HF-Technik

Nachrichtensignal und Nachrichtenträger

Sprache, Musik, Daten, Fernwirksignale usw. können ganz allgemein als Nachrichtensignale bezeichnet werden. Um sie zu übertragen, werden sie in der Nachrichtentechnik durch Verwendung von Mikrofonen, Messwertgebern elektrischer Art, optoelektronisch, etc. in elektrische Nachrichtensignale umgewandelt.

analoge und digitale Signale

Nachrichtensignale kann man zum Beispiel in analoge und digitale Signale einteilen. Unabhängig davon lassen sich alle Signale durch eine Vielzahl harmonischer, d. h. sinusförmiger Schwingungen unterschiedlicher Amplitude, Frequenz und Phase darstellen.
Gewöhnlich liegen die Frequenzen dieser Nachrichtensignale im Hörbereich, also etwa unter 20 kHz, dem sogenannten Niederfrequenz-Bereich ( NF-Bereich).
Bei Sprache und insbesondere bei Musik ist es einleuchtend, dass das Signal aus einer Vielzahl von Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen besteht. Man bezeichnet diese Gesamtzahl von Schwingungen als Frequenzband.

Frequenzbänder

Für eine naturgetreue Musikwiedergabe ist ein Frequenzband zwischen 30 Hz und 15 kHz zu übertragen, was dem beim UKW-Rundfunk entspricht.
Künstlerische Sprachwiedergabe erfordert ein Band von 100 Hz bis 6 kHz. Der Mittelwellenrundfunk mit einem Frequenzband zwischen 100 Hz und 4,5 kHz kommt diesem Bereich nahe.

Aus Gründen der Frequenzökonomie (d. h. sparsamer Umgang mit Frequenzen bzw. Frequenzbändern) wird bei der Telefonie gemäß CCITT-Empfehlung nur ein Frequenzband von 300 Hz bis 3,4 kHz übertragen. Messungen haben ergeben, dass dabei eine "Silbenverständlichkeit" von 91 % und eine "Satzverständlichkeit" von 99 % gewährleistet ist.

Völlig aus dem Rahmen hinsichtlich der Bandbreite fällt allerdings das Nachrichtensignal bei der Fernseh-Bildübertragung bewegter Bilder.
Die Fernsehkamera wandelt ja die Hell-Dunkel - Schwankungen des Bildes in ein elektrisches Signal, das "Video-Signal", um.
Dieses Band reicht von praktisch 0 Hz bis 5,5 MHz (!). 0 Hz, also sozusagen Gleichspannung, liefert die Kamera, wenn das Bild über eine größere Fläche hinweg konstante Helligkeit bietet (zB "blauer Himmel").

Die obere Frequenzgrenze wird erreicht bei starken Helligkeitsschwankungen, also z.B. bei Übertragung eines Gittermusters. Hier kann also nicht mehr von "Niederfrequenz" gesprochen werden. Weniger einleuchtend ist es, dass man sich auch Digitalsignale aus sinusförmigen Schwingungen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phase zusammengesetzt denken kann, bei denen es sich doch laienhaft gesprochen nur um "zerhackte" Gleichspannung handelt.

Erst die "FOURIER-Analyse" gibt hier genauer Auskunft.

Ob nun die gewöhnlich niederfrequente Nachricht als analoges ( =in Zeit und Wert kontinuierlich ) oder digitales (in Zeit und/oder Wert diskret ) System auftritt, in jedem Fall muss sie durch Modulation im Sender auf einen geeigneten, im allgemeinen hochfrequenten sinusförmigen oder pulsförmigen Träger (HF – Träger ) aufgeprägt und durch Demodulation im Empfänger möglichst originalgetreu wiedergewonnen werden.

Warum braucht man eigentlich einen Nachrichtenträger?

Im wesentlichen hat das zwei Gründe:

a) Der Übertragungsweg ist meist nur geeignet zur Übertragung hochfrequenter Schwingungen.

Daher muss das niederfrequente Signal auf eine HF - Trägerschwingung aufmoduliert werden.


Hierzu einige Beispiele:

Drahtlose Übertragung erfordert Antennen in der Größenordnung einer ½ oder 1/4 Wellenlänge. Wegen c = c/f bräuchte man zur Abstrahlung einer niederfrequenten elektrischen Schwingung von 1 kHz eine sinnlos lange Antenne von rund 100 km.

Hohlleiterübertragung

... ist überhaupt erst unterhalb einer bestimmten Grenzwellenlänge c = 2 - a möglich.

Ein Hohlleiter mit einer Breite a = 23 mm hat somit eine Grenzwellenlänge von 46 mm und überträgt daher erst oberhalb 6,5 GHz.

Lichtwellenleiter

... erfordern als Nachrichtenträger das Licht. Im Infrarotbereich, also um 1 Mikrometer Lichtwellenlänge, liegt die Frequenz der elektromagnetischen Wellen bei Frequenzen um 300.000 GHz!

b) Mehrfachnutzung eines gemeinsamen Übertragungsmediums für unterschiedliche Nachrichten, und zwar so, dass sie am Empfangsort wieder getrennt werden können.

 

Man benötigt hierzu entweder für jede Nachricht einen anderen hochfrequenten Träger (Frequenzmultiplex) oder man verwendet einen pulsförmigen Träger, mit dessen Hilfe die unterschiedlichen Nachrichten sequentiell abgetastet und übertragen werden (Zeitmultiplex-Betrieb). So lässt sich das teurere Kabel mehrfach nützen. Die Multiplexverfahren sind aber nicht auf Kabelübertragung beschränkt. Auch bei Rundfunk und Fernsehübertragung müssen die Sender mit unterschiedlichen Hochfrequenzträgern arbeiten, damit die Selektion eines bestimmten Programms mittels eines Filters im Empfänger überhaupt möglich wird.

Prinzip der Modulation und Demodulation
(Analoges Nachrichtensignal und Sinusträger)

Das Prinzip eines modulierten Signals soll nun in folgenden Bild gezeigt werden, und zwar stellt das oberste Liniendiagramm ein einfaches analoges Nachrichtensignal dar, das zweite den HF - Träger zunächst unmoduliert (Träger beim Mittelwellenrundfunk zwischen 525 kHz und 1605 kHz).

Das dritte Liniendiagramm zeigt nun den in der Amplitude modulierten Träger. Als Modulator stelle man sich zunächst einfach einen HF-Verstärker vor, dessen Verstärkung durch das NF Nachrichtensignal beeinflusst wird Die Nachricht ist jetzt nur noch gedanklich in der Verbindungslinie der Spitzen der HF -Schwingung vorhanden!

Von dem beim Mittelwellenrundfunk mit rund 100 kW abgestrahlten HF - Signal erhält der Empfänger je nach Entfernung im allgemeinen weniger als 1 mW! Doch ist es auch nach Verstärkung im Empfänger noch nicht geeignet, den Lautsprecher zu akustischen Schwingungen anzuregen: Es ist erst eine "Demodulation" notwendig.

Der Demodulator

... ist bei diesem Verfahren denkbar einfach, nämlich ein Gleichrichter! Die Lautsprechermembran wird nun durch die HF Halbschwingungen angeregt, macht aber wegen ihrer mechanischen Trägheit nur die Bewegung der niederfrequenten Nachricht mit. Die Amplitudenmodulation wird in den nächsten Kapiteln noch ausführlich beschrieben.

Frequenzmodulation

Bei der Frequenzmodulation bleibt die Amplitude des HF - Trägers konstant, dagegen wird seine Frequenz vom NF - Nachrichtensignal beeinflusst . Hier können die Amplitudenstörungen im Empfänger noch vor der Demodulation durch eine Begrenzung unterdrückt werden.

Die Demodulation

... also die Umwandlung der Frequenzänderungen in nieder frequente Amplitudenänderungen, kann in vielfältiger Weise geschehen. Modulation und Demodulation sind komplizierter als bei der Amplitudenmodulation. Analoges Signal und pulsförmiger Träger Die Modulation schmaler Impulse durch ein niederfrequentes Analogsignal ermöglicht das zeitlich gestaffelte Übertragen mehrerer solcher unterschiedlicher Nachrichtensignale in den Impulspausen, (Beispiel Pulsamplitudenmodulation (PAM)).

Multiplexer bzw. Demultiplexer

Das Zusammenfassen der einzelnen "Kanäle" im Sender und Verteilen der Pulse auf die entsprechenden Empfängerausgänge geschieht mittels sogenannter Multiplexer bzw. Demultiplexer, oft symbolisiert durch rotierende Schalter. Die Pulsmodulation ist eine Zwischenstufe zur Pulskodemodulation, bei der schließlich ein Analogsignal in eine Folge digitaler Codewörter umgewandelt und so übertragen wird.

AVR-Mikrocontroller Programmierung in C

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avr-programmierung.com

Heimo & Patrick Gaicher