Übersicht

 

Mit möglichst wenig Mathematik soll dieses wichtige Thema für die Vorbereitung auf die Amateurfunkprüfung für das Amateurfunkzeugnis Klasse E behandelt werden.

Prinzip der Nachrichtenübertragung

Mit Hilfe der Funktechnik sollen Informationen drahtlos übertragen werden. Hierzu wird mittels Modulation die Information auf einen Hochfrequenzträger übertragen. Die Modulation ist also das Wichtigste bei der drahtlosen Nachrichtentechnik.

In der Nachrichtenübertragungstechnik unterscheidet man drahtgebundene (Fernmeldetechnik, Kabelfernsehen, Internet) und drahtlose Nachrichtenübertragungstechnik (Rundfunk- und Fernsehtechnik, Funktechnik). Im Rahmen des Amateurfunklehrgangs werden wir uns nur mit der drahtlosen Nachrichtenübertragung befassen.

Bereits im 19. Jahrhundert behauptete der englische Physiker Maxwell (1831 - 1879) aufgrund mathematischer Ableitungen, dass sehr schnelle elektrische Schwingungen sich als elektromagnetische Wellen frei durch den Raum fortpflanzen können. Auch Licht sei nichts anderes als solche elektromagnetischen Schwingungen oder Wellen. Alle diese Wellen bewegten sich mit der Geschwindigkeit des Lichts fort, nämlich mit fast 300 000 km in der Sekunde. Dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857-1894) gelang es 1885-1889 durch Versuche, solche elektrischen Wellen zu erzeugen, sie wieder aufzufangen und ihre Wesensgleichheit mit dem Licht nachzuweisen.

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-1: Schema der drahtlosen Nachrichtenübertragung (Funkstrecke)

Andere Erfinder benutzten diese Hertzschen Wellen sehr bald zur Telegrafie ohne Draht, zuerst nur von Zimmer zu Zimmer. Dem italienischen Forscher G. Marconi (1874-1937) gelang es als erstem, eine drahtlose Verbindung auf größere Entfernungen zu erzielen. Damit begann eine allmählich immer stürmischer verlaufende Entwicklung.

Die ersten Telegrafiesender erzeugten die elektromagnetischen Schwingungen nach dem Vorbild von Hertz durchweg mit einer Funkenstrecke. Dieses Prinzip verließ man zwar schon bald, aber von damals her heißt diese drahtlose Nachrichtenübertragung noch immer Funktechnik. Die Verbindung zwischen der Nachrichtenquelle (zum Beispiel Sprache des Menschen) und der Nachrichtensenke (zum Beispiel menschliches Ohr) besteht aus der Funkstrecke. Die Funkstrecke soll die Informationen mithilfe elektromagnetischer Wellen übertragen. Deshalb wird hinter die Nachrichtenquelle entsprechend Bild 14-1 ein Sender geschaltet.

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-2: Prinzip des Senders

Dieser hat nicht nur die Aufgabe, die Schallschwingungen in elektrische Schwingungen umzuwandeln (Mikrofon), sondern vielmehr muss er zusätzlich das Frequenzband dieser NF-Signale von 300 bis 3000 Hertz in das Hochfrequenzband umsetzen. Dies geschieht durch die so genannte Modulation.

Der Empfänger hat die Aufgabe, die hochfrequenten elektrischen Schwingungen zunächst wieder in das ursprüngliche niederfrequente Frequenzband zurückzuführen (Demodulation) und dann noch in Schallwellen umzuwandeln (Lautsprecher).

Modulation bedeutet Beeinflussung. In der Funktechnik versteht man unter Modulation die Beeinflussung einer hochfrequenten, elektrischen Schwingung (Trägerschwingung) durch die zu übertragenden Signale (Sprache, Morsezeichen, Fernsehbildsignale und so weiter).

Das modulierte hochfrequente Signal erzeugt man im Sender. Die Modulation soll auf dem Übertragungsweg erhalten bleiben. Im Empfänger wird durch Demodulation die Signalschwingung wieder von der Trägerschwingung getrennt.

Prüfungsfrage:

TD501  Durch Modulation
werden Informationen auf einen oder mehrere Träger übertragen.
werden einem oder mehreren Trägern Informationen entnommen.
werden Sprach- und CW-Signale kombiniert.
werden dem Signal NF-Komponenten entnommen.

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-3: Das Prinzip des Empfängers

 

Sendearten

Die historisch älteste Übertragungsart ist die Morsetelegrafie, bei der mit Hilfe eines von Samuel Morse (1791-1872) festgelegten Kodes Buchstaben, Ziffern und Zeichen übertragen werden. Die Morsetelegrafie hat in den letzten Jahren international an Bedeutung verloren. Jedoch ist dies eine sehr sichere Übertragungsart. Sie wird im Amateurfunk sehr gern für internationale Verbindungen verwendet.

Sprechfunk ist die am häufigsten angewendete Sendeart im Amateurfunk. Da das Tonsignal analoge Informationen enthält, ist der Aufwand auf der Senderseite (Modulation) viel höher als bei der digitalen Informationsübertragung in Morsetelegrafie. Außerdem ist die benötigte Bandbreite erheblich größer und dadurch der Signal-Störabstand geringer. Bei schlechten Ausbreitungsbedingungen ist daher die Reichweite in Telegrafie größer.

Weitere Sendearten sind Fernschreibtelegrafie (RTTY), Faksimile (FAX), Fernsehen (ATV) und Datenübertragung. Bei der Fernschreibtelegrafie (radio teletype) werden ebenfalls wie in Morsetelegrafie (CW) mit Hilfe internationaler Codes Buchstaben, Ziffern oder Zeichen übertragen, die auf einem Sichtgerät (z.B. Fernschreiber, Drucker, Bildschirm) sichtbar gemacht werden.

Faksimile ist eine Bildübertragung, bei der Bildvorlagen zeilenweise abgetastet und nach "schwarz oder weiß" (digital), in Graustufen oder in Farbe (analog oder digital) übertragen werden. Ähnlich funktioniert die Fernsehübertragung (ATV = amateur radio television), bei der mit Hilfe einer Optik Bilder aufgefangen und in Helligkeit und Farbe entsprechende Signale (Videosignal) umgewandelt und dann analog oder digital übertragen werden.

Beispiele
J3E Sprechfunk (E) in Einseitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger (J), analog. Das ist die Modulationsart, die wir im Amateurfunk mit SSB bezeichnen.
A1A ist Morsetelegrafie (CW). Man tastet die Amplitude des Trägers (AM).
F2B ist Funkfernschreiben (RTTY) mit Frequenzumtastung.
F3E ist Sprechfunk in Frequenzmodulation.
C3F ist ATV Amateurfunkfernsehen (Restseitenbandverfahren)

 

Modulationsarten

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF

Bild 14-4: Kenngrößen einer sinusförmigen Wechselspannung

Im Amateurfunk sind zwei grundsätzlich verschiedene Modulationsarten im Einsatz, nämlich die Amplitudenmodulation (mit Trägerunterdrückung und einem Seitenband, SSB) beim Kurzwellenfunkverkehr sowie beim Weitverkehr in den VHF-/UHF-Bändern. Demgegenüber ist die Frequenzmodulation beim lokalen Funkverkehr üblich.

Eine hochfrequente Trägerspannung im Amateurfunk muss sinusförmig sein. Zwei Kennwerte einer sinusförmigen Wechselspannung sind Amplitude mit Spitzen- oder Scheitelwert und Frequenz. Bild 14-4 lässt erkennen, dass die Amplitude die senkrechte Auslenkung des Signals ist.

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-5: a) NF-Signal, b) AM-Signal, c) FM-Signal

Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Diese beiden Größen - Amplitude und Frequenz - lassen sich nun mit Hilfe der Modulation beeinflussen. So entstehen Amplitudenmodulation und Frequenzmodulation.

Bild 14-5 a stellt das vom Mikrofon kommende NF-Signal dar. Entsprechend dieser Spannung ändert sich bei Amplitudenmodulation (AM) die Amplitude des Trägersignals (Bild 14-5 b). Einer positiven NF-Spannung entspricht eine große Amplitude der HF-Spannung und der negativen NF-Spannung entspricht eine geringere Amplitude der HF. NF-Spannung Null entspricht dem Mittelwert.

Bei Frequenzmodulation FM (Bild 14-5 c) bleibt die Amplitude gleich, nur die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit (die Frequenz) ändert sich. Und zwar entspricht hier eine positive NF-Spannung einer hohen Frequenz, eine negative NF-Spannung einer niedrigen Frequenz und keine NF-Spannung der mittleren Frequenz, der Trägerfrequenz.

Bei analoger Signalübertragung folgt die modulierte Spannung genau der Kurvenform des NF-Signals. Es gibt jeden Zwischenwert zwischen Null und dem Maximalwert. Bei digitaler Signalübertragung gibt es nur eine begrenzte Zahl von Zwischenwerten. Unter Umständen genügen zwei Werte, zum Beispiel groß - klein, hoch - niedrig (high - low), ein - aus, 1 - 0 und so weiter. Dementsprechend ist bei digitaler Informationsübertragungmit zwei Werten bei AM die Amplitude groß oder klein (eventuell null) oder bei FM die Frequenz hoch oder niedrig.

Prüfungsfrage:

TD502  Welche Aussage zur Frequenzmodulation ist richtig? Durch das Informationssignal
wird die Amplitude des Trägers beeinflusst. Die Frequenz bleibt konstant.
werden die Frequenz und die Amplitude des Trägers beeinflusst.
findet keinerlei Beeinflussung von Trägerfrequenz oder Trägeramplitude statt. Die Information steuert nur die Kapazität des Oszillators.
wird die Frequenz des Trägers beeinflusst. Die Amplitude bleibt konstant.

 

Amplitudenmodulation

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-6: Lautstärke bei AM

Amplitudenmodulation selbst wird im Amateurfunk nicht mehr verwendet, nur noch im Rundfunk auf Langwelle, Mittelwelle und Kurzwelle. Um die im Amateurfunk verwendete Modulationsart SSB besser zu verstehen, soll zunächst die Amplitudenmodulation erläutert werden. Das zu übertragende Tonsignal hat die Kennzeichen: Lautstärke und Tonfrequenz. Die Lautstärke entspricht der Spannung der Tonschwingung.

Ein leiser Ton ergibt eine geringe Änderung der Amplitude, ein lauter Ton eine starke Amplitudenänderung (Bild 14-6). Die zu übertragende Tonhöhe wirkt sich folgendermaßen aus. Bei schnellen Schwingungen eines hohen Tones wird die Amplitude des Trägers häufiger verändert als bei einem tiefen Ton.

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-7: Tonhöhe bei AM

 

Der Modulationsgrad

 


Bild 14-8: Modulationsgrad

Unter Modulationsgrad versteht man das Verhältnis der Amplitude der NF-Schwingung zur Amplitude der unmodulierten Trägerschwingung, meist in Prozent ausgedrückt. In der Formelsammlung der BNetzA lautet die Formel

Formel 6

Aus Bild 14-8 soll der Modulationsgrad in Prozent ermittelt werden. Zur Lösung wurde in der Mitte eine Nulllinie eingezeichnet. Dann wurde eine Mittellinie des oberen Teils der Modulationshüllkurve eingezeichnet. Hieraus kann man nun sehr gut Ûmod und ÛT ablesen und den Modulationsgrad berechnen. Ich lese für Ûmod eine Einheit, also 3 Volt ab und für ÛT zwei Einheiten, also 6 Volt. 3 geteilt durch 6 ist 0,5 oder 50%.

Hinweis: Sie brauchen eigentlich gar nicht erst in wirkliche Spannungen umzurechnen, da sich die Einheiten beim Teilen herauskürzen. Sie könnten einfach die abgelesenen Teileinheiten durcheinander teilen, also 1 geteilt durch 2 = 0,5 oder 50%.

Prüfungsfrage:

TE103  Das folgende Oszillogramm zeigt ein AM-Signal.

Der Modulationsgrad beträgt hier zirka

    50 %.
    33 %.
    67 %.
    75 %.

Berechnung: Sie können die Werte einfach in Einheiten ablesen und dann durcheinander teilen und brauchen nicht erst in wirkliche Spannungen umzurechnen. Zeichnen Sie bitte zunächst, wie in Bild 14-8, die Mittellinie ein.

Hier: Der Mittelwert der Trägerspannung hat 2 Kästchen. Der Spitzenwert der Signalspannung hat 1 Kästchen. 1 : 2 = 0,5 oder 50%.

Prüfungsfrage:

TE104  Das folgende Oszillogramm zeigt ein AM-Signal.

Der Modulationsgrad beträgt hier zirka

   45 %.
    55 %.
    33 %.
    75 %.

Hier: Diese Mittellinie ist von der Nulllinie 1,5 Einheiten hoch. Der Scheitelwert der Modulationsspannung hat ungefähr 0,6 bis 0,7 Einheiten.

Durcheinander geteilt ergibt sich ein Modulationsgrad von 0,4 bis 0,47.

Prüfungsfrage:

TE105  Das folgende Oszillogramm zeigt ein typisches Zweiton-SSB-Testsignal. Bestimmen Sie den Modulationsgrad!

Der Modulationsgrad beträgt hier zirka

    100 %.
    0 %.
    50 %.
    Man kann keinen Modulationsgrad bestimmen, da es keinen Träger gibt.

Kommentar: SSB arbeitet mit Trägerunterdrückung (kein Träger).

 

Wird der Modulationsgrad eines AM-Senders auf über 100% erhöht, entstehen Verzerrungen auf der Empfangsseite. Außerdem erhöht sich die Bandbreite des Senders übermäßig, was zu Störungen auf den Nachbarfrequenzen führt, die man „Splatter“ nennt.

 

Das Frequenzspektrum


Bild 14-9: Ein Niederfrequenzspektrum

Um die Bandbreite des Hochfrequenzsignals darzustellen, müssen wir zunächst klären, was Seitenfrequenzen sind und was ein Frequenzspektrum ist.

Ein typisches Niederfrequenzsignal, zum Beispiel ein gesprochener Vokal „a“, könnte aus den Frequenzen 300, 1000, 1300, 1500, 2000, 2500, 2700 Hz mit unterschiedlichen Amplituden bestehen. Bild 14-9 zeigt die in dem gesprochenen Vokal enthaltenen Frequenzen. Man nennt dies ein Frequenzspektrum, hier das Niederfrequenzspektrum.

Bei jeder Modulation entstehen am Ausgang außer den Originalfrequenzen 3700 kHz und der NF-Frequenzen auch die Summen und die Differenzen der Frequenzen, die man miteinander moduliert. Wird beispielsweise die Trägerfrequenz 3700 kHz mit dem Niederfrequenzfrequenzsignal aus dem Beispiel (Bild 14-9) moduliert, so entstehen als Summen 3700,3 kHz, 3701 kHz, 3701,3 kHz, 3701,5 kHz, 3702 kHz, 3702,5 kHz und 3702,7 kHz. Außerdem als Differenzen die Frequenzen 3699,7 kHz, 3699 kHz, 3698,7 kHz, 3698,5 kHz, 3698 kHz, 3697,5 kHz und 3697,3 kHz.

Filtert man die Niederfrequenzen aus und zeichnet dann die übrig gebliebenen Hochfrequenzen in ein Diagramm, erhält man das Frequenzspektrum eines AM-Signals (Bild 14-10).

 

Bandbreite bei AM

 


Bild 14-10: AM-Spektrum

Man nennt die Summenfrequenzen auch obere Seitenfrequenzen und die Differenzfrequenzen untere Seitenfrequenzen. Fasst man die Frequenzen eines Bereichs zusammen, nennt man die Summe auch oberes Seitenband (upper side band USB) und die Differenzen unteres Seitenband (lower side band LSB).

Die Bandbreite des Hochfrequenzsignal ist der Unterschied von der höchsten bis zur niedrigsten Frequenz eines Signals. In unserem Fall wäre es der Unterschied von 3702,7 kHz und 3697,3 kHz, also 5,4 kHz.

Die Bandbreite kann man auch mit einer Formel beschreiben. Kennt man die höchste auftretende Niederfrequenz fNFmax, dann kann man als Formel für die Bandbreite b eines AM-Signals schreiben

bAM = 2 · fNF max.

Beispiel:

Wie groß ist die Bandbreite eines AM-Signals, das mit folgenden Frequenzen moduliert ist: 300, 1000, 1300, 1500, 2000, 2500, 2700 Hz.

Lösung:

bAM = 2 · fNF max. = 2 · 2700 Hz = 5400 Hz oder 5,4 kHz.

Hierzu gibt es eine Prüfungsfrage erst in Klasse A.

 

Leistungen bei AM

Nun sollen die Leistungen von Träger und Seitenfrequenzen eines 100% modulierten AM-Signals berechnet werden, um die Leistungsersparnis bei SSB zu begründen. Bei 100% Modulationsgrad sind Trägerspannung und Modulationsspannung gleich. Wenn die Gesamtspannung 100 V beträgt, fallen 50 V auf den Träger und zweimal 25 Volt gleich 50 Volt auf die beiden Seitenfrequenzen. Nehmen wir an, diese Spannungen wurden an einem Widerstand von 50 Ω gemessen.

Zeichnung:Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-11: A: Spannungen und B: Leistungen bei AM mit einem Modulationsgrad von 100%

Aufgabe

Die im Bild 14-11 A angegebenen Spannungswerte sollen Effektivwerte sein. Berechnen Sie die Leistung von Träger und den Seitenfrequenzen. Berechnen Sie die Gesamtleistung.

Träger: I = 50 V / 50 Ω = 1 A,    P = 50 V · 1 A = 50 W

Seiten:  I = 25 V / 50 Ω = 0,5 A,     P = 25 V · 0,5 A = 12,5 W

Gesamt: P = 50 W + 12,5 W + 12,5 W = 75 W

Von den insgesamt 75 Watt entfallen nur 12,5 Watt auf das Seitenband. Das sind nur 12,5 / 75 = 1/6 der Gesamtleistung. 5/6 der Leistung könnte eingespart werden, wenn beim Senden der Träger und ein Seitenband unterdrückt werden.

 

Trägerunterdrückung (DSB)

Tatsächlich ist es möglich, den Träger auf der Senderseite zu unterdrücken, um viel Sendeleistung zu sparen und den fehlenden Träger auf der Empfängerseite wieder hinzu zu setzen. Dies erfordert allerdings einen höheren Aufwand im Empfänger.

„Wieso kann man den Träger unterdrücken, wenn man diesen doch extra erzeugt, um ein Hochfrequenzsignal zu haben, welches von einer Antenne abgestrahlt werden soll?“, werden Sie fragen.

Moduliert man beispielsweise einen Träger von 3700 kHz mit einer Frequenz von 1 kHz, so erhält man außer der Trägerfrequenz noch die Seitenfrequenzen 3699 kHz und 3701 kHz. Das bedeutet: Die Seitenfrequenzen liegen bereits im Hochfrequenzbereich. Auch wenn man nun den Träger unterdrückt, kann eine Frequenz von 3699 kHz (unteres Seitenband LSB) oder 3701 kHz (oberes Seitenband USB) von einer Antenne abgestrahlt werden.


Bild 14-12: Typisches Spektrum eines DSB-Signals

Die durch Trägerunterdrückung entstandene Modulation nennt man Doppelseitenband-Modulation DSB. Das DSB-Signal als Frequenzspektrum ist im obigen Bild dargestellt. DSB hat folgenden Vorteil gegenüber AM: Wenn gerade nicht gesprochen (moduliert) wird, ist kein Träger vorhanden, also auch keine Leistung notwendig. Spricht man leise, benötigt man wenig Leistung. Man spart also viel Senderleistung, aber die Bandbreite des Signals ist gleich geblieben.

 

Einseitenbandmodulation SSB (J3E)

Der Frequenzraum ist wertvoll. Deshalb ist es sehr wichtig, die Bandbreite der Aussendung möglichst gering zu halten. Da in beiden Seitenbändern die gleiche Information steckt, kann man das eine Seitenband auch noch unterdrücken. Diese Modulationsart heißt dann Einseitenbandmodulation SSB (single side band). Wenn man beispielsweise das untere Seitenband unterdrückt, erhält man das in Bild 14-12 dargestellte Frequenzspektrum für das übrig bleibende Seitenband (USB). Diese Modulation (Bezeichnung J3E) wird im Amateurfunk angewendet. Zweiseitenbandmodulation ist im Amateurfunk nicht zugelassen.

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-13: Erzeugung von SSB nach der Filtermethode

 

Nach der Filtermethode wird SSB folgendermaßen erzeugt. Der Trägeroszillator (A) in Bild 14-13 erzeugt die HF. Diese wird mit der NF (B) in einem Ringmodulator moduliert. Es entsteht ein Zweiseitenbandsignal mit Trägerunterdrückung (DSB). Dieses wird über das Filter (D) geschickt und nur noch ein Seitenband durchgelassen.
Es ist im Prinzip gleich, welches der beiden Seitenbänder verwendet wird. Aus historischen Gründen hat sich im Amateurfunk herausgebildet, dass bei Frequenzen unter 10 MHz das untere Seitenband LSB (lower side band) und bei Frequenzen ab 10 MHz aufwärts das obere Seitenband USB (upper side band) verwendet wird. Also auf 160 m, 80 m und 40 m verwendet man LSB und auf allen anderen Bändern USB.


Bild 14-14: SSB-Modulation (Beispiel: LSB)

Die Bandbreite bei SSB ergibt sich aus der Differenz der höchsten und der niedrigsten vorkommenden Frequenz (Bild 14-14).

bSSB = fNF max - fNF min

Da fNFmin relativ gering ist gegenüber fNFmax,gilt

bSSB = fNF max

Die Bandbreite eines SSB-Signals ist identisch mit der Bandbreite des NF-Signals, also etwas geringer als die Hälfte der Bandbreite von AM.

Prüfungsfrage:

TE101  Wie unterscheidet sich SSB (J3E) von normaler AM (A3E) in Bezug auf die Bandbreite?
Die Sendeart J3E beansprucht etwas mehr als die halbe Bandbreite der Sendeart A3E.
Die Sendeart J3E beansprucht etwa 1/4 Bandbreite der Sendeart A3E.
Die unterschiedlichen Sendearten lassen keinen Vergleich zu, da sie grundverschieden erzeugt werden.
Die Sendeart J3E beansprucht weniger als die halbe Bandbreite der Sendeart A3E.

 

 

Demodulation von SSB

Zur SSB-Demodulation gibt es keine Prüfungsfrage in Klasse E. Das Kapitel wird deshalb erst im Aufbaulehrgang Klasse A behandelt.

 

Frequenzmodulation

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-15: Vergleich AM - FM

 

Im VHF- und im UHF-Bereich des Amateurfunks werden für den Mobilbetrieb, für den lokalen Funkverkehr sowie bei Packet-Radio die Frequenzmodulation (FM oder F3E) angewendet.

Bei Frequenzmodulation ändert sich nicht die Amplitude des Trägers in Abhängig­keit des Modulationssignals, sondern es wird die ausgestrahlte Frequenz im Rhythmus der Niederfrequenz beeinflusst (Bild 14-15c). Moduliert man beispielsweise mit 100 Hz, so schwankt die Trägerfrequenz hundertmal pro Sekunde hin und her. Bei 1000 Hz Modulationsfrequenz ist die Frequenzänderung entsprechend tausendmal in der Sekunde.

Außerdem ist die NF-Lautstärke nicht von der Signalstärke abhängig, was besonders bei den schwankenden Feldstärken bei Mobilbetrieb von Vorteil ist. In folgendem Bild (Bild 14-16) soll erläutert werden, wie der Zusammenhang zwischen Niederfrequenz-Lautstärke (NF) und dem „Hub“ bei Frequenzmodulation ist. Der Hub ist die Auslenkung (Abweichung) von der Träger­frequenz. Sie wissen ja: Bei FM ändert sich die Frequenz in Abhängigkeit von der NF.

 

Hub bei FM

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-16: F3E: Der Hub ist von der NF-Lautstärke abhängig

Wird ein leiser Ton übertragen (geringe NF-Amplitude), ändert sich die Hochfrequenz nur geringfügig. Der Hub ist gering. Ein lauter Ton (große NF-Amplitude) bewirkt dagegen eine starke Frequenzänderung.

Bei FM bezeichnet man den größten Frequenzabstand von der Trägermittenfrequenz mit Frequenzhub Δf (Δ = delta). Der Frequenzhub entspricht der Amplitude des NF-Signals, also der NF-Lautstärke (Bild 14-16). Großer Hub – große Lautstärke.

Im Amateurfunk wird als höchster Frequenzhub 3 kHz verwendet. Im UKW-Rundfunk dagegen verwendet man einen Frequenzhub von 75 kHz. Wegen des geringen Frequenzhubs beim Amateurfunk bezeichnet man diese Art der Frequenzmodulation auch als NBFM (narrow band FM, Schmalband-FM).

 

Prüfungsfrage:

TE201  Wodurch wird bei Frequenzmodulation die Lautstärke-Information übertragen? Durch die ...
Größe der der Amplitude des HF-Signals.
Geschwindigkeit der Trägerauslenkung.
Änderung der Geschwindigkeit des Frequenzhubes.
Größe der Trägerauslenkung von der Mittenfrequenz.

Kommentare: A ist falsch. Das wäre AM. B ist falsch, weil es nicht die Geschwindigkeit sondern die Amplitude ist. Bei C ist die "Geschwindigkeit" falsch. D ist richtig, denn die Größe der Trägerauslenkung ist der Hub und dieser entspricht der Lautstärke.

Prüfungsfrage:

TD502 Welche Aussage zum Frequenzmodulator ist richtig? Durch das Informationssignal ...
wird die Amplitude des Trägers beeinflusst. Die Frequenz bleibt konstant.
werden die Frequenz und die Amplitude des Trägers beeinflusst.
findet keinerlei Beeinflussung von Trägerfrequenz oder Trägeramplitude statt. Die Information steuert nur die Kapazität des Oszillators.
wird die Frequenz des Trägers beeinflusst. Die Amplitude bleibt konstant.

 

 

Bandbreite bei FM

Bei jeder Modulation - auch bei FM - erscheinen neben den eigentlichen Trägerfrequenzen und den durch den Hub bedingten Frequenzänderungen noch die Seitenfrequenzen aus Träger plus NF und Träger minus NF. Wenn man, wie im Amateurfunk üblich, einen relativ geringen Hub verwendet, der nicht größer ist, als die höchste vorkommende Niederfrequenz, kann man die Bandbreite folgendermaßen berechnen.

bFM = 2 · (Δf + fNFmax)

Beispiel
Wie groß ist nach obiger Formel die Bandbreite eines FM-Amateurfunksenders? Im Amateurfunk wird als Hub 3 kHz verwendet und auch die höchste Niederfrequenz soll 3 kHz nicht überschreiten.

bFM = 2 · (3 kHz + 3 kHz) = 12 kHz

Amateurfunkstationen, bei denen eine zu hohe NF-Lautstärke am Modulator eingestellt ist oder die einen höheren Frequenzbereich als bis 3 kHz übertragen, haben eine größere Bandbreite. Dies äußert sich häufig in Verzerrungen auf der Empfängerseite oder in Störungen in Nachbarkanal-Frequenzbereichen.

Deshalb muss auch bei FM die NF-Bandbreite vor der Modulationsstufe mit einem Bandpassfilter auf zirka 3 kHz begrenzt werden, damit die HF-Bandbreite nicht zu groß wird.

 

Vorteil von FM

Zeichnung: Eckart Moltrecht, DJ4UF
Bild 14-22: FM-Signal mit Störungen

Funkenstörungen, die von elektrostatischen Einflüssen herrühren (Gewitter, Zündfunken), wirken sich als eine Amplitudenänderung auf dem Hochfrequenzsignal aus (Bild 14-22). Bei Amplitudenmodulation würden sich diese Störungen als Knacken bei Empfang auswirken.

Weil aber bei FM die Information nicht in der Amplitude steckt, begrenzt man das HF-Signal bei Empfang (Bild 14-23). Es wird sowieso nur die Frequenzänderung ausgewertet und diese verändert sich durch die Störung nicht. Also kann man diese Impulse nicht mehr hören. Dies ist der Hauptvorteil von FM gegenüber AM oder SSB.


Bild 14-23: Begrenzung bei FM

 

Prüfungsfrage:

TE102  Welches der nachfolgenden Modulationsverfahren hat die geringste Störanfälligkeit bei Funkanlagen in Kraftfahrzeugen? 
SSB
DSB
AM
FM

Hinweis: Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren entstehen durch den Zündfunken Impulsstörungen, die bei FM durch Begrenzung beseitigt werden können. Für SSB ist ein aufwändiges Störunterdrückungsverfahren nötig (noise blanker), das im Amateurfunklehrgang für die Klasse A genauer beschrieben wird.

Prüfungsfrage:

TE202 FM hat gegenüber SSB den Vorteil der 
geringen Anforderungen an die Bandbreite.
größeren Entfernungsüberbrückung.
geringeren Beeinflussung durch Störquellen.
besseren Kreisgüte.

 

Nachteile von FM

Der Hauptnachteil von FM ist die notwendige Bandbreite. Bei gleicher höchster Modulationsfrequenz von zirka 3 kHz beträgt die Bandbreite bei SSB etwa 3 kHz und bei FM zirka 12 kHz. Man könnte also im gleichen Frequenzbereich bei SSB viermal so viele Funkstrecken realisieren wie bei FM. Deshalb wird FM bevorzugt im sehr breiten VHF-, UHF oder SHF-Bereich angewendet. Auch im 10-m-Band wird FM gemacht.

Ein weiterer Nachteil von FM gegenüber SSB ist, dass man nur die stärkste Station hören kann. Eine Mobilstation mit einem schwachen Signal kann sich deshalb schlecht bemerkbar machen, wenn bei einem Funkgespräch zwischen zwei Feststationen keine Umschaltpause gelassen wird.



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Copyright Eckart K. W. Moltrecht Copyright-Hinweis: Dieser DARC-Online-Lehrgang wurde mit freundlicher Genehmigung des Autors Eckart K. W. Moltrecht aus der Korrekturversion seines Buches "Amateurfunk-Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis Klasse E TECHNIK" aus dem VTH-Verlag für das Internet umgewandelt. Das Copyright liegt beim Autor und beim Verlag. Die Darstellung auch nur von Auszügen oder Zeichnungen oder Fotos im Internet ist untersagt. Für die private Verwendung können Sie gern eine Genehmigung beim Autor erhalten. Schreiben Sie ein E-Mail an dj4uf(at)darc.de!

Letzte Bearbeitung: 10.2.2014 DK2DQ, 18.04.2015 DJ4UF
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