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Zwischenfrequenz, ihre Auswahl und Besonderheiten

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Papers » Basic principles of radio technique » Zwischenfrequenz, ihre Auswahl und Besonderheiten
           
Hans M. Knoll
Hans M. Knoll
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18.Feb.13 21:46
 
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Betrachtungen zu den verwendeten Frequenzen im  ZF- Teil  der Überlagerungs Empfänger, seit der Einführung des Superhet- Prinzips im Rundfunkgerät. Was auch als Überlagerungsempfänger oder einfach Superhet bekannt ist.

In Vorkriegs-Supern wurden die folgenden Zwischenfrequenzen verwendet. Tabelle aus „Papst, B.: „Anleitung zur Fehlersuche für Rundfunkmechaniker, 7. A., VT, 1966“

 

Es  finden sich hier Beispiele für Superhet-Empfänger mit  ZF- Frequenzen zwischen 52,5 kHz und  1650 kHz.

Im allgemeinen Sprachgebrauch werden zwei Gründe angeführt, was die Höhe (Grösse) der gewählten Frequenz angeht:  Mit der passenden Frequenz können  1. die Pfeif-Störungen und 2. die Mehrdeutigkeit des Empfangs durch die Spiegelfrequenz reduziert werden.

Die Pfeifstörungen

Pfeifstörungen entstehen durch Unzulänglichkeiten in den einzelnen Stufen des Empfängers, wie Kennlinienkrümmung beim Regeln, Kopplungen auf den HF- Eingang bzw. die Antenne.
Eine Bestätigung dieser Aussage findet sich in „Ghirardi, A.A.: Radio Physics Course, Farrar & Rinehart, 2nd ed., 1932, p. 580“
390. Choice of the intermediate frequency:
The selection of the value of the intermediate frequency employed is very important. The choice of the intermediate frequency has, in the past, often seemed a matter of the set-designer's whim, but actually, it is definitely settled by the conditions of the actual problems involved. Let us see what they are.
For high amplification and good selectivity, the lower the i-f, the better, whereas for freedom from image-frequency interference, the higher the i-f the better. As the image-frequency problem is perhaps the most serious one, a high i-f might seem to be best, but another factor enters, limiting the upper limit of i-f which may be employed in practice. Any detector generates some harmonics of the r-f signal carrier applied to it, and in the case of a power detector handling high signal voltages, harmonics, up to the third, represent quite a fair percentage of the fundamental. It has been found that if the third harmonic of the i-f falls in the broadcast band, leakage in the set from second detector output back to first detector can cause serious interference problems, so that the i-f should be low enough to keep its third harmonic below the broadcast band. The third harmonic of 175 kc, for example is 525 kc, just safely below the broadcast band, and therefore 175 kc has been chosen as the intermediate frequency in many modern receivers. The reason why 170 kc is not chosen, is that the choice of an i-f that is a multiple of 5 kc rather than 10 is desirable, since broadcasting station frequencies in the United States are separated by 10 kc, and two stations themselves separated by 170 kc or 180 kc will cause less trouble to a sharp 175 kc i-f amplifier than they would to a 170 kc amplifier.

390. Zur Wahl der ZF

Sehr wichtig ist die richtige Wahl der verwendeten ZF. In der Vergangenheit erschien die Wahl der ZF Frequenz oftmals vom Gutdünken des Geräteentwicklers abzuhängen. Tatsächlich wird sie eindeutig durch die aktuellen Bedingungen und Probleme festgelegt. Diese sind näher betrachtet folgende:

Für eine große Verstärkung und eine gute Selektivität ist eine möglichst tiefe ZF Frequenz besser, jedoch ist für die Unterdrückung des Empfangs der Spiegel-Frequenz eine möglichst hohe ZF Frequenz besser. Weil das Spiegelfrequenz-Problem wohl das größere ist, scheint eine hohe ZF Frequenz das Beste zu sein. Aber hier tritt ein weiterer Effekt in Erscheinung, der für die praktische Realisierung eine obere Grenze setzt. Jeder Demodulator erzeugt Harmonische von der angelegten Signalspannung. Insbesondere bei hohen Signalpegeln ergeben sich so wesentliche Pegel für die Harmonischen [Oberwellen] bis zur 3. Ordnung. Es wurde festgestellt, daß wenn die 3. Harmonische in das Rundfunkband fällt, diese durch mangelhafte Schirmung auf die Mischstufe gelangen kann, wodurch schwere Interferenz-Störungen entstehen. Daher sollte die ZF Frequenz so tief liegen, daß die 3. Harmonische nicht in das Rundfunkband fällt. Die 3. Harmonische von175 kHz ist 525 kHz und damit gerade noch sicher unterhalb des Rundfunkbandes. Deshalb wurde 175 kHz als ZF in vielen modernen [1932] Rundfunkempfängern gewählt. Der Grund dafür, daß nicht 170 kHz ausgewählt wurde, ist der, daß ein 5 kHz Raster einem 10 kHz Raster vorzuziehen ist, weil die Rundfunkfrequenzen in den USA ein 10 kHz Kanal-Raster haben. Und zwei Stationen, die einen Frequenzabstand von 170 kHz oder 180 kHz haben, erzeugen [durchNichtlinearitäten] weniger Störungen in einem schmalbandigen ZF Verstärker von 175 kHz als es bei einer ZF Frequenz von 170 kHz der Fall wäre.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bei der Wahl der ZF ist die Störfestigkeit gegenüber Frequenzen anderer Funkdienste bzw. Störungen durch Apparate jeder Art von denen Hochfrequenz ausgesandt wird, insbesondere starke HF-Signale.

Zu Beginn der Technik der Überlagerungsempfänger  sprach für eine niedrige Zwischenfrequenz, die noch recht mäßige Verstärkung  der damaligen Röhren.  Hohe Kreiswiderstände und damit hohe Verstärkung lassen sich bei niedrigen Zwischenfrequenzen leichter erzielen.

Pfeif-Störung durch LW-Sender

Der in Europa bekannteste Grund die ZF- Frequenz zu variieren bzw. Standort bezogen zu verändern, ist der Effekt einer bösen Störung in den 30er Jahren durch den Groß-Sender Luxemburg mit der Frequenz 234 kHz. 

Eine Erklärung zum „Störeffekt durch den Sender Luxemburg“  findet sich in „Pitsch, H.: Lehrbuch der Funkempfangs-Technik, 1.A.,VAG, 1948, Seite  324“.

„Ein weiterer Gesichtspunkt für die Wahl der Zwischenfrequenz ist der, daß Oberwellen, vor allem die zweite Oberwelle, welche ein Sender in der Mischröhre erzeugt, nicht mit der Zwischenfrequenz zusammenfallen.

Daher verwendet man in Westdeutschland Rundfunkgeräte mit einer Zwischenfrequenz von 473 kHz, denn die in der Mischröhre gebildete zweite Oberwelle des Luxemburger Senders mit 232 kHz ist gleich 464 kHz, so daß der Pfeifton bei 9 kHz statt 4 kHz liegt.
Die Zwischenfrequenz von 473 kHz ist aber in anderen Gegenden nicht anwendbar, da auf der Breslauer Welle infolge Selbst- Überlagerung ein Pfeifton von 4 kHz entstehen würde.

Man verwendet gelegent-lich auch eine Zwischenfrequenz von 490 kHz, z. B. in Kraftwagenempfängern, deren Gebrauch man ja nicht auf bestimmte Gegenden beschränken kann, jedoch, ist es im allgemeinen erwünscht, die Zwischenfrequenz nicht zu nahe an einen der beiden Rundfunkbereiche zu legen.“

In dem letzten Absatz dieses Textes von H. Pitsch, findet man eine interessante  Aussage zu einer ZF- Frequenz von 490 kHz. Sie wird als eine Universal-  oder  Ausweichfrequenz beschrieben, was sicher auch bei den Modellen  Siemens 36 WL und Telefunken 330 WL in Form von 490 und 500kHz  bei LW- Betrieb eine Rolle gespielt hat um diese Frequenzen zu wählen.  Gleichzeitig wird damit klar, warum es viele Modelle  mit ZF- Frequenzen von 475 kHz  bis 490 kHz  gab.

Dem  „Störeffekt durch den LW Sender Luxemburg im Radioteil“ ist man mit einer  Umstellung bzw. Änderung der damals üblichen Zwischenfrequenz  von 468 kHz auf 473 kHz, westlich einer innerdeutschen Linie begegnet.

Seit den 60er Jahren bis heute, kamen Störungen durch Funkbaken der Luft- und Schiffahrt hinzu, die im LW Bereich arbeiten.
Dabei ist zu beachten, dass direkte Einkopplungen, von Signalen auf der jeweiligen ZF- Frequenz,  über den Antenneneingang  in den ZF- Teil  mit selektiven Sperren wie Parallel- oder Serienkreise am Antenneneingang,  mit einer Dämpfung von ca. -26 bis –30dB verhindert wurden.
Diese Möglichkeit kann jedoch nicht,  oder nur  mit mangelhaften Erfolg, beim Empfang mit Ferritantennen eingesetzt werden.  Daher wird hier ebenfalls mit einer Verlegung der Zwischenfrequenz gearbeitet. Statt der in den 50er und 60er Jahren vorgeschriebenen  oder empfohlenen ZF von 460KHz wurde deshalb auf 452 kHz   ausgewichen.

Mit dem Aufkommen der Keramikfilter, bestellten europäische Hersteller, in Deutschland und später in Japan Filter mit 460 kHz. Mit dem Aufkommen von Mikroprozessor gesteuerten Modellen hat man zumindest bei GRUNDIG 450KHz als ZF- Frequenz gewählt.
Der Grund dafür: das Programmieren des Vorteilers (prescaler) der die Oszillator- Frequenz vom Istwert auf die Referenzfrequenz (meist die Schrittweite der Abstimmung) vornimmt.
Schrittweiten von 9 kHz, 5 kHz und 1 kHz in Europa und 10 kHz,5 kHz und 1 kHz für den Export nach USA, lassen sich damit besser und einfacher realisieren. Mit abnehmenden Stückzahlen wurde die weltweit gängige Frequenz von 455 kHz eingeführt. Diese Änderungen der ZF Frequenz haben somit mit dem Empfang nichts zu tun. 

Notes:      Von der Postbehörde etc. war  um die Frequenzgrenzen der Oszillator- Störstrahlung angeben zu können die ZF mit 460 kHz vorgegeben.
 Grundig hat seine Modelle für die Beneluxstaaten von 460Khz auf 452Khz umgestellt und als „NL“ Modelle geliefert.  Ebenso existieren  bei  Philips, neben den 460 kHz- Modellen, welche mit 452KHz.

Der eigentliche Vorteil des Superhet- Prinzips, wird, wie ich meine, fast immer von anderen Vorteilsgründen überdeckt. Selbst die Fachliteratur zeigt dieses Feature nur in wenigen Fachartikeln auf, was auch der Grund seiner weitgehenden  Unbekanntheit ist.
Als Vorteile werden zurecht angegeben:
Verminderung der Spiegelfrequenz- Störungen.
Gleichmäßige  Bandbreite, die auch variabel einstellbar sein kann und in deren Gefolge hohe Trennschärfe oder alternativ gewählt, großer Frequenzumfang der Wiedergabe. Vorzugsweise dann, wenn man den oder die Vorkreise außer acht lässt. Dafür gibt es aber auch Möglichkeiten das zu beeinflussen (z.B. Eingangsbandfilter mit Umschaltung der Bandbreite)

Als weiterer Grund zur Verwendung  sehr niedriger Frequenzen werden genannt, dass mit Luftspulen oder noch nicht vorhandenen bzw. unvollkommenen Magnetwerkstoffen zur Steigerung der Kreisgüten,  eine Reduzierung der Kreisverluste an allen Stellen des Aufbaues  nur bei niedrigen Frequenzen realisiert werden konnten.
Das Bild zeigt die erreichbaren 3dB Bandbreiten von Schwingkreisen in Abhängigkeit von deren Güte

 

.

Quelle: Kleine Elektronik-Formelsammlung, G. Rose, RPB 68

 


Man erkennt aus dieser Grafik, wie bei gegebener Güte Q der Schwingkreise die ZF Frequenz zu wählen ist, damit sich z.B eine 3 dB Bandbreite von 4,5 kHz ergibt. (horizontale ---- Linie)

Beide Gründe sind von Bedeutung warum Superhets sich durchgesetzt haben.
Sicher können ausreichende Trennschärfe auch durch mehrkreisige Filter erreicht werden, was aber Aufwand und einen Rückgang der Verstärkung nach sich zieht, wenn nicht auch aktive Komponenten wie Röhren, Transistoren etc. aufgewendet werden.

Der prozentuale Kanalabstand

 

Was ist nun der  nicht so stark propagierte Vorteil des Superhets?
Dazu muss weit ausgeholt werden um das verständlich darzustellen.
Grafiken (und Tabellen) sollen dabei helfen.

Das Ganze beruht  darauf, dass eine Station die um 9 kHz versetzt sendet, 
bei der Sendefrequenz fs einen prozentualen Wert von 9 kHz zu  fe hat
Das Raster bleibt bei einer Umsetzung auf eine ZF stets gleich.
Der Abstand dieser Nachbarfrequenz von +/- 9 kHz sind bei der ZF von 108 kHz   prozentual wesentlich mehr Abstand als bei 468kHz.
Weil das  an der Flanke der ZF- Kurve, wo der Nachbarsender sitzt,
weiter vom Maximum  der ZF- Kurve entfernt ist, nimmt deshalb die Trennschärfe zu.
Mit diesem Trick kann  die wirksame Selektion sehr gut verbessert werden, was nur der Frequenzumsetzung in Folge der Überlagerung  angerechnet werden kann.  
Grafik: proz_Kanal_600.png
 
Zunächst ein Beispiel um die Grafiken zu verstehen.
Wir nehmen einmal an, ein Sender auf der Frequenz 204 kHz wird empfangen.
Die Nachbarfrequenz ist im kHz Raster = 213 kHz. Das ist ein Verhältnis von  9 kHz / 204 kHz  = 4,41%.   Nach der Überlagerung bzw. Umsetzung   auf eine ZF von 108 kHz ist das aber 9 kHz/ 108  kHz = 8,33%.  Die wirksame  Trennschärfe ist, ohne die Technik des ZF- Teiles zu betrachten, jetzt 8,33 / 4,41 = 1,97 mal besser als es der Kanalabstand bei Geradeaus- Empfang aussagt.
Gehen wir an das obere Ende der Mittelwelle, bekommen wir, wenn Empfangsfrequenz =  1503 kHz und der Nachbarkanal = 1512 kHz ist,  ein Verhältnis von:  9 kHz zu / 1503 kHHz  =  0,598~0,6% 

Nach Umsetzung auf eine ZF von 108 kHz  ist das ein Abstand entsprechend  wie oben wieder 8,33%.   Der Gewinn an Trennschärfe durch die Umsetzung wird dadurch  8,33 % gegenüber  0,6% , also   13,88 fach. Wir haben somit eine Verbesserung, nur wegen der Umsetzung der Frequenzen von 1503 kHz bzw.  1512 kHz  auf  108 kHz also einen Gewinn von 13,88 fach (~14)  an Trennschärfe. Dass hierbei die Spiegelfrequenzsicherheit stark abnimmt wird an anderer Stelle, im HF- Eingang  abgefangen.

Das Gleiche mit einer ZF von 468 kHz ergibt bei fe = 204 kHz zu 213 kHz, umgesetzt auf 468kHz, einen Wert von  9kHz / 468kHz = 9 / 468 = 1,92 %.
Das sind immer noch  0,6% zu 1,92% = 3,2 fach mehr Trennschärfe als ein Geradeaus- Empfänger,  der ja ohne diese Umsetzung arbeitet, und  es ohne eine Berücksichtigung der Schwingkreise  rein theoretisch haben würde.

Ein Gegenbeispiel ist der bekannte „Einbereichsuper“ mit einer ZF von 1605 kHz. Dieser kommt nur auf 0.56%. Was bei  fe = 549 kHz dann 1,67% zu 0,56% also einen fast dreimal schlechteren Wert bedeutet. Hier wirkt sich das Überlagerungsprinzip genau umgekehrt, also verschlechternd aus.  Am oberen Ende der Mittelwelle hat man allerdings das Verhältnis 1:1.
Bei LW = 204 kHz ergibt das 4,41% zu 0,56% = 7,8 mal weniger Trennschärfe  und bei 285kHz immer noch 3,16 % zu 0,56% = 5,64 mal schlechter als Geradeausempfang .

In den USA wurde lange Zeit mit einer ZF von 256kHz gearbeitet, was immer noch 1,78 fach mehr an Trennschärfe gegenüber der modernen ZF von 455 kHz bedeutet.

Ich meine, das sind doch Fakten mit denen sich das langsame hoch schieben der ZF- Frequenzen erklärt werden kann. Das ging aber nur zusammen mit der Qualiätssteigerung der Spulen durch den Einsatz von hochpermeablen Kernen, bis hin zu Ferriten in der Neuzeit.


Die Situation bei modernen „Weltempfängern“

Aus dem gesagtem ergeben sich nun aber auch Fragen.
Wie ist das mit heute modernen Superhets mit einer ZF von annähernd 50MHz?
Dort kommen aber Hochleistungs-  Quarz- und Keramikfilter zum Einsatz, die aufgrund ihrer extrem  hohen Selektion,  das oben Gesagte komplett  außer Kraft setzen.
Eine (frühere) Zwischenstufe sind noch die zweifach oder dreifach Überlagerungs- Superhets, welches meist Röhrengeräte waren.
ZF #1 die hohe, sorgt für eine gute Spiegelselektion, ZF #2  wiederum für gute Nachbarkanal Selektion um die Spiegelfrequenz herum.  Eine 3te ZF,  für eine hohe Nachbar- Kanal- Selektion und einen großen Frequenzabstand der Demodulations- Nebeneffekte, wie  Oberwellen,  zum Eingangssignal. 
ENDE
 

Benutzte Quelle: Funktechnisches Praktikum E.Schwandt
Weidmannsche Verlagsbuchhandlung Berlin. Bd. III 1935
 

Danke an H. D. Rudolph. Bei der Textbearbeitung und Erstellung der Diagramme nach meinen Vorgaben, konnte ich auf seine Unterstuetzung zurueckgreifen.

Hans M. Knoll

 

This article was edited 21.Feb.13 16:51 by Hans M. Knoll .

Dietmar Rudolph
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In der Tabelle der Zwischenfrequenzen der Empfänger in Post #1 findet sich eine Ungenauigkeit betreffend der "Sparsuper" von AEG, Siemens und Telefunken. In Zusammenarbeit mit Hans Knoll entstand dazu der folgende Text.

Zur Wahl der Zwischenfrequenz bei den „Sparsupern“ von AEG, Siemens und Telefunken

Diese Typenreihe hatte nur 4 Kreise und 4 Röhren:

  • Tetrode/Pentode als Mischer (RENS1264 bzw. RENS1284), 
  • Tetrode/Pentode als ZF-Audion (RENS1264 bzw. RENS1284),
  • Pentode als Endröhre (RENS1374d)
  • Doppelweggleichrichter RGN1054 bzw. RGN1064)

Bei der AEG hießen die Geräte „Super-Geatron“ 303WL/303WLK/303aWLK, bei Siemens 36WL/36WLK/36aWLK, und bei Telefunken „Nauen“ 330/331 in mehreren Varianten.

Bei diesen Modellen, handelt es sich um sehr frühe Entwicklungen  ohne ZF-Verstärkung, nur mit einem rückgekoppelten ZF-Audion. Diesen preiswerten Modellen hängt der Ruf „pfeifende Johanna“ an,  was sich auf einen Schlager bezieht, der sich „Kannst Du pfeifen Johanna?“ nannte.

Die Entwickler bei Siemens, die alle Modelle entwickelt haben, beherrschten mit Sicherheit die  Überlagerungs-Technik. Sie wussten also auch vom Gewinn an Selektion bei optimaler ZF Frequenz.

Warum also pfiff die „Johanna“?

Des Rätsels Lösung ist trivial.
Bei der Konzeption und der Entwicklung dieser Geräte wurden für die Zwischenfrequenzen Werte gewählt, die zu diesem Zeitpunkt optimal und störungsfrei waren. Kaum aber daß der Verkauf der Geräte angelaufen war, hat Luxemburg einen Langwellensender auf 230 kHz in Betrieb genommen, der direkt in die ZF eingestrahlt hat, wodurch diese Pfeifstörungen von 2 kHz entstanden sind. Luxemburg hat den damaligen internationalen Wellenplan („Luzern“ vom Dez. 1933) für LW und MW nicht unterzeichnet – und sich auch nicht danach gerichtet.

Gesichtspunkte zur Wahl der ZF-Frequenz fZF

Die Kanalbandbreite auf LW und MW wurden für Europa auf 9 kHz festgelegt. Vereinfachend soll zunächst ein einzelner Schwingkreis zur Selektion betrachtet werden. Es sei dann seine 3dB-Bandbreite mit BZF = 9 kHz angenommen. Die Schwingkreisgüte Q ergibt sich als Q = fE/BZF , wobei fE die Empfangsfrequenz (Resonanzfrequenz) ist.

Siehe hierzu das Bild 61aus Post#1.

Soll die 3dB-Bandbreite über den gesamten LW und MW Bereich konstant 9 kHz bleiben, müßte folglich Q proportional zu fE ansteigen, was jedoch nicht der Fall ist. (von 150/9 = 16,7 bis 1600/9 = 177,8) Daher sind Geradeaus-Empfänger (Einkreiser, Zweikreiser etc.) für niedrige Frequenzen selektiver als für höhere, was sich bei MW z.B. in einem Faktor 3 auswirkt.

Daraus folgt zunächst für die Wahl der ZF Frequenz:
Je tiefer die ZF gewählt wird, um so geringer wird die Anforderung an das ZF-Filter, also weniger Kreise und geringere Kreisgüten genügen.
(Hier nicht diskutiert: Je niedriger die ZF-Frequenz gewählt wird, um so größer ist der Aufwand an Vorselektion, damit die Spiegelfrequenz ausreichend unterdrückt wird.)

Zur weiteren Betrachtung beschränken wir uns auf den Zahlenwert Z = 100/Q = 100*9/fE in %, ohne eine Festlegung auf die Realisierung des ZF-Filters. Man erkennt aber aus dem Wert von Z (auch „Selektion“ benannt) für verschiedene Frequenzen, wie sich die Wahl der ZF Frequenz auswirkt.

Diesen Zusammenhang erkennt man aus der Grafik "prozentualer Unterschied für 9kHz Nachbarkanal" in Post#1.

Der Gewinn an Selektion durch eine  Überlagerung ist  also um so größer je tiefer die  ZF-Frequenz gewählt wird. Andererseits ist bei LW-Frequenzen die Vorselektion am Eingang (bei einem 9 kHz- Raster) von vorne herein günstiger als bei der Mittelwelle. Der Vorkreis bei MW hat eine 9 kHz- Selektion von 1,72% bis 0,6%, bei  LW schon  6,0% bis 3,16%. Wobei der Bereich der MW 523 kHz bis 1500 kHz  und der von  LW 150 kHz bis 285 kHz angenommen wird.

Durch die Umsetzung in eine ZF werden diese Selektions-Werte 1,8% bei einer  ZF von 500 kHz und 3,8% bei  einer ZF von 232 kHz, was einen Gewinn von  Faktor 2,11 gegenüber 500 kHz bedeutet. Gegenüber den Werten bei MW ist das eine Verbesserung. Bei der Langwelle ist das anders,  weil dort die Vorkreis-Selektion  schon  6% bis 3,16% aufweist.

Bei einer Wahl der ZF-Frequenz von 232 kHz für MW und (umschaltbar) von 500 kHz  für LW  sind  MW-Selektion und  LW-Selektion in etwa gleich groß. So waren diese Empfänger konzipiert.

Abhilfe gegen die Pfeifstörungen

In dem im Dezember 1933 beschlossenen  europäischen Wellenplan in  Luzern  geht hervor, dass die Frequenz  230kHz nur von POLEN benutzen werden kann.
1934 hat sich dann LUXEMBURG ohne Erlaubnis auf diese Frequenz gelegt. Als am 15.Januar 1934 dieser Wellenplan in Kraft trat und Luxemburg nicht daran hielt, sendete dieser Groß-Sender auf 230 kHz am westlichen Rande Deutschlands und verursachte dadurch die Störungen.

Siemens schrieb damals zeitnah: „Seit der Wellenumstellung am 15.Januar schlägt der Sender LUXEMBURG im Mittelwellenbereich überall durch oder erzeugt auf jedem Sender einen Pfeifton.“ (Siemens Rundfunk Nachrichten #5 März 1934) Weiter heißt es dort: „wenn man dem mit einfacher Weise abhelfen kann, erschien es für eine Neuauflage des Empfängers doch ratsam, eine andere Zwischenfrequenz zu wählen.Das ist nun beim neuen Siemens 36a WLK  auch geschehen, bei ihm liegt die Zwischenfrequenz im Mittelwellenbereich auf 313,5 kHz statt wie bisher auf 232 kHz.“

Zu den Geräten beim Kunden stellte SIEMENS und  sicher auch die anderen Firmen, nach eigenen  Angaben „hochwertige Sperrkreise“ in genügender Stückzahl zur Verfügung.

In den Fällen die schon einen Sperrkreis gegen den starken Ortssender erforderlich machten,
konnte ein zweiter Sperrkreis nicht eingesetzt werden, dazu musste in einer Fachwerkstatt ein exakt vorgegebener Eingriff durchgeführt werden. [Was auch heute noch nach  fast 80 Jahren noch immer als „Rückrufaktion“ die Regel ist, allerdings heute eher bei PKWs.]

Mit den Modellen  SIEMENS 36aWLK, Telefunken  T331WLK und AEG Super Geatron 303aWLK wurde dieser Schaden am Kunden, den diese Firmen nicht zu verantworten hatten, mit der Umstellung der MW-ZF beseitigt.

Zum Spitznamen:  „pfeifende Johanna“

Die Modelle von Siemens: 36WL, 36 WLK, 36 GL, 36 GLK, von Telefunken: 330 WL, 330 WLK, 330GL, 330 GLK und von AEG: „Super-Geatron“ 303WL/303WLK erhielten in der Sammlerszene den Spitznamen „pfeifende Johanna“.
Sieht man von der  auf der Rückseite des Modells angebrachten ZF- Rückkopplung ab, die ganz sicher zu vielen Fehleinstellungen verführt und damit zum Pfeifen geführt hat, war die Konzeption dieser Vierkreis-Super sehr wohl gut durchdacht – weit mehr als spätere Modelle von Vierkreis-Supern,  auch Kleinsuper genannt, aller Firmen.

Das geschickte Ausnützen der Selektionstheorie  hat zur damaligen Zeit ein optimales Ergebnis erbracht, dem Achtung und nicht Verachtung zukommt.

Wenn aber internationale Vorgaben und Gesetze  nach Markteinführung der Modelle grob missachtet werden, kann oder muss so ein Malheur zwangsläufig eintreten.

MfG DR

Dietmar Rudolph
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20.Feb.13 16:09

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Frequenzumsetzung und ungewollte (spurious) Empfangsstellen beim Super

Die frühen Radioempfänger waren Geradeaus-Empfänger (TRF tuned radio frequency) mit einem oder mehreren abgestimmten Schwingkreisen. Nachteilig ist dabei, daß die Durchlaßbandbreite eines solchen Empfängers proportional zur Empfangsfrequenz ist. Auch ist es technisch recht schwierig, mehr als 3 Schwingkreise exakt gleichartig abzustimmen.

Als Abhilfe aus diesem Problem hat man den Überlagerungs-Empfänger (superheterodyne receiver) entwickelt – und sich damit andere Schwierigkeiten eingehandelt.

Die Grafik zeigt das Blockschaltbild eines Geradeaus-Empfängers (a) und eines Überlagerungs-Empfängers.[4] (RF radio frequency: Hochfrequenz; IF intermediate frequency: Zwischenfrequenz)
Der Mischer (mixer) ist im Idealfall ein (echter) Multiplizierer. Näherungsweise läßt sich dieser (in Röhrentechnik) mit einer Hexode oder Heptode realisieren.
[In Halbleitertechnik gelingt es linearer mit Hilfe von kreuz-gekoppelten Differenzverstärkern (Prototyp: MC1496), wie sie in den entsprechenden Empfänger-ICs zu finden sind.]

Die Spiegel-Frequenz

Die Multiplikation von zwei Zeitfunktionen (Empfangs-Signal und Oszillator-Signal) ergibt im Frequenzbereich die Faltung der beiden Spektren. Ist eine der beteiligten Zeitfunktionen Cosinusförmig (oder Sinusförmig), wird diese Faltung sehr einfach, wie die nächste Grafik zeigt.[4]

Wir betrachten zunächst den oberen Teil (a) der Grafik. Als erstes fällt auf, daß die Frequenzachse ω von negativen Frequenzen nach positiven Frequenzen geht. Der Grund ist ein mathematischer „Trick“, wonach sich cos(ωt) als (e+jωt + e-jωt)/2 schreiben läßt, wodurch jetzt sowohl +ω als auch -ω vorkommt. Was zwar im ersten Moment schwieriger erscheinen mag, vereinfacht nun aber die Operation der Faltung entscheidend. Man geht dafür folgendermaßen vor:

  • Man „packe“ das Spektrum des Eingangssignals (oberes Spektrum) an seiner „y-Achse“ und verschiebe diese sowohl auf die (positive) Frequenz +ω0 des Oszillators (mittleres Spektrum) als auch auf die negative Frequenz -ω0

  • Mit den schwarzen Pfeilen ist angedeutet, welcher spektrale Anteil des Eingangssignals in den ZF-Bereich (IF) fällt. Es ergibt sich so die Frequenzumsetzung ωIF = ω0ωi.

  • Der andere auch umgesetzte Teil mit der Frequenz ωIF = ω0 + ω1 geht „verloren“.

  • Genauer betrachtet, ist das Spektrum auf der Frequenz ωIF = ω0ω1 verglichen mit dem Spektrum des Eingangssignals umgeklappt. (Markierung durch den grünen Punkt) Für AM Empfang ist das unerheblich, weil das AM Spektrum symmetrisch ist. Beim (früheren) analogen Fernsehen mit seinem unsymmetrischen „Restseitenband“-Spektrum mußte das beachtet werden.

Der untere Teil (b) der Grafik zeigt, daß es noch einen weiteren Sender mit der Frequenz ω2 gibt, der ebenfalls in die ZF Frequenz ωIF umgesetzt wird – wenn man in der Praxis nichts dagegen unternimmt. Die Frequenz ω2 wird mit „Spiegel-Frequenz“ bezeichnet, denn sie liegt genau so viel oberhalb der Oszillator-Frequenz wie die Empfangs-Frequenz unterhalb liegt. Der Frequenz-Abstand ist somit 2ωIF.

Damit der Sender auf der Spiegel-Frequenz (praktisch) nicht auch in den ZF Bereich umgesetzt wird, ist eine Vor-Selekton vor dem Mischer erforderlich. Die nächste Grafik zeigt dies deutlicher.[3]

Im oberen Blockschaltbild  erkennt man zu diesem Zweck 2 abgestimmte Schwingkreise vor dem Mischer, die zusammen als Eingangs-Bandfilter wirken.

Prinzipiell ergeben sich so folgende  Durchlaßkurven, wie es die nächste Grafik zeigt.[3]

Über einer gemeinsamen Frequenzachse gezeichnet, sieht man links zunächst die Durchlaßkurve des ZF-Verstärkers, ein steilflankiges mehrkreisiges Filter mit der Mittenfrequenz fIF. Daneben ist die relativ breite Durchlaßkurve des (abstimmbaren) Eingangs-Kreises mit der Mittenfrequenz fs des gewünschten Empfangssignals dargestellt. Bei der Spiegelfrequenz fi läßt dieser Eingangskreis sehr viel weniger durch als bei seiner Mittenfrequenz. Entsprechend ist die „Spiegel-Dämpfung“ (image rejection) definiert.

In der nächsten Grafik wird dieser Sachverhalt nochmal etwas anders dargestellt und durch Zahlenbeispiele veranschaulicht.[5]

Ungewollte Empfangs-Stellen

Eine erste Art der ungewollten Empfangsstellen ergibt sich, wenn die Vorselektion ungenügend ist und dadurch (starke) Sender auf der Spiegelfrequenz in die ZF gelangen. Wie aus der Grafik #2 über die Umsetzung der Spektren erkennbar wird, verschieben sich der gewünschte Sender (roter Pfeil) und der Spiegel-Sender (blauer Pfeil) in der ZF gegen einander, wenn die Abstimmung (leicht) verändert wird. Bei exakter Abstimmung sollen beide Träger in der ZF genau auf einander liegen. Dann ist die Spiegel-Störung minimal und ggf. unhörbar. Verschieben sich nun aber die beiden Spektralanteile gegen einander, so stellt der zwar kleine, aber noch merkliche Träger des Spiegel-Senders eine (wandernde) Störlinie im ZF-Spektrum dar. Das ergibt nach der Demodulation einen Pfeifton, dessen Höhe sich mit der Abstimmung ändert.

Eine zweite Art ergibt sich durch Nichtlinearitäten im Mischer und dadurch, daß die Oszillator-Spannung nicht exakt cosinus-förmig ist, also „Oberschwingungen“ hat.

Wie man aus der Darstellung der Spektren bei der Umsetzung entnehmen kann, läßt sich die Gewinnung der Zwischenfrequenz fIF formelmäßig schreiben als

fIF = |f0 – fs|

Kommen nun Nichtlinearitäten ins Spiel, ergeben sich insgesamt folgende Anteile für die ZF:

fIF = ±(nf0mfu)

f0 = Oszillator Frequenz
f
u = unerwünschte Signal Frequenz
m
= harmonische Ordnung der unerwünschten Signal Frequenz
n
= harmonische Ordnung der Oszillator Frequenz

Jedes Paar (m, n) erzeugt in der folgenden Grafik 2 Linien, eine für die Summe und eine für die Differenz. Das Paar (1, 1) erzeugt dabei die gewünschte Frequenz-Linie und die Linie für die Spiegel-Frequenz. Alle Linien mit m = n sind parallel zur gewünschten Frequenz-Linie. Dagegen schneiden alle Linien mit m n die gewünschte Frequenz-Linie.

Jedes (unerwünschte) Signal, das den Mischer-Eingang erreicht kann aufgrund der Nichtlinearitäten zu Pfeifstörungen führen.

Im Beispiel sei die Empfangsfrequenz 930 kHz (Frequenzraster gemäß Region 2: USA) und die Bandbreite des Eingangskreises 200 kHz. Die ZF sei fZF = 455 kHz. Welches sind die unerwünschten Signalfrequenzen für Harmonische bis zur 2. Ordnung (m = 1, 2; n = 1, 2)?

Durch Umformung wird:

f0 = fs + fIF = 950 kHz + 455 kHz = 1405 kHz

fu = (nf0 ± fIF)/m

m n Summe / kHz Differenz / kHz
1 1 1860 (Spiegel) 950 (Signal)
1 2 3265 2355
2 1 930 475
2 2 1632,5 1177,5

Wie in der nächsten Grafik zu sehen ist, fällt nur die ungewollte Frequenz fu = 930 kHz in den Durchlaßbereich des Vorfilters. Das geschieht, wenn die 2. Harmonische eines Signals mit der Oszillatorfrequenz auf 930 kHz umgesetzt wird. Die nächste Grafik zeigt diesen Fall.[3]

Werden Nichtlinearitäten bis zur 4. Ordnung berücksichtigt, ergibt sich ein ziemlich schwierig zu durchschauendes Diagramm für die theoretisch möglichen Pfeifstellen. [1, 2]

Das Diagramm zeigt aber zusätzlich auch Pfeifstellen, die in der Praxis relevant sind, nämlich Störungen auf der ZF Frequenz und auf Bruchteilen (horizontale Linien fZ, fZ/2, fZ/3, fZ/4). Gelangt eine solche Störung in den Empfänger, pfeift es unabhängig von der Abstimmung bei jedem Sender.

Das "berühmteste Pfeifproblem" war die Störung durch den LW Sender Luxemburg auf 232 kHz, also in der Nähe von fZ/2  bei Geräten mit einer ZF Frequenz von 468 kHz. Das ergab einen Pfeifton von 4 kHz. Daher mußte für Radios in "Westausführung" die ZF Frequenz zu 473 kHz gewählt werden, siehe Post #1.
Es ist aus den vorhandenen Unterlagen leider nicht entnehmbar, wann Luxemburg von 232 kHz auf 234 kHz gewechselt ist. Mit 234 kHz entsteht theoretisch (!) kein hörbarer Interferenzton, jedoch muß man in der Praxis davon ausgehen, daß die ZF Frequenzen zum einen nie ganz exakt 468 kHz waren und zum anderen infolge nicht ganz exakter Senderabstimmung differierten. Dadurch entstand dann wieder ein Pfeifton, allerdings mit geringerer Frequenz. Aber ein Dauerton mit z.B. 500 Hz bis 1 kHz ist ebenfalls ganz schön "nervig". Und wenn der Oszillator des Empfängers temperaturbedingt "wandert", ergibt das einen Pfeifton, der seine Höhe entsprechend ändert.

Literatur

[1] Wilhelm, K.: Die Röhre im Rundfunkempfänger; Die Mehrdeutigkeiten in der Mischröhre, Die Telefunken-Röhre, H. 6, 1936, pp. 58 – 70

[2] Pitsch, H.: Lehrbuch der Funkempfangstechnik 1, 4.A., VAG, 1963

[3] Roddy, D.; Coolen, J.: Electronic Communication, 4th ed., Prentice Hall, 1995

[4] Stremler, F.D.: Introduction to Communication Systems, 3rd ed., Addison Wesley, 1990

[5] Couch, L.W.: Digital and Analog Communication Systems, 4th ed., Macmillan, 1993

 

This article was edited 21.Feb.13 15:21 by Dietmar Rudolph .

Hans M. Knoll
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22.02.2013 21:20

 

Das Thema  GLEICHLAUF.


Ein weiterer Gesichtspunkt zum Spar- oder Kleinsuper, technisch die Vierkreissuper, ist der Gleichlauffehler.
der einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf die Empfangsleistung bei den Sparsupern hat.

Eine Detaillösung in einem Kleinsuper aus der Familie T330WLK und Siemens 36WLK kann sein, dass man den Verlust an Empfindlichkeit bei einem Vierkreissuper nicht hinnehmen wollte wenn es doch Möglichkeiten gibt, die nichts kosten.
Ich bin dabei auf Vermutungen angewiesen, die aber ziemlich sicher mit in die Überlegungen einflossen sind, als es galt die ZF- Frequenz festzulegen.  Daher dieser Text.

Der Gleichlauffehler, ist eine Besonderheit die auch  dem Super anhaftet. Mehr als beim Geradeaus Prinzip, bei dem die Kreise synchron nebeneinander herlaufen. Beim  Superhet ist das nicht so einfach.
Es  jedoch kann  angenommen werden, dass der Gleichlauffehler zwischen der Vorkreis und Oszillator- Abstimmung, ein  weiterer  Grund gewesen ist, eine tiefe ZF zu benutzen.
Das es nicht unwichtig ist, wie hoch die ZF gelegt wird, zeigt diese Grafik.
Je höher die  ZF- Frequenz, um so grösser der Gleichfehler zwischen Vorkreis und Oszillator. Hier die eine Fehlerkurve aus dem PHILIPS- Labor.

Abbildung 1

Daher dieser Einblick in die Thematik, als Beitrag  zur Wahl der  Zwischenfrequenz. Ich bin mir ziemlich sicher, dass man das nicht ausser Acht gelassen hat.


Hier der Hintergrund dazu:
Der Vorkreis wir heute bei MW von 510kHz bis 1620kHz durchgestimmt.
Der Oszillator bei einer ZF von angenommen 468kHz, jedoch von (510+468)= 978kHz  bis (1620+468) = 2088kHz.
Die Frequenz- Variation ist demnach im Vorkreis 1620/510= 3,18/1.
Der Oszillator 2088/978=2,13.
Um diesen Unterschied von 2,13 zu 3,18 zu verarbeiten, muss die Varriation des Oszillators eingeschraenkt werden

Man hat dabei die Moeglichkeit in Serie zum Drehko- Statorpacket
eine passenden Kondensator zu schalten. Diese Moeglichkleit wird bei KW, UKW und vorzugweise bei Abstimmdioden benutzt, um die Kurve zu linearisieren. Man erhält eine Kurve nach Bild c, in der Abbbildung FUNKSCHAU

Tabelle FUNKSCHAU mit den Abb. a, b, c, und d. zum Text,
Abbildung 2

 

Grafik gegen eine bessere ausgetauscht. Danke an H. Rudolph

Die zweite Moeglichkeit ist die, einen passenden Parallelkondensator vorzusehen. Das wird vorzugsweise heute noch bei LW benutzt.
Man reduziert die Frequenz- Variation und shiftet zugleich die MW- Oszillatorfrequenz nach tieferen Frequenzen, passend zum LWgegen - Bereich. Das Ergebnis bei LW und oder MW eine Kurve nach Bild b, in der Abbildung FUNKSCHAU

Diese Massnahme macht aber bei MW wenig Sinn, denn bei der grossen Varriation von 3,18/1 und der trotzdem kraeftigen Verkleinerung im Oszilllator, ergibt eine Kurve „b“ die sicher noch nie bei MW verwendet wurde. Das sind  Lösungen um Schaltungen zu optimieren, echte Alternativen zum Dreipunkt- Gleichlauf bei MW und LW sind das nicht.

Doch schon fruehzeitig gab es zwei Strömungen die MW optimal zu gestalten.

In den USA
Die Mehrzahl amerikanischer Radios, hatte nur Mittelwelle dort als Broadcast (BC) bezeichnet. Spaeter dann FM und BC.
Das Gleichlaufproblem wurde dort in den USA auf elegante Weise gelöst.
Nachdem im Vorkreis eine grössere Variation als im Oszillator notwendig ist, was aber zu dem Gleichlaufproblem fuehrt, hat man Drehkos geschaffen, die mit zwei unterschiedlichen Paketen bestückt sind.
USA  DiRu  Abbildung 3

 

 

Man erhält damit  eine Kurve nach Bild a, in der Abbildung FUNKSCHAU
Eine wirklich optimale Lösung des Gleichlauf- Problems.

In Europa:
Hat man bei Modellen die nur MW oder MW und eine verkürzte LW hatten, auch gerne diese Technik benutzt.

 

Abb 4 Hopt (GRUNDIG) Abb.5 Philips                  

 

 
Abbildung 4                          Abbildung 5

 

 


Sollten neben einer LW die von 150 bis 350 oder 400 kHz reichte, einer oder mehrere KW- Bereiche vorhanden sein, konnte diese Technik nicht eingesetzt werden.
Zwei gleiche oder annähernd gleiche Drehko- Pakete waren dazu notwendig. Das bedingt jedoch zwingend, das bei MW und  LW ein Dreipunkt- Gleichlauf vorgesehen wird.

Man bekommt damit eine Kurve nach FUNKSCHAU  Abb. d

Der Fehler, der trotz des Dreipunktgleichlaufs noch auftritt, ist um so geringer je näher die Eingangs- und  die Oszillatorfrequenz beieinander liegen.  Das heisst eben dann, je niedriger die ZF gewählt wird, desto angenäherter ist die notwendige Variation.     Siehe diese Kurve


Abb.7 von M.J.O.Strutt PHILIPS

 

Um den Restfehler beim Gleichlauf noch weiter zu reduzieren, hat man zeitweise die MW- Bereiche in zwei Teile aufgeteilt.
Weitere Information dazu, findet man hier:

Link 2x MW

Wenn beim Abstimmen, der Oszillator voraus- oder nacheilt (S- förmige Fehlerkurve)  was die Regel ist, reduziert sich dadurch die Verstärkung.

Bildschirmphoto Knoll

 

Man  kann dort erkennen, dass an 4 Stellen, also an den beiden Bereichsenden und im Band, ein Verstärkungsfehler von 6dB =50% auftritt.  Es sind gerechnete Fehler die so gelegt sind, dass es in etwa der Praxis entspricht.  
Bei einem Vierkreis- Super ohne eine ZF- Verstärkung, ist dieser Verlust  von 50% besonderem nachteilig anzusehen. hat man doch keinerlei  Möglichkeit den Verstärkungsverlust irgendwo auszugleichen. Wird als Vorkreis ein Bandfilter eingesetzt wird dieser  Verlust aufgrund der groesseren Bandbreite zwar geringer, die Einfügungsdämpfung jedoch gegenüber einem Einzelkreis, um genau diese 50% grösser.

Filterkurven

 

Was beim Kleinsuper mit nur 4 Kreisen auch keine Lösung und auch nicht der Fall ist, sonst wäre es ja ein Fünfkreiser.

Es gab nach 1945 Kleinsuper von  Lorenz, die hatten wie einst die Zweikreiser, eine Mechanik mit der Stator des  Vorkreis- Drehko geschwenkt werden konnte. Damit lies sich der Restfehler des Gleichlaufes   minimieren.  Weil es eben auch dort auf jede Kleinigkeit an Verstärkung ankam.
Näheres zum Gleichlauf findet man sehr gut dargestellt  hier:
Link FUNKSCHAU

Hans M. Knoll

This article was edited 09.Oct.15 11:15 by Hans M. Knoll .

  
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