Eine kurze Geschichte der Funktechnik: Empfängerarchitekturen (Teil 3)

Im dritten Teil unserer Serie zur Geschichte der Funktechnik werfen wir einen Blick auf die Entwicklung der Empfängerarchitekturen, Rückkopplungsempfänger und Superhets und analysieren, wie die Digitaltechnik zur Verbesserung des Empfangs beitrug.

Die frühen Radiopioniere de Forest und Armstrong erkannten bald, dass ein erfolgreicher Empfang von einem soliden, zuverlässigen Detektor bestimmt wurde. In den ersten Tagen der Funkübertragung war dieser vor allem vom Funker abhängig und dessen technischer und akustischer Fähigkeiten. Mit der weiteren Verbreitung der Funktechnik wurden jedoch auch andere Aspekte wichtig, wie beispielsweise Linearität und Bandbreite.

Um diese Aufgaben zu lösen, erfand Lee de Forest 1912 den Rückkopplungsempfänger. Fast zur gleichen Zeit machte Armstrong ähnliche Entdeckungen, und er stellte fest, dass, wenn Energie von der Verstärkerröhrenschaltung in den Abstimmkreis zurückgekoppelt wurde, eine signifikante Verstärkung auftrat, die am größten war, kurz bevor die freie Schwingung einsetzte. Diese Entdeckungen lösten einen jahrzehntelangen Patentstreit aus, da jeder Erfinder behauptete, dass seine Erfindung die erste war.

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Ein entscheidender Vorteil des Rückkopplungsempfängers war, dass wegen der sehr hohen Verstärkung der Anschluss eines Lautsprechers möglich war, im Gegensatz zu einem Kopfhörer wie er aufgrund des schwachen Audiosignals bisher verwendet wurde. Armstrong stellte außerdem fest, dass er mit diesem Empfänger das Signal von Marconis irländischem Sender in seinem Labor in New York empfangen konnte.

Marconi benutzte bislang eine Relaisfunkstation, um eine transatlantische Abdeckung zu erreichen. Nachdem Armstrong mit seinen Ergebnissen zufrieden war, lud er David Sarnoff in sein Laboratorium ein, um ihm seine Entdeckungen zu zeigen. Mit seinem Rückkopplungsempfänger verbrachten sie die Nacht mit DXen, dem Versuch, das Signal weit entfernter Signale aufzunehmen, und empfingen problemlos Signale von der Westküste und vom Pazifik.

Dies war ein wesentlicher Fortschritt in der Empfangstechnik. Die größte Schwierigkeit beim Rückkopplungsempfänger war die Einstellung der Rückkopplung für einen brauchbaren Empfang, eine Herausforderung auch für einen erfahrenen Bediener. Als die ersten Modelle der Rückkopplungs- und Pendelrückkopplungsempfänger in Produktion gingen, wurde diese Problematik deutlich und erforderte für den breiten Einsatz der Funktechnologie eine Lösung.

Die Superhet-Architektur entsteht

Nach dem Eintritt der USA in den Ersten Weltkrieg wurde Armstrong nach Frankreich verpflichtet, wo er für die Installation der Funktechnik im Feld verantwortlich war. Das gab ihm die Möglichkeit, seine Forschung dort fortzusetzen, wo er sich im Februar 1918 die Überlagerungsarchitektur (Superheterodyne-Architecture, kurz Superhet) ausgedacht hatte, nachdem er mit Kollegen in Frankreich und Großbritannien zusammengearbeitet hatte. Zuvor hatten bereits Lucien Lévy in Frankreich und Walter Schottky in Deutschland ähnliche Entwicklungen durchgeführt und sich auch patentieren lassen.

Während Lévy nach einem längeren Rechtsstreit ein Patent auf den Superhet mit einem Prioritätsdatum zugesprochen bekam, das vor demjenigen des Armstrong-Patents lag, und dabei sieben von neun Patentansprüchen von Armstrong auf Lévy übergingen, wurde keines der Patente von Walter Schottky in einem Produkt umgesetzt.

Armstrong entwickelte den Superhet 1918 weiter, wodurch viele der Schwierigkeiten der Rückkopplungs- und Pendelrückkopplungsempfänger entfielen. Letztlich löste die Überlagerungsarchitektur die Probleme der bisherigen Empfänger, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, und machte die einfache Bedienung von Radios, wie wir sie heute kennen, möglich.

Ein Überlagerungsempfänger ist mehr als ein reiner Detektor: Er ermöglicht durch die Einbeziehung der Verstärkung, durch zusätzliche Abstimmschärfe und durch eine feste, von der zu überwachenden HF unabhängige ZF, einen besseren und konsistenteren Empfang.

Dies wird eine Optimierung der Demodulation ohne Verschlechterung des Signals in Abhängigkeit von der gewünschten HF-Empfangsfrequenz möglich. Das war früher und für höhere Frequenzen noch heute eine große Herausforderung für die Entwickler. Heute erforschen wir deshalb weiterhin neue Architekturen einschließlich Null-ZF und direkter HF-Abtastung.

Diese genannten Vorteile haben die Bedeutung von heterodynen Architekturen bis in unsere Tage gefestigt. Während sich die zugrundeliegenden Komponenten von der Röhre über den Transistor bis hin zur integrierten Schaltung entwickelt haben, bleibt die Überlagerungsarchitektur selbst der Schlüssel zu vielen modernen Systemen.

Digitale Signalprozessoren verbessern die Empfangsleistung

Abgesehen von der Verschiebung der unterschiedlichen Technologietypen änderte sich bei der Funktechnik bis in die 1970er Jahre wenig, als universelle DSPs und FPGAs aufkamen. Die Detektorfunktion wurde nicht länger von den linearen Detektorelementen wie Dioden, Diskriminatoren und PLLs (Phase-Locked-Loops) ausgeführt, sondern von A/D-Wandlern (ADC) mit nachgeschalteter digitaler Signalverarbeitung.

Daraus resultierten deutlich mehr Möglichkeiten, die mit älteren Technologien nicht machbar waren. Während Datenwandler mit anschließendem DSP die traditionelle AM- und FM-Demodulation durchführen können, ermöglicht der Einsatz digitaler Verarbeitungstechniken eine komplexe digitale Demodulation. Diese ist beim digitalen Fernsehen, in den Vereinigten Staaten für HD Radio und für DAB in Europa und in anderen Regionen der Welt weit verbreitet.

In frühen digitalen Systemen wurde das ZF-Signal typischerweise mit einem I/Q-Demodulator in ein Basisbandsignal umgewandelt und dann wie in Bild 1 von zwei niederfrequenten ADCs digitalisiert. Diese ersten A/D-Wandler hatten keine große Bandbreite und konnten daher nur in schmalbandigen Funkgeräten eingesetzt werden. Während diese Empfangsschaltung für Empfänger mit geringer Bandbreite anwendbar ist, litt sie aber unter Quadratur-Fehlanpassungen, die zu Problemen bei der Unterdrückung von Spiegelfrequenzen führten.

Diese mussten anfangs durch analoge und später durch digitale Techniken korrigiert werden. Da frühe Systeme nicht hochintegriert waren, war es schwierig, die I/Q-Balance zu halten, was zu Spiegelfrequenzen (Quadratur) führte. Zeit- und Temperaturschwankungen müssen berücksichtigt werden, und selbst in hochintegrierten Empfängern ist die I/Q-Balance typischerweise auf 40 dB begrenzt und die Spiegelfrequenzunterdrückung ist ohne eine Art Korrekturalgorithmus sehr schlecht.

Mitte der 1990er Jahre verbesserte sich die Wandlertechnologie so weit, dass die Basisband-I/Q-Abtastung durch eine ZF-Abtastung ersetzt werden konnte. Das hatte mehrere Vorteile. Erstens war es möglich, das Demodulator- und Basisband-Konverterpaar zu eliminieren und durch einen einzigen A/D-Wandler zu ersetzen, was Strom und Platz spart. Wichtiger war aber, dass die mit der analogen I/Q-Erzeugung verbundenen Fehler beseitigt werden konnten.

Natürlich waren für die DSP-Verarbeitung noch komplexe Daten erforderlich, aber es war leicht möglich, sie digital durch die Verwendung von digitalen Abwärtswandlern wie dem AD6624 zu extrahieren. Diese lieferten eine perfekte Quadratur, die nicht über Zeit oder Temperatur driftet.

Neue ZF-Abtastwandler für größere Bandbreiten

Ursprünglich waren diese ZF-Abtastwandler schmalbandig, aber in den späten 1990er Jahren wurden breitbandige ZF-Abtastwandler der AD9042 und der AD6645 angeboten. Diese neuen Wandler können ZF-Frequenzen bis zu 200 MHz direkt abtasten und eine Signalbandbreite von bis zu 35 MHz bereitstellen. Damit wurde es für viele Hochleistungsempfänger interessant, die ZF-Abtastung zu verwenden, um sowohl den Empfänger zu vereinfachen, als auch um die Performance zu verbessern.

Einer der zahlreichen Vorteile dieser Technik war, dass ein Empfängerpfad in der Lage war, mehrere HF-Träger zu verarbeiten. Dies hatte den Effekt, dass ein Funkgerät viele analoge Schmalbandfunkgeräte ersetzen und die Gesamtbetriebskosten in einer Vielzahl von Telekommunikationsanwendungen erheblich senken konnte.

Jede Anwendung, die mehrere unabhängige (oder abhängige) HF-Signale verarbeitet, konnte von dieser Architektur profitieren, die eine Reduzierung von Kosten, Größe und Komplexität ermöglicht. Einzelne HF-Träger werden im digitalen Datenstrom einfach sortiert und können bei Bedarf eigenständig voneinander bearbeitet werden. Jedes Signal kann unterschiedlich moduliert werden oder die Signalbandbreite kann erweitert werden, um den Datendurchsatz zu erhöhen.

Die integrierte Mischertechnik bringt die ZF-Abtastung von Heterodyn-Funkgeräten weiter, indem sie hochintegrierte und kostengünstige Lösungen bietet, wenn sie mit neuen ZF-Abtastwandlern wie dem AD9684 und AD9694 kombiniert wird. Diese jüngeren A/D-Wandler beinhalten digitale Abwärtswandler, die nicht nur nicht benötigte Spektren digital ausfiltern, sondern auch die I/Q-Komponenten digital extrahieren.

Im vierten und letzten Teil der Geschichte der Funktechnik vergleichen wir dann die verschiedenen Empfängerarchitekturen untereinander.

Eine kurze Geschichte der Funktechnik: Die Anfänge

Eine kurze Geschichte der Funktechnik: Die Detektoren (Teil 2)

Eine kurze Geschichte der Funktechnik: Empfängerarchitekturen damals und heute (Teil 4)

* Brad Brannon ist für die Systemtechnik der 4G- und 5G-Empfängerarchitekturen bei Analog Devices in Norwood / USA verantwortlich.

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