radiomuseum.org

 
Please click your language flag. Bitte Sprachflagge klicken.
  The thread rating is reflecting the best post rating. Have you rated this thread (best post)?

HiFi AM Empfänger

Moderators:
Ernst Erb Otmar Jung 
 
Please click the blue info button to read more about this page.
Papers » Basic principles of radio technique » HiFi AM Empfänger
           
Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
Editor
D  Articles: 2094
Schem.: 792
Pict.: 438
11.Mar.19 17:07
 
Count of Thanks: 2
Reply  |  You aren't logged in. (Guest)   1

HiFi, High Fidelity, gab es nicht erst ab den '60er Jahren. Bereits in den 30er Jahren sprach man von High Fidelity. Zunächst in den USA, später dann aber auch in Deutschland. So gibt es 1935 ein Prospektblatt von Telefunken, wo die Empfänger dieses Jahrgangs als HiFi angepriesen werden.

[Das Prospektblatt ist zwischenzeitlich zu einem anderen Sammler "gewandert", aber dort leider verloren gegangen. Ich hoffe aber, daß einer der Leser dieses Prospekt der 1935er Telefunken Radios hat und einen Scan davon zur Verfügung stellen kann. Diesen würde ich gerne hier einfügen wollen.]

High Fidelity in Region 2 (die "Americas")

In [1] werden in Kapitel 31 "High-Fidelity Receiver Problems" behandelt. Hier findet man Angaben zu den realisierten NF Frequenzbandbreiten der verschiedenen Empfänger-Klassen Fig. 31-1.

 

Die NF Bandbreite der HiFi Empfänger ist allerdings so stark nach tiefen und hohen NF Frequenzen erweitert, daß einerseits die Störgeräusche aus dem Netzteil und andererseits die atmosphärischen Störungen eine Rolle spielen, Fig. 31-2. 

Eine weitere Zusammenstellung der NF Frequenzbereiche stammt aus [2]. 

In der linken Spalte sind die realisierten NF Bandbreiten zu finden, während in der rechten Spalte die NF Bandbreiten der "Schallquellen" dargestellt sind.

Die Angaben für "Average" Table & Console Radios, sowie für "High Fidelity Receiver" entsprechen denen in Fig. 31-1, sind somit auch noch 1953 für AM Empfänger gültig. 

Dagegen gelten die mit "*" markierten Angaben für "High Fidelity Systems" i.a. für FM Empfänger. Es gab aber auch einzelne AM Empfänger, die für solche NF Bandbreiten ausgelegt waren.

In USA (Region 2) ist das AM Kanal-Raster 10 kHz, jedoch war die Frequenzplanung so, daß regional benachbarte AM Sender (mindestens) 50 kHz Kanalabstand hatten. Da die "normale" Sendeleistung in der Größenordnung 100W bis 1 kW lag, konnte bei Tagempfang von i.d.R. störungsfreiem Empfang, auch für HiFi auf AM ausgegangen werden. Störungen gab es vereinzelt durch AM Sender, die mit der (für Region 2) maximalen Sendeleistung von 50 kW arbeiten.

"Ausgewogene" NF Grenzfrequenzen

Aufgrund technischer Randbedingungen ist der übertragbare NF Frequenzbereich zu teifen und zu hohen NF Frequenzen hin begrenzt. Wenn nun z.B. die obere Grenzfrequenz technisch bedingt fest liegt, wie ist dann die untere Grenzfrequenz zu wählen, damit sich ein "ausgewogenes" Klangbild ergibt?

Mit diesem Problem mußte sich insbesondere die Post für ihren Telefon-Dienst befassen. Für HiFi im AM Bereich bei Radios mag das auf den ersten Blick irrelevant erscheinen, jedoch ist es heute sehr verbreitet, Telefon-Interviews z.B. mit Korrespondenten oder mit Hörern zu führen, die in praktisch allen Programmen übertragen werden, unabhängig von der auf dem jeweiligen Übertragungsweg theoretisch erreichbaren Audio-Qualität.

Die Untersuchungen der Post sind in [3] dokumentiert, Bilder D 5-12, D 1-5.

"Silbenverständlichkeit" wurde getestet mit vielen Silben, die als solche keinen Sinn ergeben. Die Testpersonen konnten also nicht erraten, ob die gehörte Silbe tatsächlich gesendet wurde. Bei diesen Tests können nie 100% Silbenverständlichkeit erreicht werden. 

Für Festnetz-Telefonie wurde als Ergebnis dieser Tests die untere Grenzfrequenz zu 300 Hz festgelegt. Wie aus Kurve (a) erkennbar ist, kommt man damit auf mehr als 95% Silbenverständlichkeit.

 

Die obere Grenzfrequenz im Festnetz ist auf 3,4 kHz festgelegt. Damit erreicht man ca. 90% Silben-Verständlichkeit.  Beim Mobilfunk wurde dagegen die obere Grenzfrequenz etwas niedriger (ca. 2,8 kHz) gewählt, was aber immer noch auf eine Silben-Verständlichkeit von ca 85% führt.

Im Unterschied zur Verständlichkeit "sinnloser" Silben, ist die "Satz Verständlichkeit" erheblich höher, Bild D 1-5, weil man sich den Sinn "zusammenreimen" kann. So gibt die obere Frequenzgrenze von 3,4 kHz fast 100% Satzverständlichkeit, aber auch die geringere Frequenzgrenze im Mobilfunk ist noch nahe an 100%, auch wenn Mobilfunk-Interviews meist schwerer zu verstehen sind.

Grenzfrequenzen und geometrisches Mittel

Das geometrische Mittel fm der Grenzfrequenzen fu und fo ist  $ f_m=\sqrt{f_u\cdot f_o}$

  fu / Hz fm / Hz fo / kHz
Telefon 300 1010 3,4
Mobilfunk 300 917 2,8
Mitget Radio 250 866 3,0
Console Radio 100 633 4,0
AM HiFi Radio 50 612 7,5
Orchester 20 490 12

Die Werte für die Radios stammen aus Fig. 31-1. Wie aus der Tabelle zu sehen ist, liegt die geometrische Mittenfrequenz für Radios im Bereich 600 - 900 Hz. Liegt sie tiefer als 600 Hz, ist die Musik baßlastig und Sprache schwerer verständlich. Liegt sie höher als 900 Hz klingt die Musik "blechern"; dafür ist jedoch die Sprache besser verständlich. [Manche UKW Radios haben eine "Sprache" Taste, mit der sich dieser Effekt demonstrieren läßt.]

Dynamikbereich, Störabstände, Verzerrungen

Für eine HiFi Übertragung ist es nicht ausreichend, einen erweiterten Frequenzbereich des Audio-Signals zu übertragen. Es müssen zusätzlich die im Empfangssignal entstehenden Störungen (externe, interne) minimiert werden. Eine weitere Rolle spielt der Dynamikbereich, der das Verhältnis zu dem lautesten Audiosignal (mit der maximal zulässigen Verzerrung) zum leisesten Audiosignal (mit dem geringsten zulässigen Störabstand)  angibt.

In [1] wird für einen AM HiFi Empfänger folgendes gefordert:

  1. Audio-Wiedergabe-Bereich 50 Hz bis 7,5 kHz
  2. Nichtlineare Verzerrungen kleiner als 5%
  3. NF Dynamik-Bereich ≥ 70 dB

Dynamik-Bereich der NF Signal-Quellen

In [2] gibt es eine Graphik, welche die typische Frequenzabhängigkeit von Sprache und Orchestermusik zeigt, Fig. 2-1.

Wie aus Fig. 2-1 hervorgeht, ist der Intensitäts-Bereich zwischen Sprach-Signal und der Musik eines großen Orchesters ca. 90 dB.

Dieser Wert ist allerdings für jedwedes Übertragungs-System zu hoch, so daß in jedem Fall auf der Aufnahme- bzw. Sender-Seite eine Dynamik-Kompression erforderlich ist. Während das früherdie Aufgabe des Aufnahme-Leiters war, gibt es heute dafür auch automatische Kompressions-Systeme. (s. unten)

Der dafür notwendige Eingriff des Aufnahme-Leiters ist in [4] gezeigt, Abb. 34a.

Die obere Grenze in Abb. 34a wird durch die Aussteuerungsfähigkeit der Aufnahme-Apparatur bzw. des Senders festgelegt.

Die untere Grenze ergibt sich aus dem notwendigen Störabstand für leise Passagen der Musik.

Da der Dynamik-Bereich der Aufnahme-Apparatur begrenzt ist, muß der Aufnahme-Leiter kurz vor einem "Crescento" die Lautstärke praktisch bis an die untere Grenze absenken, damit die Dynamik der Musik erhalten bleibt.

 

 

In Tabelle 39 [5] werden gemessene Schalldrucke von Musikstücken gezeigt. Aus den Quotienten pmax/pmin folgt, daß der Dynamik-Bereich der hier gezeigten Schallquellen ≥ 50 dB beträgt. 

Der Dynamik-Bereich darf nicht verwechselt werden mit dem in Fig. 2-1 dargestellten Intensitäts-Pegel. Ein Orchester mit z.B. 150 Spielern ist nicht nur im Maximum, sondern auch im Minimum lauter als z.B. ein kleines Orchester mit z.B. 7 Spielern, obwohl gerade dieses einen größeren Dynamik-Bereich beansprucht, wie aus Tabelle 39 hervor geht. 

 

Heutige automatische Kompressions-Systeme für Audio-Signale können den Dynamik-Bereich für Audio-Signale praktisch auf fast 0 dB reduzieren, wie die Figuren 1-1 & 1-2 zeigen.

Diese Audio Prozessor-Systeme werden heute von den meisten Broadcastern für alle die Programme eingesetzt, die Produkt-Werbung enthalten.

Der Nutzen für die Broadcaster besteht darin, daß der Sender infolge der Kompression im Mittel sehr viel weiter "durchmoduliert" werden kann, wodurch er im Empfänger entsprechend lauter erscheint. Insbesondere bei einer lauten Hörumgebung, wie z.B. im Auto, ist das vorteilhaft. 

Im Rundfunk werden praktisch ausschließlich "Optimod" Prozessor-Systeme von Orban eingesetzt.

Störabstände

Hier steht "nur" eine Graphik aus [3] zur Verfügung, die die Silben-Verständlichkeit bei umgebendem Geräuschpegel zeigt. Je lauter der Pegel des Störgeräusches ist, um so größer muß der Pegel der Silben werden, um diese richtig zu verstehen. Für ca. 95% Silben-Verständlichkeit ist ein Geräuschabstand von 40 dB erforderlich, Bild D 5-14.

Man kann jedoch davon ausgehen, daß auch beim Rundfunk-Empfang ähnliche Verhältnisse zutreffen und daher ein Störabstand von ≥ 40 dB erforderlich ist.

 

Nichtlineare Verzerrungen

Bei nichtlinearen Verzerrungen denkt man primär an solche Verzerrungen, die durch gekrümmte Kennlinien der NF Verstärkerstufen entstehen. Diese Verzerrungen lassen sich durch Gegenkopplung so weit reduzieren, daß sie unterhalb der zulässigen 5 % bleiben.

Jedoch gibt es auch beim AM Empfang (nach der Demodulation) nichtlineare Verzerrungen, die auf dem Funkweg infolge Mehrwege-Ausbreitung entstehen [6], Abb. 445.

In Abb. 445 ist der zeitliche Verlauf eines AM-Trägers auf 610 kHz und seiner beiden Seitenlinien bei einer Modulation mit einem Sinuston von 500 Hz dargestellt.

Infolge von Mehrwege-Ausbreitung (auf dem Funkweg) werden der Träger und seine beiden Seitenlinien durch die dabei entstehenden Interferenzen völlig unterschiedlich gedämpft und in ihrer Phasenlage gedreht. In der Zeigerdarstellung der AM hat man nun als Resultierende eine "Modulations-Ellipse". Nach der AM-Demodulation enstehen daraus nichlineare Verzerrungen im demodulierten Audio-Signal. [Abhilfe würde nur eine synchrone AM Demodulation schaffen. Allerdings nur so lange, wie kein totaler Trägerschwund entsteht.]

Daraus kann man erkennen, daß AM HiFi Empfang nur für Sender im Nahbereich möglich ist, wo (noch) keine Mehrwegeausbreitung stattfindet. Der Nahbereich eines AM Senders empfiehlt sich auch deshalb, weil da Störeinflüsse ferner Sender reduziert sind.

  • AM HiFi Empfänger werden deshalb in ihrer Empfindlichkeit so (schwach) dimensioniert, daß sie nur im Nahbereich eines AM Senders korrekt funktionieren.

Schaltungstechnik von AM HiFi Empfängern

AM HiFi ab 1935

Den Stand der Schaltungstechnik in den USA von 1935 kann man [1] entnehmen. Hier werden Probleme von Empfängern angesprochen, die "auch" HiFi wiedergeben können. Es handelt sich um Superhet Empfänger mit verbesserten Eigenschaften der Wiedergabe der NF.

  • Ein wichtiges Problem war die Frequenz-Konstanz des Oszillators.

Durch die Frequenz-Drift des Oszillators für die Mischstufe wandert das ZF Spektrum aus dem Durchlaßbereich des ZF Filters hinaus, Fig. 31-3 (B). Dadurch wird resultierend aus einer AM eine AM mit überlagerter PM (Phasenmodulation). Nach der AM Demodulation (Hüllkurven-Gleichrichter) ergeben sich daraus nichtlineare Verzerrungen des demodulierten Audio-Signals.

Um die Frequenz-Drift des in USA allgemein üblichen selbstschwingenden "Pentagrid" Konverters (6A7) als Mischstufe zu verringern, wurde ein separater Oszillator mit einer Triode ('76) spendiert. Das Signal des Oszillators wird nun über 60 pF (60 MMFD. = 60μμF) dem Gitter 1 der 6A7 zugeführt. 

Bei diesen Mischröhren bilden im "Normalfall" Gitter 1 und Gitter 2 eine "Triode", die als Umsetzoszillator beschaltet wird.

Wenn dann (anders als in Fig. 31-4) das Gitter 4 der 6A7 eine AGC Spannung zur Schwundregelung erhält, entstehen durch interne Verkopplungen (Raumladungen, Kapazitäten) Rückwirkungen auf den Ozillator, was dessen Frequenz beeinflußt.

Ein weiterer Punkt ist, daß der separate Oszillator thermisch stabiler ausgeführt werden kann.

 

 

 

Da die damaligen Geräte "universale" AM Empfänger waren, die auch HiFi können sollten, wurde eine Bandbreiten-Einstellmöglichkeit für die (das) ZF Bandfilter vorgesehen.

Die Variation der Bandbreite wird dabei durch die mechanische Verstellung des Abstandes S der beiden Schwinkreis-Spulen des ZF Bandfilters realisiert, Fig. 31-6.

 

 

 

 

 

 

Im Unterschied zu sonstigen AM Demodulator-Schaltungen bei US Empfängern werden hier die beiden Dioden der '37 (≈ EBC..) (getrennt) verwendet. Und zwar hier vom Sekundär-Kreis zur Gewinnung des Audio-Signals und vom Tertiär-Kreis zur Gewinnung einer AGC, die in einer extra Triode '37 verstärkt wird, um damit ein Feldstärke Instrument (Shadow Meter) anzusteuern.

Das "Magische Auge" war damals noch nicht erfunden.

 

Das "Nestel"-Audion

Zitat aus "Das Nestel-Audion":

"Nestel hat 1935 ein verbessertes Audion vorgeschlagen, bei dem eine (extra) Diode die Demodulation bewirkt und eine Triode bzw.Tetrode/Pentode die NF und die HF Spannung verstärkt, wobei letztere der Rückkopplungsspule zugeführt wird. [Nestel, W.: Rückkopplungsaudion mit verringertem Klirrfaktor. ETZ 1935, p. 1021]"

Mit einem solchen Audion ausgerüstet ist je ein Empfänger von Lorenz / Tefag , dessen Schaltung zeigt, daß er für AM HiFi Empfang ausgelegt ist. Auch die Möglichkeit auf "Drahtfunk" umzuschalten unterstreicht das.

Das Gerät hat nur einen Schwingkreis, ist also ein "Einkreiser" und damit "von zu Hause aus" nicht sehr empfindlich.

Es hat jedoch eine AD1 als Endröhre, was zeigt, daß es für Qualitäts-Empfang ausgelegt ist.

Das Audion mit der AF7 in Kombination mit der AB2 stellt die von Nestel erfundene verbesserte Audion-Schaltung dar, die einen geringeren Klirrfaktor aufweist als ein "normales" Audion.

Die Idee mit der zusätzlichen Diode scheint allerdings bereits 1933 von Pitsch zu stammen, siehe "Binoden-Audion von Pitsch".

Siemens Kammermusik-Geräte

Siemens hat ab 1936 sein Interesse für "Kammermusik" entdeckt. Außer den ganz großen Kammermusik-Geräten (KMG) gab es Kammermusik-Schatullen (KMS), die eine Nummer kleiner waren.

Von den KMG gab es 4 Jahrgänge oder "Generationen". Die KMG 1 KMG 2 & KMG 3 waren Geradeaus-Empfänger mit 2 bzw. 3 Schwingkreisen. Erst die KMG 4A KMG 4B waren dann Super mit sehr aufwendiger Schaltung.

Das KMG 1 ist ein ausgesprochenes Gerät für den (qualitativ hochwertigen) Nahempfang.

Die Röhrenbestückung entspricht dem Stand von 1936/37. Es sind alles "Stift-Röhren". Die AB1 bildet zusammen mit der REN904 allerdings kein "Nestel-Audion". Vielmehr arbeitet die AB1 als Dioden-Demodulator hinter der HF Vorstufe mit der RENS1284. Mit dem Drehko können 2 Schwingkreise abgestimmt werden (A). Der Differentialdrehko im Eingang dient der Anpassung der Antenne.

Die Gegentakt-Endstufe mit 2*RE604 sorgt für ausreichend Leistung für die beiden Lautsprecher bei ausreichend kleinem Klirrfaktor.

Das KMG 2 ist gegenüber dem KMG 1 schon deutlich aufwendiger dimensioniert. Es hat nun 3 abstimmbare Schwingkreise (A), eine Bandbreiten-Regelung und eine Schwundregelung.

Interessant ist die "Treiber-Röhre" für den Demodulator mit der AB2. Hier kommt mit der AL4 eine Lautsprecher-Röhre zum Einsatz. Damit erreicht die HF Spannung an der AB2 so hohe Werte, daß die Kennlinien-Krümmung am unteren Knick der AB2 keine Rolle mehr spielt.

Das KMG 2 hat nun 3 Lautsprecher, die von einer stärkeren Gegentakt-Endstufe mit 2*AD1 versorgt werden.

In einer Original-Beschreibung zum KMG 2 von Siemens, wird gesagt, daß auf Wunsch der Kundschaft die Empfindlichkeit vom KMG 2 gegenüber der des KMG 1 erhöht wurde. Empfangsbereiche: LW & MW

Das KMG 3 hat schaltungsmäßig kaum Unterschiede zum KMG 2.

Die KMG 4A / 4B sind als Super mit 9 Kreisen und Stahlröhren realisiert. Sie gehören in die Kategorie der Super, die auch AM HiFi empfangen können. Sie haben als Empfangsbereiche: 2* KW, MW & LW.
Im Unterschied zu den Supern von z.B. Blaupunkt 7W77 und Körting Dominus 40WK, die für HiFi Empfang auf Geradeaus umschalten, gibt es beim KMG 4A/B keinen Geradeaus-Empfang.

Siehe auch den ausführlichen Bericht zum 7W77!

AM HiFi ab 1953

Nach dem Ende des WW2 gab es in Deutschland keine freien MW Frequenzen ("Exclusiv-Frequenzen") mehr. Zusätzlich fand im Rahmen des "kalten Krieges" eine enorme Leistungs-Steigerung praktisch sämtlicher MW- und LW-Sender in der Region 1 statt, was zu chaotischen Verhältnissen mit großen gegenseitigen Störungen geführt hat. AM HiFi war daher im AM Bereich hier nicht mehr möglich. HiFi verlagerte sich daher in Region 1 auf die UKW Frequenzen.

Anders sah es in der Region 2 (Amerika) aus. Hier fand kein Hochrüsten der Sendeleistungen auf MW statt. Daher war es hier möglich, AM HiFi zu übertragen - und schließlich sogar Stereo auf MW.

In [2] werden Schaltungen von AM HiFi Geräten vorgestellt. Als wichtigstes Feature wird eine Demodulator-Schaltung angegeben, die den davor befindlichen Schwingkreis (resp. das Bandfilter) nicht belastet, Fig. 9-6. "Konventionelle" AM Demodulatoren mit Dioden belasten den Schwingkreis dagegen unterschiedlich, je nach Stellung des Lautstärke-Potentiometers.

Der Demodulator wird "Infinite Impedance Detector" benannt. Es handelt sich aber nicht um einen - ganz ähnlich aussehenden - Anoden-Gleichrichter, bei dem die NF aus der Anode ausgekoppelt wird.

Im Unterschied zum Anoden-Gleichrichter wird die NF Spannung hier aus der Kathode ausgekoppelt. Die Schaltung ist eher mit einem Impedanzwandler verwandt. Allerdings mit dem Unterschied, daß hier die Kathode für die HF (RF radio frequency) abgeblockt ist, so daß nur noch die Schwankungen der HF Amplitude - und damit das demodulierte AM Signal - ausgekoppelt werden kann.

 

Mit Hilfe eines solchen "Infinite Impedance Detectors" kann ein AM HiFi Tuner dimensioniert werden, Fig. 9-19, der für sehr starke Empfangssignale geeignet ist.[2]

 

 

 

 

Die Schaltung Fig. 3-20 aus [7] wird auch - weniger gut übersichtlich - in [2] als Fig. 9-20 gezeigt und als Gerät von "J.W. Miller Company" bezeichnet. Es handelt sich auch hier um einen Geradeaus-Empfänger mit 2 abgestimmten Bandfiltern, also mit 4 Kreisen.

Es gibt einen kleinen Unterschied in der Schaltungstechnik zwischen beiden Darstellungen, betreffend der Gewinnung der Spannung für die Schwundregelung (AVC Automatic Volume Control). In [2] wird anstatt mit der Ge Diode 1N34 die Regelspannung aus den Dioden einer 6B8G gewonnen, die dann an der Stelle der 6SJ7 auch den Infinite Impedance Detector bildet.

 

Zur Verdeutlichung ist hier eines der abstimmbaren Bandfilter gezeigt, Fig. 3-22. [7]

Durch die Kopplung der beiden Schwingkreise über die in der Mitte angezapfte Koppelspule L und dem Kondensator C nach Masse, wird bei geeigneter Dimensionierung erreicht, daß das Bandfilter, auch bei Abstimmung auf verschiedene Frequenzen, praktisch seine Durchlaßkurve konstant hält, es also ≈ konstante Bandbreite behält.

 

 

Fig. 9-21 aus [2] zeigt die Gesamtselektivität des "Miller-Tuners" für AM HiFi bei Abstimmung auf 880 kHz Mittenfrequenz (Trägerfrequenz).

Wie die Bezeichnung "Tuner" ausdrückt, war das nur der Empfangsteil, entsprechend wie es auch UKW Tuner gibt. Der AM HiFi Tuner war somit eine Komponente einer HiFi Anlage.

 

 

 

 

 

Literatur:
[1] "Ghirardi, A.A.: Modern Radio Servicing, Murray Hill Books, 1935"
[2] "Newitt, J.H.: High Fidelity Techniques, Rinehart, 1953"
[3] "Bergmann [Hrsg]: Lehrbuch der Fernmeldetechnik, Bd. 1, Schiele & Schön, 1986"
[4] "Reichardt, W.: Grundlagen der Elektroakustik, VAG, 1952"
[5] "Trendlenburg, F.: Einführung in die Akustik, 3.A., Springer, 1961"
[6] "Vilbig, F.: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Bd. 1, 4.A., VAG, 1945"
[7] "Ghirardi, A.A.: Radio and Television Receiver Circuitry and Operation, 5th printing, Rinehart, 1955"

 

This article was edited 16.Mar.19 17:05 by Dietmar Rudolph .

  
rmXorg