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% Foliensatz: "AFu-Kurs nach DJ4UF" von DK0TU, Amateurfunkgruppe der TU Berlin
% Lizenz: CC BY-NC-SA 3.0 de (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/)
% Autoren: Sebastian Lange <[email protected]>, Lars Weiler <[email protected]>
\input{texdata/preamble}
\subtitle{Technik Klasse A 13: \\
Frequenzaufbereitung \\[2em]}
\date{Stand 27.02.2017}
\input{texdata/titlepage}
\section{Überblick}
\begin{frame}
\frametitle{Blockschaltsymbole}
In dieser Lektion werden häufig Blockschaltsymbole verwendet. Diese stellen logisch ganze Baugruppen dar.
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=\textwidth,height=.65\textheight,keepaspectratio]{a13/IMG_4686.jpg}
\attribcaption{Hausanschlussverstärker des Kabelfernsehen mit Blockschaltbildern}{DC4LW (eigene Aufnahme)}{http://dc4lw.de}{}
\end{figure}
\end{center}
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=1\textwidth,height=.9\textheight,keepaspectratio]{e15/Blockschaltbild_Runfunksender_Zeesen.jpg}
\attribcaption{Blockschaltbild des Weltrundfunksenders Zeesen 1929 im Sender- und Rundfunkmuseum Königs~Wusterhausen}{DC4LW (eigene Aufnahme)}{http://dc4lw.de}{}
\end{figure}
\end{center}
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Überblick}
Bereits bekannt aus Kapitel \emph{E15}: \\[2em]
Signal im Basisband muss für die Übertragung auf einen HF-Träger
``aufgeprägt'' werden.
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Überblick}
Wozu Frequenzaufbereitung?\\[2em]
Wo liegen die klassischen Kurzwellenbänder und
was fällt dabei auf?
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Überblick}
``Klassische'' Amateurfunkbänder: \\[2em]
3,5 -- 7 -- 14 -- 21 -- 29 -- 145 -- 435 MHz (80m, 40m, 20m, 15m, 10m, 2m, 70cm)
\only<2>{$3,5 \times2 \rightarrow 7 \times2 \rightarrow 14 \times1,5 \rightarrow 21 \times1,5 \rightarrow 29 \times5 \rightarrow 145 \times3 \rightarrow 435$ MHz}
\vspace{3em}
Außerdem später hinzu gekommen: \\[2em]
1,8 -- 5 -- 10 -- 18 -- 25 -- 50 (160m, 60m, 30m, 17m, 12m, 6m)
\end{frame}
\section{Sender}
\subsection{Vervielfacher}
\begin{frame}
\frametitle{Frequenzvervielfacher}
\begin{columns}
\column{.5\textwidth}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=\textwidth,height=.85\textheight,keepaspectratio]{a13/TG103a.png}
\attribcaption{TG103}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
\column{.45\textwidth}
\begin{itemize}
\item Oberwellen bleiben in Amateurfunkbändern
\item Senderaufbau durch Frequenzvervielfacher
\item aufbauend auf stabilen 3,5MHz Oszillator
\end{itemize}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{tabular}{l||p{.8\textwidth}}\hline
\textbf{TG103} & \textbf{Das Blockschaltbild stellt einen Mehrbandsender dar. Welche Frequenz entsteht am Ausgang X, wenn der VFO auf 3,51 MHz eingestellt ist?}
\includegraphics[width=.8\textwidth,height=.6\textheight,keepaspectratio]{a13/TG103a.png}\\ \hline \hline
A & 3,55 MHz. \\ \hline
B & 7,02 MHz. \\ \hline
C & 21,06 MHz. \\ \hline
D \only<2>\checkmark & 14,04 MHz. \\ \hline
\end{tabular}
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Frequenzvervielfacher}
Bei FM darauf achten, dass sich auch der Hub vervielfacht!
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.8\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TG102.png}
\attribcaption{TG102}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
Abhilfe z.B. durch Antiparallelschaltung von Dioden.\footnote{Einstellung durch
den Widerstand}
\end{frame}
\subsection{Mischer}
\subsubsection{Einfachmischer}
\begin{frame}
\frametitle{Einfachmischer}
Vervielfachung ist nur bei CW und FM sinnvoll. Hub zeigt, dass Modulation ``auseinandergezogen wird'' -- bei SSB würde das Seitenband auch entsprechend vervielfacht werden und der Abstand zum Träger gerät größer.
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.5\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TG226.png}
\attribcaption{TG226}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
Mischer sind bereits aus der Modulation bekannt. Anwendung hier:
Up-/Downconversion.
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{tabular}{l||p{.8\textwidth}}\hline
\textbf{TG226} & \textbf{Welche wesentlichen Ausgangsfrequenzen erzeugt die in der Abbildung dargestellte Stufe?}
\includegraphics[width=.6\textwidth,height=.4\textheight,keepaspectratio]{a13/TG226.png} \\ \hline\hline
A & 21,4 und 105,4 MHz \\ \hline
B & 42 und 53,4 MHz \\ \hline
C & 21 und 63,4 MHz \\ \hline
D \only<2>\checkmark & 10,7 und 52,7 MHz \\ \hline
\end{tabular}
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Einfachmischer}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.5\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TG226.png}
\attribcaption{TG226}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
\begin{itemize}
\item das unerwünschte Mischprodukt muss gut gefiltert werden
\item eine Mischfrequenz wird von einem Quarzoszillator \textbf{CO} (crystal oscillator) hinzugefügt
\item die andere Mischfrequenz wird von einem \textbf{VFO} (variable frequency oscillator) hinzugefügt
\item damit wird die Ausgangsfrequenz variabel
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{exampleblock}{Mischung}
CO = $9 MHz$\\
VFO = $5,0\cdots5,5MHz$
\vspace{2em}
\pause
\begin{align*}
f_{H 5,0} &= 9 MHz + 5,0 MHz = 14,0 MHz & f_{H 5,5} &= 9 MHz + 5,5 MHz = 14,5 MHz \\
f_{L 5,0} &= 9 MHz - 5,0 MHz = 4,0 MHz & f_{L 5,5} &= 9 MHz - 5,5 MHz = 3,5 MHz \\
\end{align*}
\end{exampleblock}
\pause
Welche Bänder sind das?
\end{frame}
\subsubsection{Balance-Mischer}
\begin{frame}
\frametitle{Balance-Mischer}
SSB-Aufbereitung mit einem 9-MHz-Quarzfilter (balancierter Ringmischer)
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.5\textwidth,height=.4\textheight,keepaspectratio]{a13/TG106.png}
\attribcaption{TG106}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
{\small CO LSB: $9,0015MHz$; CO USB: $8,9985MHz$}\\[.5em]
Ein fester Bandpassfilter bei $9MHz$ mit $\pm1,2kHz$ Bandbreite lässt nur eines der beiden Seitenbänder durch.
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Balance-Mischer}
Der gesamte Sendepfad würde so aussehen:
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.8\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TG101.png}
\attribcaption{TG101}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
Was wird nach der SSB-Mischstufe benötigt?
\vspace{1em}
\pause
Ein Quarzfilter als Seitenbandsperre.
\end{frame}
\subsection{Mehr"-fach"-mischer"-prinzip}
\begin{frame}
\frametitle{Mehrfachmischerprinzip}
\begin{itemize}
\item es gibt einen nicht umschaltbaren VFO
\item Mischung mit der erzeugten SSB-Filterfrequenz
\item erzeugt eine Zwischenfrequenz (ZF)
\item die ZF wird durch Mischung zur Endfrequenz für die Antenne gebracht
\end{itemize}
\end{frame}
\subsection{VCO-PLL}
\begin{frame}
\frametitle{Phasenregelung}
Phasenregelschleifen dienen zum Angleichen zweier Phasen.
\bigskip
Hier: \textbf{VCO-PLL} (voltage controlled oscillator phase locked loop)
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{VCO-PLL}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.8\textwidth,height=.35\textheight,keepaspectratio]{a13/TD701.png}
\attribcaption{TD701}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
\only<1>{
\begin{itemize}
\item VCO (voltage-controlled oscillator) ist das Herzstück
\item Quarzgenerator erzeugt Referenzfrequenz
\item Mikroprozessor steuert Teilerfunktion ``:n'' für die Ausgangsfrequenz
\item Phasenkomparator $\varphi$
\item stabiler Zustand: Die Frequenzen an A und B sind gleich
\item der Tiefpass erzeugt eine Gleichspannung vom Mittelwert des Pulses an C
\end{itemize}
}
\only<2>{
\begin{itemize}
\item bei Phasenverschiebung der Frequenzen ergibt sich im Komparator ein Signal mit kürzeren oder längeren Pausen zwischen den Impulsen
\item dadurch verschiebt sich die Spannung über den Tiefpass
\item der VCO erhält eine andere Spannung und regelt nach
\end{itemize}
}
\only<3>{
\begin{itemize}
\item die VCO-PLL ``lockt'' auf ein Vielfaches der Quarzoszillatorfrequenz ein
\item der Teiler bestimmt die größe der Ausgangsfrequenz
\end{itemize}
}
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{tabular}{l||p{.8\textwidth}}\hline
\textbf{TD706} & \textbf{Die Frequenz am Punkt A beträgt 12,5 kHz. Es sollen Ausgangsfrequenzen im Bereich von 12,000 MHz bis 14,000 MHz erzeugt werden. Welchen Bereich muss der Teilerfaktor umfassen?}
\includegraphics[width=.7\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TD701.png} \\ \hline\hline
A & 300 bis 857 \\ \hline
B & 300 bis 1120 \\ \hline
C & 960 bis 857 \\ \hline
D \only<2>\checkmark & 960 bis 1120 \\ \hline
\end{tabular}
\pause
\vspace{.5em}
$n_1 = \frac{12000kHz}{12,5kHz} = 960$ --- $n_2 = \frac{14000kHz}{12,5kHz} = 1120$
\end{frame}
\subsubsection{Mehrfach-Mischer}
\begin{frame}
\frametitle{Mehrfach-Mischer}
% TODO Muendl. oder Folien warum Mehrfachmischung
\begin{columns}[c]
\column[c]{.6\textwidth}
\begin{figure}
\includegraphics[width=\textwidth,height=.75\textheight,keepaspectratio]{a13/TG110.png}
\attribcaption{TG110}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\column{.35\textwidth}
\begin{itemize}
\item Nur ein CO
\item zwei PLL-Schleifen
\item Aufmischung zwischen $3\cdots30MHz$ möglich
\end{itemize}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{tabular}{l||p{.8\textwidth}}\hline
\textbf{TG110} & \textbf{Im folgenden Blockschaltbild ist die Frequenzaufbereitung für einen Amateurfunk-Transceiver dargestellt. Welche Frequenz erzeugt der Sender, wenn VCO1 auf 2,651\,MHz eingestellt und VCO2 auf 6\,MHz eingerastet ist?}
\includegraphics[width=.55\textwidth,height=.55\textheight,keepaspectratio]{a13/TG110.png} \\ \hline\hline
A & 6,651 MHz \\ \hline
B \only<2>\checkmark & 3,651 MHz \\ \hline
C & 8,651 MHz \\ \hline
D & 14,351 MHz \\ \hline
\end{tabular}
\end{frame}
\section{Empfänger}
\subsection{Doppelsuper}
\begin{frame}
\frametitle{Doppelsuper}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.8\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TF209b.png}
\attribcaption{TF209b}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Empfängerprinzipien}
Doppelsuper: Niedrige zweite Zwischenfrequenz (ZF) für gute Trennschärfe. \\[2em]
Bei heutigen TRX: Die 1.\,ZF liegt höher als das Doppelte der maximalen
Empfangsfrequenz \\
Spiegelfrequenz außerhalb des Empfangsbereichs.\\[2em]
Nach der Filterung im Roofing-Filter (1.\,ZF) wird auf die
2.\,ZF im Bereich um 9 bis 10\,MHz heruntergemischt. \\[2em]
Erste ZF-Filterbandbreite mind. so groß wie höchste benötigte Bandbreite.
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Spiegelfrequenz}
\begin{block}{Unerwünschte Frequenz beim Runtermischen auf die Zwischenfrequenz}
$f_S = f_E + 2 \cdot f_{ZF} \text{ für } f_{OSZ} > f_E$ \\
$f_S = f_E - 2 \cdot f_{ZF} \text{ für } f_{OSZ} < f_E$
\end{block}
Unterdrückung möglich durch
\begin{itemize}
\item geringe Bandbreite (Bandpassfilter am Eingang)
\item Phasenverfahren (Mischung mit der phasengedrehten Spiegelfrequenz)
\item Spiegelfrequenz weit außerhalb des Empfangsbereichs erzeugen (oder sogar unter 0Hz)
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{tabular}{l||p{.8\textwidth}}\hline
\textbf{TF201} & \textbf{In dieser Schaltung können bei einer Empfangsfrequenz von 145,6\,MHz und einer Oszillatorfrequenz von 134,9\,MHz Spiegelstörungen auftreten. Berechnen Sie diese Spiegelfrequenz.}
\includegraphics[width=0.5\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TF201.png}\\ \hline\hline
A & 156,3 MHz \\ \hline
B & 134,5 MHz \\ \hline
C \only<2>\checkmark & 124,2 MHz \\ \hline
D & 280,5 MHz \\ \hline
\end{tabular}
\pause
\vspace{1em}
$f_{ZF} = f_{HF} - f_{osz} \rightarrow f_{SP} = f_{osz} - f_{ZF} \text{ bei } f_{osz} < f_{HF}$
\end{frame}
\begin{frame}
\frametitle{Doppelsuper}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.8\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TF205b.png}
\attribcaption{TF205b}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
\begin{itemize}
\item 1. ZF relativ hoch (oft um 10,8\,MHz) $\rightarrow$ gute Spiegelfrequenzunterdrückung
\item 2. ZF niedrig (oft bei 450 bis 470\,kHz) $\rightarrow$ hohe Trennschärfe
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{tabular}{l||p{.8\textwidth}}\hline
\textbf{TF205} & \textbf{Ein Doppelsuper hat eine erste ZF von 10,7\,MHz und eine zweite ZF von 460\,kHz. Die Empfangsfrequenz soll 28\,MHz sein. Welche Frequenz ist für den VFO und für den CO erforderlich, wenn die Oszillatoren oberhalb des Nutzsignals schwingen sollen?}
\includegraphics[width=.6\textwidth,height=.5\textheight,keepaspectratio]{a13/TF205b.png} \\ \hline\hline
A & Der VFO muss bei 38,70\,MHz und der CO bei 12,24\,MHz schwingen. \\ \hline
B & Der VFO muss bei 10,24\,MHz und der CO bei 17,30\,MHz schwingen. \\ \hline
C \only<2>\checkmark & Der VFO muss bei 38,70\,MHz und der CO bei 11,16\,MHz schwingen. \\ \hline
D & Der VFO muss bei 28,46\,MHz und der CO bei 11,16\,MHz schwingen.\\ \hline
\end{tabular}
\pause
\vspace{.5em}
\begin{scriptsize}
\begin{align*}
\text{VFO: } 28MHz + 10,7MHz &= 38,7MHz\\
\text{CO: } 10,7MHz + 460kHz &= 11,16MHz
\end{align*}
\end{scriptsize}
\end{frame}
\subsection{Direkt"-über"-lagerungs"-empfänger}
\begin{frame}
\frametitle{Direktüberlagerungsempfänger}
Prinzip wie der Einfachmischer beim TX. Eine Mischstufe mit VFO in nächster
Nähe zur Empfangsfrequenz (Zuführung des Trägers).\\
Produktdetektor zur Demodulation
\end{frame}
\subsection{PLL}
\begin{frame}
\frametitle{PLL}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.8\textwidth,height=.6\textheight,keepaspectratio]{a13/TF213.png}
\attribcaption{TF213}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
Prinzip wie beim Sender
\end{frame}
\begin{frame}
\begin{tabular}{l||p{.8\textwidth}}\hline
\textbf{TF213} & \textbf{Dies ist das Blockschaltbild eines modernen Empfängers mit PLL-Frequenzaufbereitung. Es soll eine Frequenz von 15,0\,MHz emfangen werden. Welche Frequenzen liefern $VCO_1$ und $VCO_2$, wenn der programmierbare Frequenzvervielfacher $n_p$ dabei 18\,MHz liefert?}
\includegraphics[width=0.48\textwidth,height=.48\textheight,keepaspectratio]{a13/TF213.png}\\ \hline\hline
A & $VCO_1$: 67,5\,MHz, $VCO_2$: 87,5\,MHz \\ \hline
B & $VCO_1$: 68,5\,MHz, $VCO_2$: 88,5\,MHz \\ \hline
C & $VCO_1$: 88,5\,MHz, $VCO_2$: 67,5\,MHz \\ \hline
D \only<2>\checkmark & $VCO_1$: 67,5\,MHz, $VCO_2$: 85,5\,MHz \\ \hline
\end{tabular}
\end{frame}
\subsection{Converter}
\begin{frame}
\frametitle{Converter}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.8\textwidth,height=.7\textheight,keepaspectratio]{a13/TF204.png}
\attribcaption{TF204}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
2-m-Konverter für einen KW-Empfänger
\end{frame}
\subsection{Transverter}
\begin{frame}
\frametitle{Transverter (Transceiver-Konverter)}
\begin{center}
\begin{figure}
\includegraphics[width=0.8\textwidth,height=.6\textheight,keepaspectratio]{a13/TF209.png}
\attribcaption{TF209}{BNetzA}{https://www.bundesnetzagentur.de/amateurfunk/}{}
\end{figure}
\end{center}
Transverter für das 2-m-Band
\end{frame}
\renewcommand{\refname}{Referenzen}
\hypertarget{refs}{}
\textcolor{white}{} \\ %\vspace{} geht nicht
\Large Referenzen/Links
\footnotesize
\begin{thebibliography}{}
\bibitem{darc} DARC Online-Lehrgang Lektion A13:
\url{https://www.darc.de/der-club/referate/ajw/lehrgang-ta/a13/}
\bibitem{bna} Fragenkatalog Bundesnetzagentur Technik Klasse A:\\
\url{https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Downloads/DE/Sachgebiete/Telekommunikation/Unternehmen_Institutionen/Frequenzen/Amateurfunk/Fragenkatalog/TechnikFragenkatalogKlasseAf252rId9014pdf.pdf?__blob=publicationFile&v=3}
\end{thebibliography}
\input{texdata/postamble}