AM Demodulation
AM Demodulation
Behandelt werden die AM im Zeitbereich und im Frequenzbereich, der Modulationdgrad, ideale AM Demodulation mit Hüllkurven-Detektion und Synchrone Demodulation, letztere im Zeit- und Frequenzbereich.
Als Beispiel für eine nichtlineare Demodulation wird die quadratische Demodulation behandelt. Diese wird in einem späteren Beitrag über Anodengleichrichtung wieder aufgegriffen.
Als wichtige Unterscheidung zwischen den Demodulationsprinzipien für AM erweist sich die Spitzen-Gleichrichtung (Detektor) einerseits und die Mittelwert-Bildung nach einer (quadratischen) Nichtlinearität andererseits.
Bei der Spitzen-Gleichrichtung kommt es bei falscher Dimensionierung zu nichtlinearen Verzerrungen des demodulierten Signals. Bei der Mittelwert-Bildung tritt diese nichtlineare Verzerrung nicht auf.
Ernst Erb hat mich darauf aufmerksam gemacht, dass die frühen Detektor-Apparate nicht nur mit Kristallen bestückt waren, wie das zum Beginn des Rundfunks üblich war, sondern auch (seltener) mit Röhren. Daneben gab es damals noch eine Vielzahl andersartiger "Wellenanzeiger", die aber in diesem Zusammenhang nicht von Interesse sind.
Fleming hat bereits 1904 sein entsprechendes Röhren-Patent angemeldet. Das Bild einer solchen frühen Fleming-Diode stammt aus G.G. Blake: History of Radio Telegraphy and Telephony, Chapman & Hall, 1928.
- Grundlagen der AM-Demodulation (Teil 1, im Anhang)
- Dioden-Demodulator
- Audion
- Anoden-Gleichrichter
- AM_Demodulation_Teil_1 (775 KB)
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.
AM Demodulation Teil 2
Zunächst wird auf die Richtkennlinien eingegangen, danach auf die AM Demodulation mit Röhren-Dioden.
Untersucht wird die Belastung des Schwingkreises durch den Demodulator und die Auswirkung der Belastung des Demodulators durch nachfolgende Stufen.
Abschließend wird in diesem Teil die Auskopplung der Niederfrequenzspannung mit einem Trafo (oder Kopfhörer) behandelt.
MfG DR Anlagen:
- AM_Demodulation_Teil_2 (382 KB)
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.
Frühe HF-Detektoren
Frühe Versuche mit drahtloser Telegrafie
Frühe drahtlose Kommunikation basierte nicht unbedingt auf einer Trägermodulation, sondern das Vorhandensein einer elektromagnetischen Schwingung auf einer sehr breit definierten Frequenz war schon Inhalt der Botschaft. Erst später gab es Versuche mit einer Trägermodulation. Die Entwicklung der drahtlosen Übermittlung hin zu Modulation - also lange vor der Einführung von Rundfunk - ist nicht leicht zu erklären. Hier zeige ich nur die wichtigsten Schritte und weise mit Seitenangaben auf die Stellen in "Radios von gestern" hin.
Geschichtliche Entwicklung
Wenn wir nur ganz grob nach den wichtigsten Stationen zur Entwicklung der drahtlosen Nachrichtentechnik fragen, kommen wir auf ein paar Binsenwahrheiten wie:
1856 entwickelt Maxwell die Theorie des elektromagnetischen Feldes und fasst 1865 die Arbeiten Faradays über Elektrizität zusammen. Er hat brillant die "elektromagnetische Lichttheorie" entworfen. Sie stand ganz im Gegensatz der dann geltenden Fernwirkungstheorie (Äther, (Weber, Neumann, 1825-1828) [Seite 19]. Erst Heinrich Hertz kann 1887 die Theorie von Maxwell in der Praxis bestätigen [S. 29]. Marconi führt die Radiotechnik zur Blüte.
Erklärung von Dietmar Rudolph über Helmholtz, der Hertz den Auftrag gab, die Theorie zu klären:
Nach A. Fölsing: Heinrich Hertz, eine Biographie, Hoffmann & Campe, 1977, S. 102 f.:
"In Deutschland war Helmholtz der erste und lange Zeit der einzige Gelehrte, der sich gründlich mit der Feldphysik von Faraday und Maxwell vertraut gemacht hatte, ohne sie deshalb für die einzig richtige zu halten. Daher bekam er es bei seinem Klärungsversuch gleich mit drei Auffassungen zu tun. "Bei dem Widerstreite der Theorien schien es mir rathsam, möglichst wenig den Boden der Thatsachen zu verlassen und in der Theorie unbestimmt zu lassen, was bisher nicht als durch die Versuche entschieden angesehen werden kann." - - erläuterte er 1870 in seiner ersten großen Abhandlung seine Vorgehensweise.
Das Ergebnis war eine Art "Übertheorie", in der alle drei Konzeptionen integriert waren; durch die Wahl eines freien Parameters konnten alle drei einzelnen Theorien, die Neumannsche, die Webersche und die Maxwellsche, durch Spezialisierungen gewonnen werden. Mathematisch war das Helmholtzsche Verfahren kompliziert, und begrifflich war es ziemlich vertrackt, denn seine 'Übertheorie' enthielt sowohl Fern- als auch Nahkräfte. Allerdings waren das alles Provisorien, denn was davon wirklich zutreffend war, sollten Experimente entscheiden, und zwar bevorzugt solche mit offenen Stromkreisen.
Drahtlose Nachrichtenübertragung mit Radiowellen vor Hertz
Tatsächlich war die Fernwirkungstheorie so tief "eingebürgert", dass selbst in der Royal Society (Akademie) niemand die anfänglich unabsichtlichen Versuche von David Eduard Hughes im Jahr 1879 ernst nahm [Seite 28]. Er erreicht mit Funkeninduktor, Funkenstrecke und Kontakt-Detektor 550 m Distanz und zeigt in der Akademie eine sichere Überbrückung von 400 m. Er arbeitet mit UKW-Wellen. Er ist unter anderem 1855 auch der Erfinder des sehr erfolgreichen Klarschrift-Telegraphen [S. 23]. Auch hat er vor dem Experiment den Kohle-Stahl-Detektor und das Kontakt-Mikrophon erfunden. Trotzdem kann man weder ihn als den Erfinder des Radios bezeichnen, noch einen anderen Erfinder, höchstens Marconi für die erfolgreichste praktische Einführung des Radios in die Praxis - als "Vater des Radios".
Es gibt weitere drahtlose Übertragungen mit Radiowellen vor Hertz, abgesehen von Induktionsversuchen von Trowbridge (1880) und Preece (1882) {S. 28] etc. Aber auch Mitte der 1880er Jahre mit dem Funkeninduktor (Henry 1840, Bréguet, Masson 1841, Ruhmkorff 1850) [S. 23] mit dem Fritter (1838) von P.S. Munk af Rosenskjöld (fälschlich auch Rosenschöld genannt) [S. 22]. Rosenskjöld (1838), Varley (1866) und andere verwenden den Fritter noch nicht für Nachrichtenübertragung. Calzecchi-Onesti 1884, Popow 1885 sind bekannter, doch erst die Veröffentlichungen von Hertz (ab 1887) lassen Fritter und Kohärer gezielt von allen Radiopionieren und Tüftler bis hin zu Marconi und Braun benutzen. Es gibt verschiedene Entwicklungen wie den Sparc Gap Coherer von Lodge (1889), den Branly 1890 entscheidend verbessert. Daraus wird dann der Stahlcohärer von 1901/02.
Weitere HF-Detektoren
Aber schon 1895 benutzt Rutherford (1908 Nobelpreis) ein Magnetometer um Signale zu detektieren. Marconi entwickelt daraus 1902 den viel sensibleren Detektor als das Fritter sind, den magnetischen Detektor (Maggie), der zumindest auf Schiffen bis 1912 zur quasi Standardausrüstung gehört. Marconi ist es denn auch, der eine solide, praxistaugliche drahtlose Telegraphie mittels elektromagnetischen Wellen aufbaut und weltweit am erfolgreichsten zum Einsatz bringt [S. 32 ff].
Fleming legt mit seiner Röhrendiode von 1904 einen ersten Grundstein zur Demodulation von Amplitudenmodulation mittels Elektronenröhre und Ende 1906 entwickelt De Forest mit einer Triode das Audion. Er versäumt es, die Verstärkungswirkung seines Audions zu patentieren, ganz abgesehen davon, dass damals niemand die Vorgänge wirklich verstanden hatte. Etwa zur gleichen Zeit findet man verschiedenste Kombinationen von Materialien zur Demodulation, wie z.B. den Kristall-Detektor.
Die Diode von Fleming kommt ganz wenig zum Einsatz, die Triode erst nach und nach, so dass bis zum ersten Weltkrieg alle anderen Arten von Detektoren viel mehr zum Einsatz kommen, allen voran der magnetische [S. 38].
Nach dem Krieg - also bei der Einführung des Rundfunks - sind beide Detektoren im Einsatz: Bei besonders billigen Apparaturen oder Selbstbauten die Kristalldetektoren, bei anderen Apparaten die Röhren-Trioden.
Die Kontakt-Detektoren sind die Vorgänger unserer Dioden, Transistoren bis hin zu den ICs, während die Röhren als erste elektronische Bauteile gelten - beides ist etwa um die gleiche Zeit entstanden. Der Siliziumkristall-Detektor von Pilkard z.B. 1905. 1906 und 1907 findet man die meisten Materialien, die sich zur Detektion bzw. Demodulation eignen.
Es gibt einige weitere Detektoren oder Anzeiger wie Ticker, Schleifer, Quecksilber-Detektor, Schloemilchzelle, verschiedene elektrolytische Detektoren, Flammen-Detektoren (siehe auch de Forest). Zudem kommen einige Exoten vor, wie den Schwebungsempfänger mittels Lichtbogenoszillator.
Ungedämpfte Schwingungen als Basis für Sprache und Musik
Schon ab 1898 gibt es Versuche zur Übertragung von Sprache durch Fessenden. 1900 benutzt er dazu einen besonderen Funkensender (20 kHz) [Seite 37]. Er hat 1901 auch das Heterodyne-Prinzip patentiert, um damit stumme Morseträger zu modulieren.
Maschinensender (Fessenden ab 1898) und Lichtbogensender (Poulson 1903) lassen erst ungedämpfte Schwingungen zu. Letzterer stammt vom "singing arc" von Duddell (1900) [S. 42]. Die Sprachübertragungen von Fessenden 1902, 1904 und besonders 1907 sind ziemlich bekannt - auch das Experiment von Nussbaumer 1904.
Die Röhrentechnik setzt sich beim Sender und Empfänger durch
Schon 1774 benutzt Henly Vakuumröhre und Flamme als Indikator der elektrischen Stromrichtung [S. 197]. Wir wollen uns aber weder mit ihm, Ohm, Faraday, de la Rive, Buff, Becquerel oder Goldstein, Crookes, Hittorf oder gar Röntgen, Thomson oder Braun beschäftigen, sondern direkt mit dem Röhrenverstärker, der Triode von de Forest. Lee de Forest versucht nämlich seit Jahren einen besseren Detektor (responder) zu schaffen und es fällt ihm 1900 auf, dass das Gaslicht schwächer wird, wenn er mit einer Induktionsspule arbeitet. Er ist also noch auf dem Weg der Vorgänger, die Zusammennänge zwischen hochfrequenten Wechselströmen und Flammen entdeckten. Er meldet auch drei Patente dazu an, spürt aber wohl, dass das ein Holzweg ist und lässt sich 1905 Fleming-Dioden nachfertigen. Er entwickelt daraus das "Two electrode Audion". Dieses arbeitet am linearen Teil der Diode (Richtverstärker), Fleming arbeitete am unteren Knick.
Am 25.10.1906 meldet de Forest unter dem Titel "Device for amplifying feeble electrical currents eine Röhre zum Patent an, bei der er erstmals drei Elektroden mit den dazugehörigen Stromkreisen verwendet. Am 25.11.1906 lässt er erste Trioden anfertigen, die so gut wirken, dass er am 29.1.1907 ein Patent anmeldet - aber dabei die Verstärkung nicht mehr erwähnt! 1907 sind schon 20 US-Kriegsschiffe mit dem Audion ausgerüstet [S. 200]. 1909 bietet er erste Empfänger für den privaten Gebrauch in "Modern Electronics" an.
Vergleich: von Lieben - aber auch Dieckmann und Glage - laborieren da noch mit ihren untauglichen und riesigen eletronischen Relais herum, bevor von Lieben im Dezember 1910 diese aufgibt und die Triode von de Forest verwendet. 1909 verkaufte de Forest 440 Audione, 1910 deren 214. Ende 1912 demonstriert de Forest bei WECO einen Telefonverstärker. Langmuir (GE) konstruiert daraus 1913 die Hochvakuumröhre, die Franzosen kopieren diese 1914. Der Assistent von de Forest, van Etten führt die Transformator-Kopplung ein und erhält 1912 heulende Rückkopplungen, die schliesslich zum Rückkopplungs-Audion führen.
Die Zeit um 1913 bringt einige Erfindungen zur Rückkopplung mit der man erst an Oszillatoren bzw. Radiosender in Röhrentechnik denken kann. Davor beherrschen Maschinensender dieses Gebiet und verschwinden erst viele Jahre später ganz. Auch die Weiterentwicklung der Röhre ist spannend. Hier noch mehr davon.
Ablösung der Röhren durch Solid State Technik
Beim Empfänger haben schon lange die Transistoren und IC's die Röhren verdrängt wie auch bei den meisten Sendern. Neue Formen der drahtlosen Kommunikation mittels "Radiowellen" wurden dadurch möglich und brachten uns Handy, Kleinstsender - und Empfänger, Fernbedienungen, Satellitennavigation etc. PC und Internet wären ohne diese nicht denkbar.
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.
AM Demodulation Teil 3
Im Beitrag wird zunächst kurz auf das Audion von Lee de Forest eingegangen. Anschließend wird die Funktionsweise der Audionschaltung analysiert.
Die "normale" Audion--Stufe hat in einer Röhre gleichzeitig mehrere Funktionen zu erfüllen:
- Gleichrichten (demodulieren) des Hochfrequenz-Signals
- Verstärken des demodulierten Niederfrequenz-Signals
- definiert rückkoppeln (mitkoppeln) zur Steigerung der Empfindlichkeit (wird hier noch nicht behandelt)
Die verschiedenen Aufgaben des Audions lassen sich vorteilhaft dadurch erfüllen, daß die Funktionsweise auf mehrere Röhren aufgeteilt wird. Hierzu werden 2 Beispiele betrachtet:
- Nestel--Audion
- Wunderlich-Audion
MfG DR Anlagen:
- AM_Demodulation_Teil_3 (248 KB)
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.
AM-Demodulation Teil 4 (Audion mit Rückkopplung)
Im Teil 4 wird die Rückkopplung beim Audion behandelt.
Ausgangspunkt ist der Beitrag über die Eigenschaften eines Kurzwellen-Audions. Die dort dargestellten Zusammenhänge werden hier im Teil 4 noch etwas erweitert.
Es wird begründet, weshalb durch die Rückkopplung (Mitkopplung) der Schwingkreis als solcher nicht "entdämpft" wird, sondern nur die gesamte Rückkopplungs-Struktur die Eigenschaften eines "entdämpften" Schwingkreises erhält. (Genau so wenig wird ein Schwingkreis "bedämpft", wenn er entsprechend in eine Gegenkopplungs-Struktur eingebettet wird.)
Neu hinzugekommen ist eine Darstellung der Resonanzüberhöhung beim Audion als Folge der Rückkopplung bzw. der Kreisverstärkung. Mit Hilfe dieser Darstellung erkennt man sehr gut, warum in der Praxis Schwingkreise hoher Güte sehr viel günstiger sind als Kreise geringer Güte, obwohl durch Rückkopplung (theoretisch!) jede beliebig hohe effektive Güte eines Audions erzielt werden kann.
In der Praxis ist es daher immer empfehlenswert, Spulen für LW und MW mit Litze und Kondensatoren mit Luft-Dielektrikum zu verwenden. Auch wenn landläufig mitunter gegenteilige Meinung herrscht.
Das Literaturverzeichnis für alle Teile.
MfG DR
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.