannung, wie dies in nebenstehenden Diagrammen dargestellt ist. Die Buchstaben A bis E kennzeichnen die Punkte in der Schaltung, wo diese Signale zu finden sind.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-7: Hüllkurvendemodulator

Das Diagramm A im Bild 12-8 zeigt die modulierte Signalspannung vor dem Gleichrichter, Diagramm B hinter der Diode, wenn kein Ladekondensator vorhanden wäre. Der Kondensator wird jeweils auf den Spitzenwert aufgeladen und entlädt sich wieder etwas über den Widerstand R1, (Diagramm C). Die Spannung des Diagramms C folgt der Hüllkurve und entspricht der aufmodulierten NF-Spannung. Die restlichen HF-Reste werden vom NF-Verstärker nicht mehr verstärkt und man erhält das Signal E. Der Koppelkondensator C3 unterdrückt noch den durch den Gleichrichter entstehenden Gleichspannungsanteil und lässt nur das ursprünglich aufmodulierte NF-Wechselspannungssignal durch.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-8: Demodulationsvorgang bei AM

 

TD501  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen

 

AM-Modulator.
SSB-Modulator.
Hüllkurvendemodulator zur Demodulation von AM-Signalen.
Produktdetektor zu Demodulation von SSB Signalen.

 

TD502  Bei dieser Schaltung ist der mit X bezeichnete Anschluss

 

der Ausgang für eine Regelspannung.
der Ausgang für das NF-Signal.
der Ausgang für das Oszillatorsignal.
der Ausgang für das ZF-Signal.

Der am Messpunkt D in Bild 12-8 entstehende Gleichspannungsanteil kann für Regelzwecke (ALR) eingesetzt werden. Diese Gleichspannung entspricht dem Mittelwert der Signalspannung (D Mittellinie). Diese Gleichspannung führt man dem Hochfrequenzverstärker des Empfängers und dem ZF-Verstärker (folgende Lektion) zurück. Die Spannung muss so gepolt sein, dass die Verstärkung sinkt, wenn die Regelspannung größer wird. Diese Spannung nennt man ALR-Spannung (Automatische Lautstärkeregelung).

 

TF317  Bei der Schaltung handelt es sich um einen

 

FM-Diskriminator.
AM-Detektor.
ZF-Modulator.
AGC-Gleichrichter.

 

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Der Audion-Demodulator

Führt man wie bei einem Oszillator dem HF-Verstärker eines Empfängers einen Teil der verstärkten Ausgangsspannung gleichphasig auf den Eingang zurück, so dass eine Addition (Mitkopplung) entsteht, die aber gerade noch nicht die Schwingbedingung (k . v = 1) erfüllt, so erreicht man damit zweierlei.

Erstens werden dadurch die Schwingkreisverluste teilweise ausgeglichen, so dass die erzielbare Güte höher und damit die Bandbreite verringert wird (bessere Trennschärfe). Gleichzeitig wird die Amplitude des Signals so groß, dass die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors im gekrümmten Bereich der Kennlinie arbeitet und damit als Gleichrichter wirkt. Diese Schaltung bezeichnet man als „Rückkopplungs-Audion“.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-9: Wirkungsweise des Audion-Demodulators

Liegt der Arbeitspunkt im Knickpunkt der Steuerkennlinie eines Transistors, werden die positiven Halbwellen des AM-Signals verstärkt, die negativen nicht. Es entsteht ein Gleichrichtereffekt wie bei einer Diode.

In der Lektion 19 finden Sie eine komplette Audionschaltung mit Werten dargestellt. Vielleicht können Sie diese einmal aufbauen?

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Modulation mit Trägerunterdrückung

Wie weiter oben in der Aufgabe zum Bild 12-5 gezeigt wurde, stecken bei Zweiseitenband-AM mit Träger bei einem Modulationsgrad von 100 Prozent 4/6 der Gesamtleistung im Träger und je 1/6 in den beiden Seitenbändern.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 12-10: Die Leistungsverteilung bei AM mit Träger

Da die Information, die man übertragen möchte, in jedem Seitenband vorhanden ist, könnte man 5/6 der Gesamtleistung einsparen oder die gesamte Leistung, also das sechsfache, in ein Seitenband stecken, wenn man den Träger und ein Seitenband unterdrücken würde. Dies führt zu der Modulationsart Einseitenbandmodulation mit Trägerunterdrückung (SSB), die im Amateurfunk verwendet wird. Dies ist übrigens eine Entwicklung der Funkamateure, die erst später auch von kommerziellen Nachrichtendiensten übernommen wurde.

Zunächst werden Sie kennen lernen, wie man den Träger unterdrücken kann und damit 4/6 (=2/3) der Leistung einspart. Diese Modulation heißt Doppelseitenband-Modulation mit Trägerunterdrückung, die Sie in der vorigen Lektion als DSB-Signal bereits kennen gelernt haben. Danach wird erläutert, wie man ein Seitenband unterdrücken kann und dann nicht nur ein weiteres 1/6 der Leistung spart, sondern vor allem die Bandbreite halbiert.

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Die Trägerunterdrückung

Wieso kann man denn den Träger unterdrücken, wenn man diesen doch extra erzeugt, um ein Hochfrequenzsignal zu haben, das von einer Antenne abgestrahlt werden kann?

Moduliert man einen Träger von 3700 kHz (80-m-Band im Amateurfunk) mit einer Frequenz von 1 kHz, so erhält man außer der Trägerfrequenz noch die Seitenfrequenzen 3699 kHz und 3701 kHz (siehe vorige Lektion). Das bedeutet: Die Seitenfrequenzen liegen also bereits im Hochfrequenzbereich. Auch wenn man nun den Träger unterdrückt, kann eine Frequenz von 3699 kHz (unteres Seitenband LSB) oder 3701 kHz (oberes Seitenband USB) von einer Antenne abgestrahlt werden.

Wie wird die Trägerunterdrückung praktisch erreicht? Grundsätzlich wird zunächst der Träger zur Modulation gebraucht. Der Modulator wird jedoch so aufgebaut, dass er die Entstehung der Trägerfrequenz am Ausgang unterdrückt.

Es gibt dafür verschiedene Schaltungen, die darauf beruhen, dass die Trägerfrequenz sich durch entgegengesetzt symmetrische Spannungen aufhebt. Man nennt diese Schaltungen Balance-Modulatoren. Ein solcher Balance-Modulator ist die folgende Schaltung eines Ringmodulators.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-11: Schaltung eines Ringmodulators

Der Ringmodulator besteht aus zwei Transformatoren mit Mittelanzapfung (Differenzialtransformatoren) und vier Dioden, die so im Ring geschaltet sind, dass jeweils eine Anode an eine Katode der folgenden Diode angeschlossen wird.

Hinweis
Verwechseln Sie diese Ringschaltung nicht mit der Brückengleichrichterschaltung eines Netzteiles! Die Dioden sind anders geschaltet. Ansonsten sieht die Schaltung ähnlich aus.

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Wirkungsweise der Trägerunterdrückung beim Ringmodulator

Der Träger wird an die Mittelanzapfungen der Trafos (Bild 12-11) eingespeist. Im Zeitpunkt 0 sei kein NF-Signal vorhanden. Da alle vier Dioden gleich sind (Diodenquartett!), wird der Wechselstrom vom HF-Trägergenerator zu gleichen Teilen auf die beiden Wicklungshälften von Trafo Tr2 verteilt. Da sich die Magnetfelder der beiden Wicklungshälften aufheben, entsteht in der Ausgangswicklung keine Trägerspannung.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-12: Entstehung des Modulationssignals bei Trägerunterdrückung

In den Zeitabschnitten 1-10 (Bild 12-12) soll der Trafo Tr1 eine positive NF-Spannung liefern. Bei ansteigender Spannung im Zeitabschnitt 1 werden die Dioden 2 und 4 mehr leitend und die Dioden 1 und 3 mehr gesperrt. Die positive Halbwelle des HF-Wechselstroms (Abschnitte 1, 3, 5...) erzeugt eine positive Spannung U3 und die negative Halbwelle (Abschnitte 2, 4, 6...) eine negative Spannung U3.

In den Zeitabschnitten 11 bis 20 ist die NF-Spannung negativ. Die Dioden 1 und 3 werden mehr leitend und V2 und V4 mehr gesperrt. Dadurch wird bei einem positiven HF-Wechselstrom (Abschnitte 11, 13, 15 ...) nun eine negative Ausgangsspannung entstehen und umgekehrt in den Bereichen 12, 14, 16, ... . Beim Übergang vom Bereich 10 zum Bereich 11 findet im Ausgangssignal dadurch ein plötzlicher Wechsel der Polarität statt, den man Phasensprung nennt.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-13: Schaltung eines Differentialübertragers für einen Ringmodulator

Praxis
Der Differentialtrafo für einen solchen Ringmodulator lässt sich relativ leicht selbst herstellen. Zunächst werden drei Kupferlackdrähte für die drei Wicklungen miteinander verdrillt. Diesen verdrillten Draht zieht man dreifädig (trifilar) mehrfach durch einen Ringkern. Mit einem Durchgangsprüfer muss man die zugehörigen Adern herausfinden. Solche Breitband-Ringmodulatoren gibt es aber auch fertig zu kaufen.

Eine Variante dieser Schaltung eines Ringmodulators, die mit nur einem Trafo auskommt, ist in folgendem Bild dargestellt. Die Dioden sind ebenfalls im Ring geschaltet (jeweils Anode an Katode), aber die Einkopplung der NF erfolgt unsymmetrisch ohne Trafo. Eine Ecke der Diodenbrücke liegt an Masse und das NF-Signal wird an der gegenüberliegenden Ecke kapazitiv eingekoppelt.

 

TF313  Wozu dienen P und C4 bei dieser Schaltung? Sie dienen

  Bild 12-14

zur Einstellung der Trägerunterdrückung nach Betrag und Phase.
zum Ausgleich von Frequenzgang- und Laufzeitunterschieden.
zur Einstellung des Frequenzhubes mit Hilfe der ersten Trägernullstelle.
zur Einstellung des Modulationsgrades der erzeugten AM-Signale.

Um eine gute Trägerunterdrückung zu erzielen, wird das HF-Signal über eine einstellbare Widerstandsbrücke symmetrisch eingekoppelt. Unterschiedliche Dioden- oder Schaltkapazitäten kann man mit dem einstellbaren Widerstand und dem Kondensator C2 kompensieren.

 

TD513  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen Modulator zur Erzeugung von

 

phasenmodulierten Signalen.
AM-Signalen mit unterdrücktem Träger.
frequenzmodulierten Signalen.
AM-Signalen.

Hinweis zu TD513: Es ist im Prinzip die gleiche Schaltung wie die hier im Bild 12-13. Allerdings hat man den Schwingkreiskondensator auf die Sekundärseite gesetzt und man verwendet einen „Differenzialdrehkondensator“ für den Abgleich. Bei einer hochohmigen Auskopplung des Signals (z.B. Oszilloskop) ist es besser, den frequenzbestimmenden Schwingkreis auf die Sekundärseite zu setzen.

Praxis
Für eine Praxisübung im Elektroniklabor können Sie diese Schaltung Bild 12-13 verwenden, wenn Sie keine zwei Differenzialübertrager haben. Lassen Sie dazu die beiden Kondensatoren C1 und C2 weg und wählen Sie für C einen Festkondensator von 2,2 nF bei einer Induktivität von 100 mH. Ermitteln Sie die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Wenn alles richtig funktioniert, sehen Sie mit Hilfe eines Oszilloskops ein Ausgangssignal ähnlich dem Diagramm U3 von Bild 12-11. Allerdings werden die Ecken oben und unten abgerundet sein, weil nicht mit einem Breitbandtrafo sondern mit einem Resonanzschwingkreis gearbeitet wird.

 

TE113  Das folgende Oszillogramm zeigt

 

ein typisches Einton-FM-Testsignal.
ein typisches Zweiton-SSB-Testsignal.
ein typisches 100-%-AM-Signal.
ein typisches CW-Signal.

Bei höheren Frequenzen kann das Signal ähnlich aussehen, wie in dem Bild eines "Zwei-Ton-Testsignals" der Prüfungsfrage TE113.

Die durch Trägerunterdrückung entstandene Modulation nennt man Doppelseitenband-Modulation mit Trägerunterdrückung DSB. Das DSB-Signal im Frequenzspektrum sieht folgendermaßen aus.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-15: Spektrum eines DSB-Signals

Es existieren weiterhin beide Seitenbänder, nur der sehr energiereiche Träger ist unterdrückt worden (gestrichelt). Man spart viel Senderleistung, aber die Bandbreite des Senders ist gleich geblieben. Zur Demodulation muss der Träger auf der Empfangsseite wieder hinzugefügt werden.

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Einseitenbandmodulation SSB

Der Frequenzraum aber ist wertvoll. Deshalb ist es sehr wichtig, die Bandbreite der Aussendung möglichst gering zu halten. Da in beiden Seitenbändern die gleiche Information steckt, kann man das eine Seitenband auch noch unterdrücken. Diese Modulationsart heißt Einseitenbandmodulation SSB (single side band). Sie wird im Amateurfunk angewendet. Zweiseitenbandmodulation ist im Amateurfunk nicht zugelassen.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-16: Erzeugung von SSB nach der Filtermethode

Nach der Filtermethode wird SSB folgendermaßen erzeugt. Der Trägeroszillator (A) in Bild 12-16 erzeugt die HF. Diese wird mit der NF (B) in einem Ringmodulator moduliert. Es entsteht ein Zweiseitenbandsignal mit Trägerunterdrückung (DSB). Dieses wird über das Filter (D) geschickt und nur noch ein Seitenband durchgelassen.

Es ist im Prinzip gleich, welches der beiden Seitenbänder verwendet wird. Aus historischen Gründen hat sich im Amateurfunk herausgebildet, dass bei Frequenzen unter 10 MHz das untere Seitenband LSB (lower side band) und bei Frequenzen ab 10 MHz aufwärts das obere Seitenband USB (upper side band) verwendet wird. Also auf 80 m und 40 m verwendet man LSB und auf allen anderen Bändern USB.

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Vergleich AM — SSB
Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-17:   A: AM                           B: Zweiton-SSB-Signal

Im Bild 12-17 sind zum Vergleich jeweils die NF, der HF-Träger und das Modulationssignal von „normaler“ AM mit Träger und von einem DSB- oder Zweiton-SSB-Signal mit Trägerunterdrückung dargestellt. Während bei AM mit Träger (Bild A) die Amplitude im Rhythmus der Signalfrequenz um einen Mittelwert (U2) schwankt, ist der Mittelwert bei AM mit Trägerunterdrückung (Bild B) gleich Null.

Wechselt die Polarität des NF-Signals, äußert sich dies bei AM mit Träger dadurch dass der Mittelwert größer oder kleiner wird, während bei AM mit Trägerunterdrückung die Phase wechselt.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 12-18: Fehlerhafte SSB-Demodulation mit einem einfachen AM-Demodulator

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Demodulation von SSB

Bei SSB wird die Amplitudenmodulation mit Trägerunterdrückung angewendet. Würde man bei einem solchen Signal den einfachen AM-Demodulator verwenden, bekäme man am Ausgang ein völlig verzerrtes Signal, wie dies links unten auf dieser Seite im Bild 12-18 dargestellt ist.
Vor der Demodulation wird der fehlende Träger wieder hinzugesetzt. Nach der Addition erhält man als Summensignal normale AM, die man mit einem einfachen AM-Demodulator demodulieren kann.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-19: Trägerzusatz durch Addition des Trägers

Diese in einem Empfänger notwendige Zusatzschaltung eines Oszillators wird BFO (beat frequency oscillator) genannt. Dieser additive Mischer wird für die Demodulation von SSB in billigen Weltempfängern verwendet. Er hat einen Nachteil: Die Oszillatoramplitude muss immer größer sein, als das Empfangssignal, sonst gibt es Verzerrungen. Starke SSB-Signale müssen abgeschwächt werden.

Bild 12-20
Bild 12-20: Die Addition der Trägerspannung führt zu normaler AM (C), die mit einem AM-Demodulator demoduliert werden kann (D, E)

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Der Produktdetektor

Wesentlich unabhängiger von der HF-Amplitude ist der Produktdetektor. Er arbeitet nach einem anderen Verfahren des Trägerzusatzes. Es wird nicht erst normale Amplitudenmodulation erzeugt, sondern das NF-Signal durch multiplikative Mischung (Differenzbildung) gewonnen.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-21: Das Prinzip des Produktdetektors

Nehmen wir einmal an, das modulierte SSB-Signal hat eine Frequenz von 9,000 MHz (unterdrückter Träger) + 2 kHz (NF-Signal) = 9,002 MHz (oberes Seitenband). Mischt man zu diesem Signal die Trägerfrequenz von 9 MHz wieder zu, entstehen am Ausgang die Summen und die Differenzen dieser Signale.

9,002 MHz + 9 MHz = 18,002 MHz und
9,002 MHz - 9 MHz = 0,002 MHz = 2 kHz.

Mit einem Tiefpass, der im einfachsten Fall aus der Parallelschaltung mit einem Kondensator besteht, werden die hohen Frequenzen (18 MHz) unterdrückt und nur das 2-kHz-NF-Signal durchgelassen.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-22: Ringmodulator als Produktdetektor

Als Mischstufe für den Produktdetektor ist der Ringmodulator am besten geeignet. Das SSB-Signal wird über den Ringkerntrafo T1 der einen Brückendiagonale und das BFO-Signal (Trägerzusatz) über den Trafo T2 der anderen Brückendiagonale zugeführt. An den Mittelanzapfungen der Differenzialübertrager wird das NF-Signal abgenommen.

Von dieser Produktdektorschaltung gibt es verschiedene Zeichenvarianten. Vergleichen Sie die Bilder 12-21, 22 und 23. Mal werden die Dioden als „Ring“ gezeichnet, mal die Transformatorwicklungen einzeln. Dennoch sind die Schaltungen identisch. Im Bild 12-24 erkennt man, dass die Transformatoren T1 und T2 im Prinzip aus drei Wicklungen bestehen, die als so genannte trifilare (dreifädige) Wicklung ausgeführt werden. Die Punkte im Bild 12-24 bedeuten Punkte gleicher Phase und deuten den Wickelsinn der einzelnen Wicklungen an.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-24: Andere Zeichenweise des Produktdetektors

 

TD511  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen

 

Hüllkurvendemodulator zur Demodulation von AM-Signalen.
Flankendemodulator zur Demodulation von FM-Signalen.
Produktdetektor zu Demodulation von SSB-Signalen.
Diskriminator zur Demodulation von FM-Signalen.

Hinweis zu TD511: Hier ist noch eine weitere Variante der Darstellung eines Produktdetektors gewählt worden. Prüfen Sie es nach! Auch so lässt sich eine Brückenschaltung zeichnen.

 

TE103  Auf welcher Frequenz sollte der Schwebungston eines BFO für den Empfang von CW-Signalen ungefähr liegen?
2,3 kHz
200 Hz
800 Hz
455 kHz

Mit dem Produktdetektor kann man auch Telegrafiesignale (CW) hörbar machen. Stellt man die BFO-Frequenz zirka 600 Hertz bis 1 kHz höher oder tiefer ein, als die Hochfrequenz (Zwischenfrequenz), gibt es als Differenzfrequenz genau diesen Ton, der nur dann vorhanden ist, wenn auch das Hochfrequenzsignal da ist.

 

TF414  Für CW-Empfang sollte die Differenz zwischen der BFO-Frequenz und der End-ZF ungefähr
200 Hz betragen.
die halbe ZF-Frequenz betragen.
800 Hz betragen.
4 kHz betragen.

 

TF418  Ein Empfänger arbeitet mit einer End-ZF von 455 kHz. Welche BFO-Frequenz wäre beim CW-Empfang geeignet?
455 kHz.
465,7 kHz.
455,8 kHz.
10,7 MHz.

Tipp zu TF418: Berechnen Sie jeweils die Differenzfrequenz. Diese sollte bei zirka 800 Hz liegen.

 

 

TF417  Für die Demodulation von SSB-Signalen wird normalerweise ein Hilfsträgeroszillator verwendet. In hochwertigen Empfängern ist dieser Oszillator
freischwingend.
varaktorgesteuert.
quarzgesteuert.
ein VFO.

 

TF420  Welchem Zweck dient ein BFO in einem Empfänger?
Zur Trägererzeugung, um A1A-Signale hörbar zu machen.
Zur Mischung mit einem Empfangssignal zur Erzeugung der ZF.
Zur Unterdrückung der Amplitudenüberlagerung.
Um FM-Signale zu unterdrücken.

 

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Frequenzmodulation FM

Die Theorie der Frequenzmodulation mit den Begriffen Bandbreite, Frequenzhub, Modulationsindex wurde bereits in der vorigen Lektion Signale behandelt. In dieser Lektion geht es mehr um die Praxis.

Erzeugung von FM

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-25: Schaltung zur Frequenzmodulation

Über einen Kondensator wird eine Kapazitätsdiode zum Schwingkreis des Colpitts-Oszillators parallel geschaltet. Die Kapazitätsdiode erhält eine Gleichspannung (Vorspannung) in Sperrrichtung und als Überlagerung die vom Mikrofon kommende Modulationswechselspannung. Steigt die Amplitude der vom Mikrofon gelieferten Spannung in positiver Richtung an, wird die Sperrspannung an der Kapazitätsdiode größer, damit die Kapazität kleiner und damit die Frequenz höher. Dabei ändert sich die Amplitude der Schwingung nicht. Man kann die „Empfindlichkeit“ eines solchen Modulators in kHz/V angeben.

 

TD514  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen Modulator zur Erzeugung von

 

phasenmodulierten Signalen.
frequenzmodulierten Signalen.
AM-Signalen mit unterdrücktem Träger.
AM-Signalen.

 

TE208  Die Änderung der Kapazität einer über einen Quarzoszillator angeschalteten Varicap-Diode stellt eine Möglichkeit dar
Frequenzmodulation zu erzeugen.
Zweiseitenbandmodulation zu erzeugen.
CW-Signale zu erzeugen.
Amplitudenmodulation zu erzeugen.

 

TE216  Wie wird die Empfindlichkeit eines FM-Modulators angegeben?
In Rad/s
Als Modulationsindex
Als Hub
In kHz/V

 

TG212  Dieser Schaltungsauszug ist Teil eines Senders.

 

 Welche Funktion hat die Diode?

Sie beeinflusst die Resonanzfrequenz des Schwingkreises in Abhängigkeit von den Frequenzen im Basisband und moduliert so die Oszillatorfrequenz.
Sie richtet das Eingangssignal gleich und erzeugt so die Betriebsspannung für den Oszillator, um diesen von der Stromversorgung der anderen Stufen zu entkoppeln.
Sie begrenzt die Amplituden des Eingangssignals und vermeidet so die Übersteuerung der Oszillatorstufe.
Sie dient zur Erzeugung von Amplitudenmodulation und zur Abstimmung der Oszillatorfrequenz.

 

Bei FM verändert sich nur die Frequenz, nicht die Amplitude. Dies hat einen besonderen Vorteil in der Nachrichtentechnik. Störungen von anderen Fahrzeugen beim Mobilfunk oder atmosphärische Störungen wirken sich nur auf die Amplitude eines Signals aus. Auf der Empfängerseite kann man die Spitzen eines Signals abschneiden (begrenzen), ohne einen Einfluss auf die in der Frequenz vorhandenen Information zu nehmen. Mit anderen Worten: FM ist wesentlich störungsfreier zu empfangen als AM.

 

TG301  Was kann man bezüglich der Ausgangsleistung eines FM-Senders in Abhängigkeit von der Modulation aussagen?
Sie reduziert sich um 50 %, wenn der Sender moduliert wird.
Sie variiert mit der Modulationsleistung, wenn der Sender moduliert wird.
Sie ist unabhängig von der Modulation.
Sie geht gegen Null, wenn der Sender nicht moduliert wird.

 

Preemphasis

TB804  Warum wird bei FM senderseitig eine Preemphasis eingesetzt?
Um das FM Kanalraster von 25 kHz auf 12,5 kHz durch Reduzierung der Bandbreite zu ermöglichen.
Um das breitbandige FM-Signal durch Anheben der Amplituden der höheren Modulationsfrequenzen auf Schmalband FM zu reduzieren.
Um die Ausgangsleistung durch Verdichtung des Spektrums der Modulationsfrequenzen zu erhöhen.
Um das Signal/Rausch-Verhältnis durch Anheben der Amplituden der höheren Modulationsfrequenzen zu verbessern.

Um die Störungen noch weiter zu verringern, führt man folgenden technischen Kniff durch. Man hebt auf der Senderseite bei der Modulation die hohen Frequenzen in der Lautstärke etwas an. Damit der Klang auf der Empfangsseite erhalten bleibt, senkt man die hohen Frequenzen entsprechend wieder ab.

Weil nun aber die störenden Rauschgeräusche vorwiegend im höherfrequenten Hörbereich liegen, werden diese stärker abgesenkt als der Rest des Modulationssignals. Man nennt diese Anhebung auf der Senderseite Preemphasis und die Absenkung auf der Empfängerseite Deemphasis.

 

 

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FM-Demodulation

Bei der Frequenzmodulation steckt die Information in der Änderung der Frequenz. Diese frequenzmodulierte Schwingung wird meist nicht unmittelbar demoduliert. Meistens wird die FM vor der Demodulation in eine Amplitudenmodulation oder Pulsmodulation umgewandelt, die dann demoduliert wird. Die entsprechende Schaltung wird als Diskriminator bezeichnet. Als Modulationswandler von FM zu AM dienen frequenzabhängige Schaltungen. Die einfachste ist ein Parallelschwingkreis (Bild 12-26).

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 12-26: Die Entstehung der Amplitudenmodulation aus Frequenzmodulation

Bei der Resonanzfrequenz (hier z.B. 10,6 MHz) liefert der Schwingkreis die größte Spannung und nach beiden Seiten fällt die Spannung ab. Eine dieser Flanken lässt sich als Frequenz-Spannungs-Wandler (Flankendiskriminator) verwenden. Bei der FM-Mittenfrequenz 10,7 MHz entstehen z.B. 2 V, bei der höchsten Frequenz (+ Hub, z. B. 10,75 MHz) 1 V und bei der niedrigsten Frequenz (-Hub, 10,65 MHz) 3 V.  Aus der Frequenzmodulation ist Amplitudenmodulation geworden, die mit einem Einweggleichrichter demoduliert werden kann.

 

TD505  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen

  Bild 12:27

Flanken-Diskriminator zur Demodulation von FM-Signalen.
Produktdetektor zur Demodulation von SSB-Signalen.
Ratiodetektor zur Demodulation von FM-Signalen.
Synchrondemodulator zur Demodulation von AM-Signalen.

Die Schaltung mit solch einem FM-AM-Wandler mit einem einfachen Schwingkreis nennt man Flankendiskriminator. Erläuterung oberhalb!

 

 

TD506  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen

 

Gegentakt-Flanken-Diskriminator zur Demodulation von FM-Signalen.
Ratiodetektor zur Demodulation von FM-Signalen.
Hüllkurvendemodulator zur Demodulation von AM-Signalen.
Produktdetektor zu Demodulation von SSB-Signalen.

Schaltet man zwei Paralelschwingkreise mit leicht versetzten Resonanzfrequenzen in Serie, erhält man den Gegentakt- Flankendiskriminator. Man erhält dadurch eine resultierende Gesamtkennlinie, die symmetrisch zur Nulllinie liegt. Legt man die Trägerfrequenz genau in die Mitte der Gesamtkennlinie, erhält man eine symmetrische Ausgangsspannung. Man kann die bei Frequenzversatz entstehende Gleichspannung als Regelung für eine automatische Frequenzabstimmung (AFC) verwenden.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 12-28: Gegentakt-Flankendiskriminator

 

TD507  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen

  Bild 12-29

Produktdetektor zu Demodulation von SSB-Signalen.
Flanken-Diskriminator zur Demodulation von FM-Signalen.
Hüllkurvendemodulator zur Demodulation von AM-Signalen.
Phasendiskriminator zur Demodulation von FM-Signalen.

Ähnlich sieht die Schaltung des Phasendiskriminators (Bild 12-29) aus. Allerdings arbeitet man nicht mit zwei versetzten Schwingkreisen, sondern addiert über den Koppelkondensator die Gesamtspannung noch einmal zum Mittelwert der Schwingkreisspannung und erhält dadurch eine Phasenmodulation. Um diese Schaltung genauer erklären zu können, müsste man sich meit Zeigerdiagrammen gut auskennen. Merken Sie sich für die Prüfung nur: Koppel-C: Phasendiskriminator.

 

TD508  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen

Bild 12-30

Flanken-Diskriminator zur Demodulation von FM-Signalen.
Hüllkurvendemodulator zur Demodulation von AM-Signalen.
Produktdetektor zur Demodulation von SSB-Signalen.
Ratiodetektor zur Demodulation von FM-Signalen.

Ähnlich sieht die Schaltung des Verhältnisdirkriminators (auch Ratiodetektor genannt, Bild 12-30) aus. Nur wird hier die Eingangsspannung induktiv eingekoppelt, die Dioden sind antisymmetrisch gepolt und die NF-Ausgangsspannung wird im Brückenmittelpunkt ausgekoppelt.

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FM-Demodulator mit PLL

Eine moderne Schaltung zur Demodulation von FM wird mit einer PLL (phase locked loop) realisiert. Sie werden die phasengekoppelte Schleife (PLL) in der folgenden Lektion noch ausführlich kennen lernen. Sie lässt sich hervorragend als FM-Demodulator verwenden.

TD509  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen

Bild 12-28

AM-Modulator.
SSB-Demodulator mit PLL-gesteuertem BFO.
ZF-Verstärker.
PLL-FM-Demodulator.

Prinzip der FM-Demodulation mit der PLL-Schaltung: Der VCO hat die gleiche Frequenz, wie das ankommende FM-Signal. Beide Frequenzen werden mit Hilfe des Phasenvergleichers verglichen. Ohne Modulation hat die Regelspannung für den VCO einen mittleren Wert. Ändert sich die Frequenz des FM-Signals durch Frequenzmodulation, entsteht eine Spannung, die den VCO eigentlich nachregeln will. Diese Spannung entspricht der Frequenzänderung und ist damit direkt das demodulierte NF-Signal.

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Integrierte Schaltung

TD510  Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen

Bild 12-33

Begrenzerverstärker mit FM-Diskriminator.
Produktdetektor zu Demodulation von SSB-Signalen.
Modulator zur Erzeugung von SSB-Signalen.
Modulator zur Erzeugung von FM-Signalen.

Im Prüfungsfragenkatalog findet man noch eine Schaltung zur Demodulation von FM, wie sie heutzutage in den kommerziellen Geräten anzutreffen ist. Im Bild 12-33 ist ein ZF-Verstärker mit Quarzfilter dargestellt. Der integrierte Baustein Q1 enthält außer einem ZF-Verstärker mit Begrenzer auch einen FM-Demodulator.

 

 

TF329  Der Begrenzerverstärker eines FM-Empfängers ist ein Verstärker,
der zur Begrenzung des Hubes für den FM-Demodulator dient.
der zur Verringerung des Vorstufenrauschens dient.
der das Ausgangssignal ab einem bestimmten Eingangspegel begrenzt.
der den ZF-Träger unabhängig vom Eingangssignal auf niedrigem Pegel konstant hält.

Die Signalbegrenzung in der ZF dient dazu, AM-Störungen zu unterdrücken.


Das Begleitbuch zum Lehrgang

Buch Moltrecht Klasse A

Eckart K. W. Moltrecht, Amateurfunk-Lehrgang Technik für das Amateurfunkzeugnis Klasse A
Verlag für Technik und Handwerk, Postfach 2274, 76492 Baden-Baden, 304 Seiten, mehr als 300 Abb.  
19,80 €
Bestell-Nr. 411 0089, ISBN 978-88180-389-2
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Dieser Lehrgang basiert auf dem Prüfungsfragenkatalog 2007 der Bundesnetzagentur. Alle darin vorkommenden Themen wie Grundlagen der Elektrotechnik, Elektronik sowie Sender- und Empfängertechnik, Übertragungstechnik, Antennentechnik und Messtechnik aus dem Gebiet "Technische Kenntnisse" werden ausführlich erläutert. Die Erfahrung mit praktischen Lehrgängen wird genutzt, um den Prüfling in die Lage zu versetzen, jede Frage aus dem Fragenkatalog richtig zu beantworten. Dieses Buch ist auch sehr gut für das Selbststudium geeignet. Dieser Lehrgang baut auf dem Lehrgang für die Klasse E auf. Sie sollten also erst den Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis Klasse E durchgearbeitet haben oder zumindest bei Verweisen dort nachlesen können.


Letztes Update: 28.11.2016 (by DJ4UF)