Der Überlagerungsempfänger (engl. superhet) ist eine elektrische Schaltung zum Empfang und zur Verarbeitung von hochfrequenten elektromagnetischen Signalen (HF-Signalen). Eingesetzt wird sie in vielen Geräten der Funkübertragung, der Telekommunikation und der HF-Messtechnik, vom einfachen Radio über das Mobiltelefon und Fernsehen, die Funkfernsteuerung bis hin zu modernen Satelliten.

Im Gegensatz zum Geradeausempfänger wird im Überlagerungsempfänger das zu empfangende HF-Signal mit dem Signal eines sich im Empfänger befindenden sogenannten Lokaloszillators (LO-Signal) gemischt. Die Frequenz des Lokaloszillators wird je nach gewünschter Empfangsfrequenz eingestellt. Das Ausgangssignal des Mischers (also das Produkt von Eingangssignal und Lokaloszillatorsignal) weist eine Frequenz entsprechend der Differenz von HF und LO-Frequenz auf. Es wird als Zwischenfrequenzsignal (ZF-Signal) bezeichnet, da seine Frequenz zwischen der des HF-Signals und der nach der (noch durchzuführenden) Demodulation erzeugten NF (niederfrequentes Ausgangssignal des Empfängers) liegt.

Durch den Überlagerungsempfang wird die notwendige Verstärkung und Filterung des Signals erleichtert. Da die Selektion durch Filterung der (konstanten) ZF erfolgt, kann – im Gegensatz zu dem beim Geradeausempfänger benötigten abstimmbaren HF-Filter – auf ein für eine feste Frequenz eingestelltes Filter zurückgegriffen werden. Daher ist eine deutlich höhere Trennschärfe (Selektion) realisierbar, wodurch sich eine wesentlich verbesserte Empfangsqualität ergibt.

Man unterscheidet zwei Empfangsprinzipien für Überlagerungsempfänger, nämlich das Homodyn- und das Heterodynverfahren. Beim Heterodynverfahren wird eine LO-Frequenz benutzt, die sich (leicht) von der HF unterscheidet, beim Homodynverfahren hingegen haben LO- und HF-Signal die gleiche Frequenz. Hierbei wird das Empfangssignal direkt – ohne ZF – auf den NF-Bereich umgesetzt (Direct Conversion).

Der Name Heterodyn beziehungsweise Superheterodyn leitet sich aus den griechischen Begriffen super = über, hetero = unterschiedlich und dyn = Kraft ab und beschreibt die Mischung von zwei Signalen unterschiedlicher Frequenz. Im Gegensatz dazu stammt der Name des Homodyn-Empfängers vom griechischen Wort homo = gleich ab. Der Ausdruck Lokaloszillator bedeutet, dass sich dieser Oszillator am Ort (lat. locus = Ort), also im Überlagerungsempfänger selbst befindet. Superhet bzw. kurz auch Super sind bei Amateurfunkern gebräuchliche Kurzformen für Überlagerungsempfänger nach dem Heterodynprinzip.

Historie

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Radiola_AR-812_Skizze.png Wer der Erfinder des Überlagerungsempfängers ist, lässt sich nicht eindeutig sagen. Dass die Erfindung in die Zeit des Ersten Weltkriegs fällt und alle beteiligten Kriegsparteien an der Verbesserung der Radiotechnik arbeiteten, mag daran einen Anteil haben. Die englischsprachige Wikipedia nennt Edwin Armstrong als Erfinder des "Super Heterodyne Receiver", für den er 1918 ein Patent erhalten hat.

Andere Quellen (Who Invented the Superheterodyne?) geben an, dass Armstrong im Jahr 1918 die Idee dazu hatte, als er in Frankreich stationiert war. Das U.S.-Patent Nr. 1,342,885 Method of Receiving High Frequency Oscillations ("Verfahren zum Empfangen hochfrequenter Schwingungen") von Edwin Armstrong beschreibt das Überlagerungsprinzip. Armstrong hat dieses Patent Anfang 1919 in den USA angemeldet und Mitte 1920 erhalten.

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

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

In den folgenden Jahrzehnten setzte sich das Schaltungsprinzip wegen seiner vielen Vorteile immer mehr durch.

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

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

Funktionsprinzip

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Überlagerungsempfänger_Blockschaltbild.PNG

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

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

Der Zwischenfrequenzverstärker verstärkt das gefilterte Frequenzgemisch für die weitere Verarbeitung.

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

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

Schaltungsstufen im Detail

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Verwendete Abkürzungen:

$f\_e$ = Durchlassfrequenzbereich der Vorselektion

$f\_E$ = Gewünschte Empfangsfrequenz

$f\_\{ZF\}$ = Zwischenfrequenz

$f\_\{Osz\}$ = Abstimmfrequenz

$f\_\{Dif\}$ = Differenzfrequenz(en)

$f\_\{Sum\}$ = Summenfrequenz(en)

HF-Verstärker/Vorselektion

Signalverlauf_Superheterodyne_HF-Verstärker.png Der Hochfrequenz-Verstärker hat mehrere Funktionen. Erstens passt er die Impedanz der Antenne an die nachfolgende Schaltung an (es soll ein Maximum der von der Antenne aufgenommenen Leistung an die nachfolgende Stufe weitergegeben werden, siehe Anpassung). Des weiteren verstärkt er die schwachen Antennensignale, damit diese über dem Eigenrauschen des Mischers liegen. Dadurch wird die Eingangsempfindlichkeit des Empfängers gesteigert.

Schließlich wird in dieser Stufe eine Vorselektion vorgenommen, damit nur Frequenzen aus dem Empfangsbereich (Durchlassbereich $f\_e$) den Verstärker passieren können. Dabei ist der Durchlassbereich meist an die Abstimmfrequenz gekoppelt, so dass bei einer Änderung der Frequenz des Abstimmoszillators $f\_\{Osz\}$ auch der Frequenzbereich $f\_e$, der die Vorselektion passieren darf, mitgeändert wird (Genaueres ist unter Die Abstimmung zu finden). Das Begrenzen des Empfangsbereich ist ein wesentlicher Punkt, um Spiegelfrequenzen zu unterdrücken.

Mischer

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

Die Oszillatorfrequenz kann von einer eigenständigen Oszillatorschaltung stammen, aber auch vom Mischer selbst generiert werden (selbstschwingende Mischstufe).

Die mathematische Ableitung des idealen Mischers ist im Mathematischen Anhang zu finden. Signalverlauf_Superheterodyne_Mischer.png In diesen neuen Frequenzbereichen sind nach wie vor noch die Informationen (Modulation) der Empfangsfrequenzen enthalten. Das Eingangssignal wurde nur auf zwei andere Frequenzbereiche umgesetzt.

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

Die Eingangs- und Oszillatorfrequenz wird beim Bipolartransistor an die Basis gelegt. Wobei auch eine Einspeisung der Oszillatorfrequenz am Emitter erfolgen kann.

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

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

Vor- und Nachteile der additiven Mischung

• Vorteile:
  • Der Mischtransistor lässt sich auch als Oszillator mitbenutzen (selbstschwingende Mischstufe)
• Nachteile:
  • Ohne Brückenschaltung sind Oszillatorfrequenz und Eingangsfrequenz kaum zu entkoppeln
  • Erzeugt viele unerwünschte Mischprodukte

Vor- und Nachteile der multiplikativen Mischung

• Vorteile:
  • Erzeugt weniger unerwünschte Mischprodukte
  • Die Oszillator- und die Eingangsfrequenz sind entkoppelt
  • Eine Regelung der Mischverstärkung ist möglich
• Nachteile:
  • Es ist keine selbstschwingende Mischstufe möglich

Abstimmoszillator

Der Abstimmoszillator hat die Aufgabe eine möglichst genaue, stabile Spannung mit der gewünschten Frequenz $f\_\{Osz\}$ zu erzeugen. Diese Frequenz muss in einem weiten Bereich einstellbar sein, damit auf jeden gewünschten Sender innerhalb des Empfangsbereichs abgestimmt werden kann. Es gibt verschiedene Oszillatorschaltungen, die für diesen Zweck geeignet sind. Eingesetzt werden in der Regel LC-Schwingkreise, um ein sinusförmiges Oszillatorsignal zu erhalten.

Vom Abstimmoszillator hängt ganz wesentlich die Frequenzstabilität (das bedeutet, dass ein Sender über einen längeren Zeitraum empfangen werden kann, ohne die Abstimmung manuell nachregeln zu müssen) und die Eindeutigkeit der Skala (gleiche Skalenstellung des Frequenzzeigers soll gleiche Empfangsfrequenz liefern) ab.

Mit einem HF-Synthesizer und einer automatischen Frequenznachführung (AFC) kann eine Unabhängigkeit von Temperatur- und Alterungseinflüssen erreicht werden. (Siehe VFO, VCO, PLL und DDS).

Beim Einsatz eines analogen Abstimmoszillators kann jede beliebige Frequenz innerhalb des Empfangsbereichs am Empfänger eingestellt werden. Mit digital abgestimmten Oszillatoren kann die Eingangsfrequenz nur mit einer bestimmten Schrittweite eingestellt werden. Bei einfachen Kurzwellengeräten z.B. liegen diese meist bei 100 Hz oder 1 kHz. Hochwertige DDS-gesteuerte Geräte bieten mittlerweile aber Abstimmschritte von 0,1 Hz, sodass man bei manueller Abstimmung praktisch keinen Unterschied mehr zur analogen Abstimmung wahrnehmen kann.

Für Rundfunkbänder mit festgelegtem Kanalraster (UKW, TV) sind derart feine Schrittweiten nicht notwendig. Da sich jedoch nicht alle Sender an die Norm halten, werden gute UKW-Empfänger mit einer Schrittweite im halben Kanalraster hergestellt.

Zwischenfrequenz-Filter

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

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

Übliche Werte für die ZF-Frequenz sind 10,7 MHz für FM-Empfänger (UKW-Rundfunk) und 455 kHz für AM-Empfänger (Lang-, Mittel- und Kurzwelle), 27 MHz für TV-Empfänger (Analog) und 5,5 MHz für den TV-Tonkanal (FM). Diese Werte sind zwar nicht genormt, aber weltweit verbreitet.

Zwischenfrequenz-Verstärker

Der ZF-Verstärker verstärkt und begrenzt (bei Frequenzmodulation (FM)) das Signal. Die Begrenzung ist bei FM notwendig, da sich Amplitudenänderungen, hervorgerufen durch Störungen auf dem Übertragungsweg, negativ auf die Empfangsqualität auswirken können. Möglich ist eine Amplitudenbegrenzung, weil bei der Frequenzmodulation, im Gegensatz zur Amplitudenmodulation, keine Informationen in der Amplitude übertragen werden.
Da das ZF-Filter als Teil des ZF-Verstärkers angesehen wird, kommt dem ZF-Verstärker auch die beim ZF-Filter genannte Aufgabe zu, das Nutzsignal zu selektieren.

Die Verstärkerstufen im ZF-Verstärker sind regelbar, sie müssen in der Lage sein, einen großen Dynamikumfang zu verarbeiten, um sowohl mit schwächsten, als auch mit sehr starken Signalen zurecht zu kommen.

Es sind auch einige Empfänger auf dem Markt, die eine der ZF-Stufen (meist die niederfrequenteste) durch Digitaltechnik ergänzen oder ganz ersetzen. Die analogen Signale, die der ZF-Stufe zugeführt werden, werden dafür in Echtzeit in digitale Signale umgewandelt (siehe auch Analog-Digital-Umsetzer) und dann von einem Signalprozessor weiterverarbeitet.

Dies hat den Vorteil, dass viele in Hardware nur schwer oder überhaupt nicht verwirklichbare Funktionen in Software realisiert werden können. Dazu gehören unter anderem hochwertige, in der Bandbreite variable ZF-Filter oder Kerbfilter (Notchfilter) die automatisch der Störfrequenz folgen, um nur einige Anwendungen zu nennen.

Demodulator

AM

Signalverlauf_Superheterodyne_Demodulator.png Im Demodulator wird der Nachrichteninhalt wieder von dem hochfrequenten Träger getrennt.

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

FM

Die Demodulation ist hier komplizierter als bei AM. Meist verwendet wird der Phasendemodulator (oder Koinzidenzdemodulator), da sich dieser sehr gut in ICs integrieren lässt.

Weitere Demodulatoren:

• PLL-Diskriminator
• Verhältnisdiskriminator oder Ratiodetektor

NF-Verstärker

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

Automatische Verstärkungsregelung

Die Automatische Verstärkungsregelung, im deutschen mit AVR abgekürzt, meist aber mit der englischen Bezeichnung AGC für "Automatic Gain Control" benannt, gleicht Schwankungen der Empfangsfeldstärke aus. Dazu wird die Regelspannung, die aus dem Demodulator gewonnen wird, den HF-/ZF-Stufen (Rückwärtsregelung) oder dem NF-Verstärker (Vorwärtsregelung) zugeführt. Dort wird dann die Verstärkung der Stufe entsprechend erhöht oder verringert.

Dadurch ist es möglich, schwache und starke Sender in gleicher Lautstärke wiederzugeben oder den Schwund beim Kurzwellenempfang auszugleichen.

Automatische Frequenzregelung

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

Signalverlauf_Superheterodyne_komplett.jpg

Betrachtung der bisher besprochenen Stufen an einem Schaltplan

Der im Bild zu sehende UKW-Tuner besitzt einen regelbaren HF-Verstärker (gelb), eine multiplikative Mischstufe (grün) und einen VCO (rot). Der Tuner ist mit Dual-Gate-FETs ausgestattet, die sich durch einen hohen Eingangswiderstand und einem geringen Eigenrauschen auszeichnen.

Tuner4.png

HF-Verstärker/Vorselektion:

Der Antenneneingang ist unsymetrisch für 75 Ohm-Koaxialkabel. Die Antenne wird induktiv über L1/L2 an die HF-Verstärkerstufe angekoppelt - auch Leistungsanpassung genannt. L1 und L2 haben auch die Aufgabe, die Antenne an die HF-Verstärkerstufe anzupassen. L2, C2, C3, D1, D2 bilden den ersten Vorkreis (Parallelschwingkreis), dort wird die gewünschte Eingangsfrequenz selektiert. Der Vorkreis wird über D1, D2 abgestimmt. Die Abstimmspannung kommt über den Vorwiderstand R8 an die Kapazitätsdioden. C3 dient zum Abgleich des ersten Vorkreises (ist für den Hersteller oder Servicetechniker gedacht).

Die vorselektierte Eingangsfrequenz gelangt über C4 an das Gate 2 (G2) von Q1. Dieser verstärkt die Eingangsfrequenz. Die Regelung der Verstärkung (hier Rückwärtsregelung) erfolgt dabei über das Gate 1 (G1). Die Regelspannung wird über den Spannungsteiler R5/R6 dem G1 zugeführt. C7 dient zur Abblockung von HF-Störungen auf der Regelspannung. Die verstärkte Eingangsfrequenz gelangt nun über die Drain von Q1 an den nächsten Vorkreis L3/L4. HF-Verstärker und Mischstufe sind durch L3/L4 induktiv gekoppelt. C9, C10, D3, D4 bilden hier einen Parallelschwingkreis. Dieser Vorkreis wird über D3, D4 abgestimmt.

Mulitiplikativer Mischer und erstes ZF-Filter:

Die Eingangsfrequenz gelangt über eine Anzapfung (induktiver Spannungsteiler) von L4 über C11 an G2 von Q2. Q2 mischt aus der Eingangsfrequenz und der Oszillatorfrequenz, welche über C23 an G1 kommt, die ZF. Über die Drain von Q2 kommt die ZF über R16 an das erste ZF-Filter, welches durch T1, C14, C18 gebildet wird. Das ZF-Filter ist abgleichbar.

Abstimmoszillator (VCO):

Der Transistor Q3 des Oszillators arbeitet in Basisschaltung. Die Betriebsspannung gelangt über R25, L5, R23 an den Kollektor des Transistors. C26, C25 dienen zur Abblockung der Betriebsspannung und sind für den Oszillatorkreis L5, C24, D6, D7 nicht frequenzbestimmend, da sie bei dieser Frequenz nur einen Kurzschluss darstellen (C26 = C25 = 560 pF). C22 bewirkt eine Mitkopplung (Positive Rückkopplung), damit der Oszillator schwingt. C22 und C20 erfüllen auch die Phasenbedingung von 0° bei Oszillatoren.

R26, R21, D5 bilden den Basispannungsteiler, wobei D5 der Temperaturkompensation dient. Dies ist notwendig damit der Oszillator bei Temperaturänderungen stabil arbeitet.

C19 beseitigt HF-Störungen auf der Betriebsspannung. Das gleiche gilt auch für C16, C17 bei der Abstimmspannung. Der Eingang AFC geht zum AFC-Schalter. D8, C28, C27 sind zuständig für die AFC . Wobei D8 den Oszillator um einige ppm nachstimmt.

Die Abstimmung

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

• Bei Aufwärtsmischung : $f\_E\; =\; f\_\{Osz\}\; -\; f\_\{ZF\}$
• Bei Abwärtsmischung : $f\_E\; =\; f\_\{Osz\}\; +\; f\_\{ZF\}$

Liegt $f\_\{ZF\}$ bei 455 kHz (das bedeuted, das ZF-Filter hat eine Mittenfrequenz von 455 kHz), gleichzeitig kommt von der Antenne über die HF-Verstärkerstufe der Frequenzbereich $f\_e$ von 800 bis 1200 kHz und $f\_\{Osz\}$ wird auf 1455 kHz eingestellt, sind am Ausgang des Mischers unter anderem alle Frequenzen $f\_\{Div\}$ und $f\_\{Sum\}$ von (800 bis 1200 kHz) $\backslash pm$ 1455 kHz vorhanden.

Der ZF-Filter lässt aber nur das Frequenzgemisch durch, das auf 455 kHz liegt. Die einzige Frequenz aus dem Bereich von $f\_e$, die diese Bedingung erfüllen kann, ist 1000 kHz (eine Addition der Eingangsfrequenz mit der Abstimmfrequenz ist immer $\backslash ge$ 2255 kHz; es bleibt also nur die Differenz, $|\; f\_E\; -\; f\_\{Osz\}\; |$ = | 1000kHz - 1455 kHz | = 455 kHz).

Die Empfangsfrequenz $f\_E$ ist in diesem Fall 1000 kHz. Analog zur Veränderung von $f\_\{Osz\}$ ändert sich die Empfangsfrequenz ($f\_E\; =\; f\_\{Osz\}\; -\; f\_\{ZF\}$).

In der Praxis wird nicht nur diese einzelne Frequenz das Filter passieren, sondern, bedingt durch die Bandbreite des ZF-Filters von z.B. 10 kHz (d.h. das Filter lässt Frequenzen zwischen ca. 450 und 460 kHz durch), alle Empfangsfrequenzen, die zwischen 995 und 1005 KHz liegen.

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

Überlagerungsempfänger_Spiegelfrequenz.PNG Könnten noch höhere Empfangsfrequenzen an den Mischer gelangen, dann gäbe es noch eine Differenzfrequenz $f\_\{Div\}$ aus $f\_e$ und $f\_\{Osz\}$, die 455 kHz ergibt:
$f\_e\; -\; f\_\{Osz\}$ = 1910 kHz - 1455 kHz = 455 kHz

Zusätzlich zu der gewünschten Empfangsfrequenz $f\_E$ von 1000 kHz würde auch noch die Frequenz 1910 kHz auf die ZF heruntergemischt, in den ZF-Verstärker gelangen und demoduliert. Diese zweite, ungewollte Empfangsfrequenz nennt man Spiegelfrequenz. Sie ist mit dem Abstand der ZF-Frequenz an der Abstimmfrequenz gespiegelt.

Bei Empfängern mit ungenügender Spiegelfrequenzunterdrückung wird jeder Sender zweimal empfangen. Einmal auf der eigentlichen Sendefrequenz $f\_E$ und ein zweites Mal als Spiegelfrequenz dieses Senders auf der Frequenz $f\_E\; +\; 2\; \backslash cdot\; f\_\{ZF\}$. Das wäre zwar unschön, aber nicht weiter störend. Problematisch wird der Spiegelfrequenzempfang dann, wenn die Empfangsfrequenz und die Spiegelfrequenz von einem Sender belegt ist, was bei hoher Bandbelegung sehr häufig vorkommt. Dann werden beide Sender gleichzeitig demoduliert und es kommt zu hörbaren Störungen.

Vor- und Nachteile

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Vorteile:

• Es ist möglich, hohe Empfangsfrequenzen wie sie etwa beim UKW- oder Satellitenempfang auftreten, stabil zu verarbeiten, dies ist mit einem Direktempfänger nur mit viel Aufwand verwirklichbar.
• Dadurch, dass das ZF-Filter auf einer festen Frequenz arbeitet, die auch meist niedriger als die Empfangsfrequenz ist, kann das Filter für diese Frequenz wesentlich höherwertig ausgelegt werden als es bei einem Filter direkt für die Empfangsfrequenz möglich wäre. Auch der ZF-Verstärker kann für diese Frequenzen elektrisch stabiler aufgebaut werden als ein Verstärker, der auf höheren Frequenzen arbeitet und zusätzlich auch noch einen großen HF-Bereich abdecken muss.

• Ein Filter, das direkt auf der Empfangsfrequenz arbeitet, muss abstimmbar (in der Frequenz veränderbar) sein, damit verschiedene Frequenzen (Sender) empfangen werden können. Hochwertige schmalbandige und auch noch abstimmbare Filter sind aber besonders in den hohen Frequenzbereichen schwer zu realisieren und sie verändern zudem ihre Bandbreite mit der Empfangsfrequenz.

• Ein Filter fester, niedriger Frequenz erhöht auch die produktionstechnische Reproduzierbarkeit des Empfängers ganz entscheidend gegenüber anderen Konzepten wie dem Geradeausempfänger oder dem Audion. Ein Großteil der aufwändigen Abgleicharbeiten, die bei einem Mehrkreisaudion erforderlich sind, entfallen beim Superhet.

• Letztlich sei noch die einfache Bedienbarkeit erwähnt, die das Überlagerungsprinzip mit sich bringt.

• Wenn mehrere Bandfilter verwendet werden, kann eine nahezu rechteckförmige Durchlaßkurve erzielt werden, die eine hohe Trennschärfe durch hohe Flankensteilheit gestattet, ohne dabei die hohen Frequenzen zu beschneiden.

Nachteile:

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

Schaltungsvarianten

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

Doppel- und Mehrfachüberlagerungsempfänger

Beim Einfachsuperhet ist die gewählte Zwischenfrequenz immer ein Kompromiss. Einerseits soll sie möglichst niedrig sein, denn für niedrige Frequenzen lässt sich das ZF-Filter steilflankig und mit hohem Gütefaktor aufbauen. Andererseits verschärft eine niedrige ZF das Problem mit den Spiegelfrequenzen. Je niedriger die ZF-Frequenz ist, um so geringer ist der Abstand der Empfangsfrequenz $f\_E$ zu einem Spiegelfrequenzen erzeugenden Signal (Abstand = $2\; \backslash cdot\; f\_\{ZF\}$).

Eine niedrige ZF erfordert dadurch eine schmalbandige Vorselektion, um Spiegelfrequenzen wirksam zu unterdrücken. Das wird aber wieder um so schwieriger, je höher die Empfangsfrequenzen liegen, da hierzu das Filter in der Vorselektions bei gleicher Bandbreite eine höhere Güte haben muss.

Afu_superhet1.png Um dieses Problem zu umgehen, arbeitet der Doppelsuper mit zwei Zwischenfrequenzen. In Kurzwellen- und Amateurfunk-Receivern wird oftmals als erste ZF 55,845 MHz und als zweite ZF 455 kHz genutzt. Der Abstimmoszillator (VCO in Bild 1) schwingt hier um 55,845 MHz höher als $f\_E$. Durch die hohe erste ZF sind die Spiegelfrequenzen sehr weit (2*55,845 MHz) von der empfangenen Nutzfrequenz entfernt. Damit kann die Vorselektion in der HF-Vorstufe entsprechend breitbandiger ausgelegt werden. Auf dieser hohen ersten ZF ist aber die Selektion des Nutzsignals schwierig (Breitbandiges Quarzfilter in Bild 1). Deshalb wird die erste ZF nochmals mit einem zweiten Oszillatorsignal (Quarzoszillator in Bild 1) gemischt. Dieser zweite Oszillator ist im Allgemeinen nicht abstimmbar und würde in dem Beispiel auf 56,300 MHz schwingen. Nach dem Mischen der ersten ZF mit dem Oszillatorsignal ist dann die gewünschte Empfangsfrequenz auf 455 kHz heruntergemischt. Auf der zweiten ZF kann jetzt wie beim Einfachsuperhet die Selektion im ZF-Filter (CW-Filter, SSB-Filter oder FM-Filter in Bild 1) vorgenommen werden.

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

Die Vorteile dieser Schaltung sind eine für einen analogen Empfänger gute Ablese- und Wiederholgenauigkeit und eine recht hohe Spiegelfrequenzunterdrückung. Das funktioniert ohne PLL oder Mikrocontrollersteuerung, also auch ohne die damit einhergehenden hochfrequenten Störquellen.

Konverter, Frequenzumsetzer

Konverter oder Frequenzumsetzer sind Vorschaltgeräte, die einen Frequenzbereich auf einen anderen umsetzen (konvertieren). Es wird der zu empfangende Frequenzbereich im 1. Mischer mit einer konstanten Frequenz gemischt und so ein ganzes Frequenzband in einen anderen Frequenzbereich verlegt.

Innerhalb dieses Frequenzbereichs wird dann mit einem Einfach- oder Mehrfachsuper auf den gewünschten Sender abgestimmt.

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

Begriffe

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Eindeutigkeit : Ein Eingangssignal muss eindeutig mit der Skala oder Frequenzanzeige übereinstimmen. Im anderen Fall spricht man von Mehrdeutigkeit.

Empfindlichkeit : Die Empfindlichkeit eines Empfängers gibt an, um wie viel stärker ein Nutzsignal (eine Radiosendung oder ähnliches) gegenüber dem Rauschen sein muss, damit der Empfang dieses Nutzsignals noch möglich ist. Das Eingangsignal soll trotz des Rauschens der Empfängerstufen und des über die Antenne zugeführten Außenrauschens noch gut aufzunehmen sein - egal in welcher Betriebsart.

Feinabstimmung : Unabhängig von der Sendeart (WFM - UKW-Radio, SSB, CW etc.) muss eine gute Abstimmung bei gleich bleibender Selektivität gegeben sein.

Kreuzmodulation, Zustopfeffekt : Wird die Information/Modulation eines starken Nachbarsenders durch den empfangenen Sender übernommen, so spricht man von Kreuzmodulation. Bei getasteten HF-Trägern spricht man im selben Fall vom Zustopfeffekt.

Selektivität : Die Selektivität oder Trennschärfe bezeichnet die Fähigkeit des Empfängers, aus mehreren, dicht in der Frequenz beieinanderliegenden Sendern den gewünschten herauszufiltern - siehe auch Nahselektion.

Spiegelfrequenzunterdrückung : Der Wert der Spiegelfrequenzunterdrückung gibt an, wie gut Spiegelfrequenzen gedämpft werden, die Angabe ist in Dezibel, höhere Werte sind besser.

Stabilität : Das Nutzsignal soll immer gut empfangbar sein, unabhängig von thermischen und/oder elektrischen Einflüssen.

Überlagerung : Die Addition zweier Schwingungen nennt man Überlagerung. Für den Überlagerungsempfänger ist der Begriff also eigentlich nicht richtig, da hier eine Mischung (also eine Multiplikation) stattfindet.

Mathematischer Anhang

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Idealer Mischer (Multiplizierer)

Das Zustandekommen der beiden Seitenbänder beim Mischen lässt sich mathematisch so erklären:

Das Eingangssignal sei $s\_e(t)\; =\; a(t)\backslash ,\; cos(2\; \backslash pi\; f\_e\; \backslash cdot\; t)$,

das Signal des idealen Abstimmoszillators sei $s\_\{Osz\}(t)\; =\; 2\backslash ,\; cos(2\; \backslash pi\; f\_\{Osz\}\; \backslash cdot\; t)$.

Das Ausgangssignal des Multiplizierers ist somit

$s\_\{Mischer\}(t)\; =\; s\_e(t)\; \backslash cdot\; s\_\{Osz\}(t)\; =\; 2a(t)\backslash ,\; cos(2\; \backslash pi\; f\_e\; \backslash cdot\; t)\; \backslash ,\; cos(2\; \backslash pi\; f\_\{Osz\}\; \backslash cdot\; t)$.

Durch Anwendung der Additionstheoreme ergibt sich

$s\_\{Mischer\}(t)\; =\; a(t)\backslash ,\; cos(2\; \backslash pi\; (f\_\{Osz\}\; +\; f\_e)\; \backslash cdot\; t)\; +\; a(t)\backslash ,\; cos(2\; \backslash pi\; (f\_\{Osz\}\; -\; f\_e)\; \backslash cdot\; t)$.

Dabei entspricht der Teil

$a(t)\backslash ,\; cos(2\; \backslash pi\; (f\_\{Osz\}\; +\; f\_e)\; \backslash cdot\; t)$ dem oberen Seitenband ($f\_\{Sum\}$) und

$a(t)\backslash ,\; cos(2\; \backslash pi\; (f\_\{Osz\}\; -\; f\_e)\; \backslash cdot\; t)$ dem unteren Seitenband ($f\_\{Dif\}$) .

Sonstiges

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

Superhet1.png

Ansicht auf die Leiterplatte eines Überlagerungsempfängers:

Tuner.jpg

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

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

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

Literatur

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• Jens Heinich: Eine kurze Chronik der Funkgeschichte. Dessau: Funk Verlag Bernhard Hein, 2002
• Ferdinand Jacobs: Lehrgang Radiotechnik. (Band I + Band II), Franzis-Verlag GmbH 1976
• Philips GmbH (Hrsg.): Philips Lehrbriefe. (Band I: Einführung und Grundlagen ), Philips Fachbücher 1975
• Limann/Pelka: Funktechnik ohne Ballast. (Einführung in die Schaltungstechnik der Rundfunkempfänger), Franzis-Verlag GmbH 1984
• Dieter Nührmann: Das große Werkbuch Elektronik, Franzis-Verlag GmbH 1984
• Hübscher, Geißler, Groth, Petersen, Schieber, Szapanski: Elektrotechnik Fachbildung Kommunikationselektronik 2 Radio-/Fernseh-/Funktechnik, Westermann
• Funkamateur 4/1977, Dr. W. Rohländer ex. DM2BOH, Der Superhet, S. 193

Weblinks

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

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