Grundlagen und Funktionsweise von AM/FM-Tunern

AM/FM-Tuner: Grundlagen der Funkübertragung

Im professionellen Bereich werden Funksender und -empfänger eingesetzt, um Audiosignale von einem Gebiet in ein anderes zu übertragen und so eine aufwendige Verkabelung zu vermeiden. Auch im allgemeinen öffentlichen Bereich ist die drahtlose Übertragung über Funk weit verbreitet. Kopfhörer oder Mikrofone können dabei von einfacher bis mittlerer Qualität sein.

Um eine Information (das Audiosignal) als elektromagnetische Welle durch den Raum zu senden, ist es notwendig, diese zu modulieren. Modulation ist eine Art Hochfrequenz-Codierung, damit das Signal über eine Radioantenne gesendet werden kann.

Wenn das modulierte Signal an der Empfangsantenne ankommt, muss es decodiert, d. h. demoduliert werden, um das ursprüngliche Audiosignal (Niederfrequenzsignal) zurückzugewinnen.

Das Audiosignal kann durch drei grundlegende Verfahren moduliert werden:

• Amplitudenmodulation (AM)
• Frequenzmodulation (FM)
• Phasenmodulation (PM)

Amplitudenmodulation (AM)

Die Amplitudenmodulation ist bekannt für die Nutzung folgender Wellenbereiche:

• Langwelle (LW): 150 bis 300 kHz (z. B. für Schifffahrt)
• Mittelwelle (MW): 560 bis 1600 kHz (kommerzielles Radio)
• Kurzwelle (KW): 5 bis 30 MHz (Amateurfunk)

Die Amplitudenmodulation bewirkt die Variation der Trägeramplitude in Abhängigkeit vom Niederfrequenzsignal (NF). Die Trägerfrequenz, die das Audiosignal zwischen den Antennen transportiert, liegt innerhalb des gewählten Frequenzbandes.

Nachteile der AM: Rauschen und Bandbreite

Die Qualität des übertragenen Tonsignals ist oft nicht optimal. Die Demodulation im Empfänger besteht darin, diese Amplitudenschwankungen zurückzugewinnen. Störsignale (Rauschen), die hauptsächlich durch das Stromnetz verursacht werden (z. B. durch das Einschalten einer Lampe oder eines Elektromotors), erzeugen Spannungsspitzen, die die Amplitude des empfangenen Signals verändern können. Diese Störungen werden vom Empfänger erfasst und führen zu den typischen, vertrauten Geräuschen beim AM-Empfang.

Dies ist einer der Gründe, warum AM nicht das am besten geeignete System für die Übertragung von Hi-Fi-Audiosignalen ist. Ein weiterer Grund ist die maximale übertragbare Bandbreite von nur 4500 Hz, die nur die Mitten des Tonspektrums abdeckt und weit von der oft geforderten hohen Wiedergabetreue entfernt ist.

Vorteile der AM: Reichweite

Der grundlegende Vorteil der AM-Übertragung ist die viel größere Reichweite im Vergleich zur FM. Aufgrund der längeren Wellenlänge der Trägerfrequenz werden die Signale unter anderem an den ionisierten Schichten der Ionosphäre reflektiert. Dies ermöglicht die Überbrückung großer Entfernungen, selbst wenn die Wetterbedingungen diese Reflexion begünstigen.

UKW-Frequenzmodulation (FM)

Die Frequenzmodulation (FM) ist die Lösung für die Rauschprobleme, die bei AM auftreten, da sie nicht auf Amplitudenvariationen reagiert, die durch parasitäre Spannungsspitzen verursacht werden können.

Die Information des Niederfrequenz-Audiosignals wird auf eine Trägerfrequenz moduliert. Der Frequenzbereich für kommerzielles Radio liegt typischerweise zwischen 87,5 MHz und 108 MHz (UKW/VHF).

Bei der FM schwankt die Trägerfrequenz proportional zur Amplitude des Signals: Je größer die Signalamplitude, desto höher die Frequenz; mit abnehmender Amplitude verringert sich die Frequenz der Trägerwelle.

Der Demodulator erkennt diese Frequenzschwankungen und wandelt sie zurück in ein Audiosignal. Dies ermöglicht High-Fidelity-Klang, da die Standardbandbreite für solche Emissionen ±75 kHz beträgt, was weit über die Anforderungen der Hi-Fi-Bandbreite hinausgeht.

Antennen

Die Antenne ist das Element, das die Hochfrequenzleistung des Senders an das Übertragungsmedium (in diesem Fall die Luft) anpasst. Sie dient auch der Anpassung der Empfangsantenne an die Eingangsimpedanz des Tunerverstärkers.

Damit diese Anpassungen optimal funktionieren, ist es notwendig, dass die Antenne Abmessungen hat, die der Wellenlänge des zu sendenden oder zu empfangenden Signals ähnlich oder proportional sind.

Funkwellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 300.000 km/s).

AM-Empfangsantenne

Obwohl Antennen idealerweise Abmessungen von λ/4 (ein Viertel der Wellenlänge) haben sollten, wäre dies für AM-Wellen oft zu groß. Um dies zu simulieren, wird eine Spule verwendet, die um einen Ferritkern gewickelt ist (Ferritantenne). Diese kann leicht in jedem tragbaren Empfänger positioniert werden.

Einige ältere Hi-Fi-Tuner hatten den Ferritkern außen angebracht, damit der Benutzer ihn zur optimalen Ausrichtung drehen konnte. Die meisten modernen Geräte verwenden jedoch eine Rahmen- oder Loop-Antenne, die extern an den Tuner angeschlossen wird, um die Ausrichtung für maximalen Empfang zu ermöglichen. Die Rahmenantenne simuliert die Funktion der Ferritantenne, ist aber robuster und verhindert, dass die Ferritstäbe bei geringstem Stoß brechen.

UKW-Empfangsantenne

Kommerzielle Hi-Fi-Tuner können über ein 75-Ohm-Koaxialkabel an eine externe FM-Antenne angeschlossen werden, ähnlich wie Fernsehantennen.

Falls keine externe UKW-Antennenanlage vorhanden ist, verfügt der Tuner oft über eine interne Dipolantenne. Diese besteht aus zwei Drähten mit einer Impedanz von 300 Ohm, die für maximale Empfangsleistung ordnungsgemäß ausgerichtet werden müssen.

Der Superheterodyn-Empfänger

Sowohl AM- als auch FM-Empfänger arbeiten nach dem Superheterodyn-Prinzip.

AM-Empfänger

Die Frequenz des abgestimmten Vorverstärkers ändert sich gleichzeitig mit der Frequenz des Lokaloszillators. Wenn der Mischer die Subtraktion der beiden Eingangsfrequenzen durchführt, liegt die Differenzfrequenz immer bei 456 kHz (Zwischenfrequenz, ZF).

Nachdem die ZF gefiltert und verstärkt wurde, wird sie erkannt und demoduliert, wodurch das ursprüngliche Audiosignal gewonnen wird (unter Berücksichtigung der bereits erwähnten Bandbreitenbeschränkungen). Die AM-Demodulation erfolgt im Grunde durch einen einfachen Diodendetektor, was die Herstellung dieser Geräte kostengünstig macht.

FM-Empfänger

Die empfangenen Frequenzen werden in eine feste Zwischenfrequenz von 10,7 MHz umgesetzt.

Der FM-Empfänger ist aus mehreren Gründen teurer als der AM-Empfänger: die höhere Bandbreite der Übertragung, die Nutzung höherer Frequenzen und die Tatsache, dass die FM-Demodulatorschaltung (Diskriminator) komplexer ist als die einfache AM-Diode.

Der FM-Demodulator, auch Diskriminator genannt, misst die Abweichungen der Zwischenfrequenz von der Mittenfrequenz und wandelt diese in das Niederfrequenz-Audiosignal um.

Um die Empfangsqualität zu gewährleisten, ist es sehr wichtig, die Stabilität der Lokaloszillatorfrequenz aufrechtzuerhalten, da das Audiosignal durch Frequenzänderungen gewonnen wird. Um Frequenzverschiebungen zu vermeiden, sorgt die automatische Frequenzsteuerung (AFC) dafür, dass die Frequenz des Lokaloszillators immer exakt auf dem gewählten Wert liegt.

FM-Stereoübertragung

Bei der Entwicklung der FM-Stereoübertragung war es eine unverzichtbare Bedingung, dass Mono-Empfänger die Stereo-Emissionen weiterhin empfangen können. Zu diesem Zweck wird das Summensignal (L+R) übertragen, dessen Klang mit einem monophonen Kanal vergleichbar ist.

Das Stereo-Signal wird durch Multiplexing übertragen, wobei die Informationen für die beiden Kanäle in getrennten Frequenzspektren liegen.

Das Multiplex-Signal

Das Differenzsignal (L-R) wird in Amplitude und Phase mit einem Ringmodulator moduliert, wobei eine 38-kHz-Mischfrequenz verwendet wird. Das Summensignal (L+R) und das Differenzsignal (L-R) werden schließlich frequenzmoduliert und über die Sendeantenne ausgestrahlt.

Die Bandbreite, die durch die Informationen der beiden Kanäle belegt wird, beträgt etwa 53 kHz. Da kommerzielles FM bis zu 75 kHz übertragen kann, ist ausreichend Bandbreite vorhanden.

Das Multiplex-Signal enthält außerdem den 19-kHz-Pilotton, der vom Empfänger exakt zurückgewonnen werden muss, um die Demodulation korrekt durchzuführen.

Demodulation im Empfänger

Sobald das frequenzmodulierte Multiplex-Signal empfangen und demoduliert wurde, muss es entschlüsselt werden, um den linken und rechten Kanal zu trennen. Zuerst werden die Komponenten des Multiplex-Signals durch spezielle Filter getrennt:

1. Der Pilotton (19 kHz)
2. Das Summensignal (L+R)
3. Das Differenzsignal (L-R)

Das Differenzsignal (L-R) wird mithilfe des 38-kHz-Taktsignals (vom Pilotton abgeleitet) wieder demoduliert. Durch Addition und Subtraktion der beiden Komponenten werden die Kanäle gewonnen:

• (L+R) + (L-R) = 2L (Linker Kanal)
• (L+R) - (L-R) = 2R (Rechter Kanal)

Radio Data System (RDS)

Das Radio Data System (RDS) ist heute in den meisten eingebauten Tunern vorhanden und ermöglicht die Übertragung digitaler Daten über das FM-Signal.

Der unmittelbarste Effekt des RDS-Empfangs ist, dass beim Einstellen eines Senders der Name des Sendernetzwerks auf dem Display erscheint, zusätzlich zu anderen Informationen, die der Sender bereitstellen möchte.

Die häufigsten Funktionen, die ein RDS-Empfänger bietet, sind:

• PS (Program Service): Zeigt den Namen des Senders auf dem Bildschirm an.
• TA (Traffic Announcement): Bietet Informationen zur Verkehrssituation.
• CT (Clock Time): Zeigt die offizielle Uhrzeit an.
• PTY (Program Type): Klassifiziert die Sendungen nach ihrem Inhalt (z. B. Nachrichten, Pop, Klassik).

Wichtige Merkmale des Tuners

Zu den wichtigsten technischen Merkmalen eines Tuners gehören:

• Frequenzgang
• Klirrfaktor (THD)
• Intermodulationsverzerrungen
• Signal-Rausch-Verhältnis (S/N)
• Bandbreite
• Empfindlichkeit

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit wird in Mikrovolt (µV) gemessen und gibt die minimale Spannung an, die in der Luft erforderlich ist, um ein Signal mit einem bestimmten Signal-Rausch-Verhältnis zu empfangen. Ein kleinerer Wert deutet auf eine höhere Empfindlichkeit und somit auf einen besseren Empfänger hin.

Beim Vergleich verschiedener Geräte sollte immer das vom Hersteller angegebene S/N-Verhältnis überprüft werden, das der Messung zugrunde liegt.

Aktuell wird bei FM oft das Maß der Empfindlichkeit CBF verwendet, das einem Wert von 0,000000000000010 V entspricht.