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Frequenzstabilisierung von Sendern und Empfängern - Wie ging das ohne PLL?

Startbeitrag von Kay B am 31.05.2009 21:43

Heute findet sich ja in jeden noch so billigen Radio eine PLL-Schaltung zur Steuerung und Stabilisierung der Empfangsfrequenz.

Bei Sendeanlagen, gerade im Rundfunkbereich, ist es ja sowieso Pflicht, daß die Sendefrequenz genau eingehalten wird, was mit einer PLL-Schaltung ja auch kein Problem ist. Wie hat man aber vor 40, 50, 60 Jahren oder gar früher bei Sendeanlagen dafür gesorgt, daß die Sendefrequenz genau eingehalten wurde? Ist da die Ausgangsfrequenz temperatur- und luftfeuchtigkeitsbedingt stärker getriftet als bei heutigen Sendeanlagen?

Wie weit darf zum Beispiel ein UKW-Rundfunksender von seiner ihm zugewiesenen Frequenz abweichen? Auf's Hz genau die Frequenz zu treffen dürfte doch kaum möglich sein. Demnach müßte es ja einen Spielraum zumindest im unteren kHz-Bereich geben.

Antworten:

Ganz einfach. Quarz. Bei AM-Sendern ist der Quarz direkt die Sendefrequenz,
wenn eine größere Anzahl an Frequenzen benötigt werden, dann können mittels
Frequenzsynthese (Mischen mehrerer Quarzfrequenzen und filtern) diese Frequenzen erzeugt
werden. Bei FM-UKW-Sendern wird die Quarzfrequenz vervielfacht, um so auf den
notwendigen Hub zu kommen, etwas was auch bei UKW-Funkgeräten gemacht wurde.
Vor dem 2. Weltkrieg, als man noch keine Quarze herstellen konnte, dürften freilaufende
Oszillatoren zur Anwendung gekommen sein. Auch freilaufende Oszillatoren können
eine recht hohe Stabilität erzielen, Schaltungstechnik, Bauteilqualität und der mechanische
Aufbau sind hier entscheidend.
Die heutigen Anforderungen an die Frequenzgenauigkeit sind mit Uralt-Sendern nicht mehr
erzielbar, wenige Hertz auf LW/MW/KW (afaik 10Hz), wenige kHz auf UKW (2kHz),
es ist nicht ungewöhnlich, daß ein Rundfunksender an einer Rubidium-Quelle angebunden wird,
der Sender taugt dann als Normalfrequenzquelle (Droitwich 198kHz, Allouis 162kHz).
Die Abweichung ist geringer als 1*10^-11. Allouis hängt sogar an einer Atomuhr und
überträgt gleichzeitig neben dem Radioprogramm einen DCF-77-kompatiblen Zeitcode.



von Nohab - am 31.05.2009 22:10
[OT]Mit Schraubzwingen?[OT]
Bößer Insider, bitte weiter mit qualifizierten Einträgen :D

von Staumelder - am 01.06.2009 09:21
Zitat

Bei FM-UKW-Sendern wird die Quarzfrequenz vervielfacht, um so auf den
notwendigen Hub zu kommen, ...

Das hat(te) noch einen zweiten Grund (in der Sender-Technik): Durch die Frequenzvervielfachung (meist Verdoppelung pro Stufe) ergibt sich eine viel geringere Rückwirkung in einer Verstärkerstufe (Vermeidung ungewollter Rückkopplung). Das spielt(e) selbst auf KW eine Rolle.

Es muss aber auch hervorgehoben werden, dass mit der Einführung der PLL-Technik beim Empfängerbau (in den AM-Bereichen) der Vorteil der Ferquenzstabilität mit "digitalen Hintergrundgeräuschen" bezahlt wurde. Tonsauberkeit und Präsenz wie etwa bei einem NordMende Globetrotter oder alten GUNDIG Satellit wurden bei weitem nie mehr erreicht. Dabei spielen auch noch zusätzliche Gründe mit.

von audion - am 01.06.2009 10:11
auch PLL Schaltungen brauchen, um eine Phase halten zu können, erst mal eine Referenzfrequenz; in der Regel ist das ein Quarzoszillator; eine mit PLL erzeugte Frequenz hat daher die gleiche relative " Un " genauigkeit wie ein Quarzoszillator. Temperatureinflüsse versucht man durch Einbau in Thermostate und Betrieb bei hoher Temperatur gering zu halten. Langzeitdrift ist ein zusätzlicher Effekt.
Noch stabilere Referenzen als Quarzthermostatoszillatoren sind Cäsium- oder Rubidium-Frequenznormale.
Neueste und stabilste Möglichkeit ist, die Signale der GPS Satelliten als Steuerung für ein Frequenznormal zu verwenden ( und damit deren Cäsium-/Rubidium Uhren " anzuzapfen " ) und daraus die gewünschten Frequenzen abzuleiten.
Ich verwende so ein System und kann damit Frequenzen auf einige mHz genau bestimmen.
Sehr hilfreich auch zur Senderidentifikation, da nicht alle auf Nominalfrequenz liegen, sondern spezifische Abweichungen haben, an denen sie dann zu erkennen sind.

von Werner53 - am 01.06.2009 11:09
Zitat
Staumelder
[OT]Mit Schraubzwingen?[OT]
Bößer Insider, bitte weiter mit qualifizierten Einträgen :D

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Etwas OT: Es soll Empfänger mit sogenannten ,,Feststellschrauben,, für die eingestellte Frequenz geben.;)

von Robert S. - am 01.06.2009 13:26
Zitat
-faro-
Zitat

Bei FM-UKW-Sendern wird die Quarzfrequenz vervielfacht, um so auf den
notwendigen Hub zu kommen, ...

Es muss aber auch hervorgehoben werden, dass mit der Einführung der PLL-Technik beim Empfängerbau (in den AM-Bereichen) der Vorteil der Ferquenzstabilität mit "digitalen Hintergrundgeräuschen" bezahlt wurde. Tonsauberkeit und Präsenz wie etwa bei einem NordMende Globetrotter oder alten GUNDIG Satellit wurden bei weitem nie mehr erreicht. Dabei spielen auch noch zusätzliche Gründe mit.

Ich würde es mal vor allem auf die "zusätzlichen Gründe" schieben. Gerade die AGC-Auslegung spielt hier eine zentrale Rolle, ebenso die Verteilung der Verstärkung und die NF-Aufbereitung. Natürlich sollte auch die Versorgungsspannung des VCOs gut stabilisiert sein, um Amplitudenmodulation desselben zu vermeiden. Wie stark sich AM-Rauschen auswirkt, hängt von den verwendeten Mischertypen ab.

Entgegen gängiger Meinung ist das Phasenrauschen der LOs bei AM in Bezug auf den Rauschhintergrund praktisch irrelevant, da PM/FM und AM orthogonal sind. (Effektive Trennschärfe ist 'ne andere Baustelle. Und DRM mit OFDM sieht das auch anders. Ist auch in Sachen Linearität der ZF-Stufen empfindlicher - Beispiel.) Hat sich schon mal wer beschwert, daß ein DE1103 auf den hohen Bändern in AM sehr räuschig sei? I don't think so. In DRM ist mit dem da oben allerdings nicht mehr viel anzufangen...

Ich meine übrigens hier (englisch) alle wesentlichen Frequenzsyntheseverfahren für Kurzwellengeräte zusammengetragen zu haben, von schnöden LC-Oszillatoren über Premixing, Halbsynthesizer bis zu PLL und DDS-PLL.

von Stephan Großklaß - am 01.06.2009 14:58
Die erste Rundfunkstation mit einem Sender mit quarzstablisiertem Oszillator war übrigens WEAF in New York 1926. In Europa baute 1928 die Firma Morconi in England den ersten Sender mit Quarzoszillator für Linz (500 Watt, 1200 kHz, Inbetriebnahme 24.6.1928).

Noch was Historisches zum Gleichwellenbetrieb:
Durch die Erhöhung der Sendeleistungen war es schon zu Beginn der 1930er Jahre (erste Versuche 1927) notwendig, benachbarte Sendestationen, die die gleiche Trägerfrequenz benützten, im sogenannten "Gleichwellenbetrieb" zu synchronisieren, um Interferenzen (insbesondere Schwebungen) im Verwirrungsgebiet zu vermeiden. Die ersten Steuerton-Anlagen besaßen eine in einem Thermostaten schwingende Stimmgabel (Frequenz etwa 2 kHz), die über Kabel zu den Nebensendern geleitet wurde und dort über Filter und Vervielfacherstufen auf die Trägerfrequenz vervielfacht wurde. Obwohl das System eine Gleichlaufgenauigkeit von 10-9 lieferte, traten störende Phasenmodulationen auf. Das System hielt sich trotzdem bis 1936. Da bei Ausfall der Steuerleitung der Nebensender trotzdem noch betriebsbereit sein sollte, wurden Verfahren entwickelt, mit möglichst genauen Quarzen als Sendenormal und einem Phasenvergleich im niederfrequenten Steuerton (Telefunken) oder im auf Sendefrequenz verfielfachten Steuerton (Lorenz) mittels motorversteilbaren Kondensatoren parallel zu den Quarzen die Trägerfrequenzen zu synchronisieren. Man erreichte damit Genauigkeiten bis 10-10
(Quelle: Technikhistorische Dokumentation des Technischen Museums Wien zum Sender Dobl bei Graz)


von Wasat - am 01.06.2009 16:45
Zitat
Stephan Großklaß
Entgegen gängiger Meinung ist das Phasenrauschen der LOs bei AM in Bezug auf den Rauschhintergrund praktisch irrelevant, da PM/FM und AM orthogonal sind. (Effektive Trennschärfe ist 'ne andere Baustelle. Und DRM mit OFDM sieht das auch anders. Ist auch in Sachen Linearität der ZF-Stufen empfindlicher - Beispiel.)

Leider ist das Rauschen relevant, denn es entstehen Rauschseitenbänder, die sich mit
starken Signalen in der Nachbarschaft mischen und dann in den Durchlaßbereich der
ZF fallen. Hohes Phasenrauschen reduziert die erzielbare Dynamik deutlich. Bei DRM ist es
noch problematischer, hohes Phasenrauschen verhindert zuverlässig die Decodierung.




von Nohab - am 01.06.2009 19:36
Zitat
Nohab
Leider ist das Rauschen relevant, denn es entstehen Rauschseitenbänder, die sich mit
starken Signalen in der Nachbarschaft mischen und dann in den Durchlaßbereich der
ZF fallen.

Das meinte ich mit "effektive Trennschärfe". Hat man allerdings in AM auf den einzigen AM-Sender in der näheren Umgebung abgestimmt, sollte es sich nicht auswirken. 31m am Abend sieht anders aus, klar. So mancher Portable wird vermutlich nur durch die zu höheren Frequenzen abfallende Senderdichte gerettet (so daß das obenrum ansteigende Phasenrauschen nicht weiter auffällt).
Zitat

Hohes Phasenrauschen reduziert die erzielbare Dynamik deutlich.

Beim YB400 soll es ja mal in der Hinsicht eine ziemliche Serienstreuung gegeben haben. Bei einem schlechten Exemplar hat dann ein starker MW-Sender die ganze nähere Umgebung dichtgemacht... (Das gleiche Phänomen fand sich dann später beim Thema DRM wieder, so daß ein entsprechender Mod wohl einem Glücksspiel gleichkommt und damit davon abgeraten wurde.)
Der NASA HF-4E war wohl auch keine große Leuchte in Sachen Phasenrauschen.

von Stephan Großklaß - am 01.06.2009 22:19
Wie hoch ist der Aufwand um das Phasenrauschen zu filtern oder gar zu unterdrücken ?

von _Yoshi_ - am 02.06.2009 06:55
Der Aufwand ist nicht genau abzuschätzen, sprengt aber den Preisrahmen von üblichen Portabel-
Geräten deutlich. Schaut man sich den Schaltplan des YB400 oder auch des DE1103 an,
( Beide Geräte sind DRM-untauglich ), so stellt man fest, daß 1. ein VCO den gesamten
Empfangsbereich überstreicht, gleichzeitig aber um den PLL erträglich schnell einrasten zu lassen,
die Steuerspannung nur gering gefiltert wird. Durch den großen Abstimmbereich schlagen kleinste
Störsignale auf der Steuerspannung voll auf das Ausgangssignal durch, gleichzeitig sorgt die
geringe Filterung der Steuerspannung dafür, daß eben Störsignale draufliegen. Das Resultat:
Zitat

Beim YB400 soll es ja mal in der Hinsicht eine ziemliche Serienstreuung gegeben haben.
Bei einem schlechten Exemplar hat dann ein starker MW-Sender die ganze nähere Umgebung
dichtgemacht...


Bei Stationsgeräten löste man das Problem, in dem der Abstimmbereich auf 4 - 6 VCOs aufgeteilt hat,
diese durch aufwendige Pufferung vom Mischer isoliert hat und beim Schleifenfilter erheblich mehr
Aufwand getrieben hat. Heute ist das alles kein Thema mehr, ein gut designter DDS ist einer
komplizierten PLL-Konstruktion überlegen, weswegen das mittlerweile als Stand der Technik
angesehen werden kann. Die Alternative, ein freilaufender VFO ist in der Großserie aufgrund des
konstruktiven Aufwands, speziell in Bezug auf Voralterung der Bauteile und der entsprechenden
Temperaturkompensation absolut nicht realisierbar, das könnte keiner bezahlen.


von Nohab - am 02.06.2009 07:38
@ Nohab

Zitat

Bei AM-Sendern ist der Quarz direkt die Sendefrequenz, wenn eine größere Anzahl an Frequenzen benötigt werden, dann können mittels Frequenzsynthese (Mischen mehrerer Quarzfrequenzen und filtern) diese Frequenzen erzeugt werden.


Heißt das, daß es Quarze für z.B. 1143 kHz gibt, die also direkt in unser europäisches 9-kHz-Mittelwellenraster passen? Kann man die irgendwo kaufen oder werden die direkt für einen Sender angefertigt?


von Kay B - am 02.06.2009 23:57
Die wurden angefertigt.
Du kannst dir jeden Quarz zwischen 100kHz und 200MHz für ca. 20 Euronen das Stück auf deiner
Wunschfrequenz anfertigen lassen, Lieferzeit ca. 4 - 8 Wochen. Die lange Lieferzeit hat schlicht
den Grund, daß der Quarz künstlich vorgealtert wird, damit er im Betrieb die Frequenz hält.
Aber ansonsten ist das kein Problem.

Zwei Quellen:
http://www.andyquarz.de/
http://www.giga-tech.de/

Moderne Sender sind üblicherweise programmierbar, Frequenzwechsel geht da ohne Quarzwechsel.


von Nohab - am 03.06.2009 07:08
//quote//
Moderne Sender sind üblicherweise programmierbar, Frequenzwechsel geht da ohne Quarzwechsel.
//unquote//

nachzuweisen z.B. beim Sender Kvitsoy in Norwegen ( von der DW für DRM Ausstrahlungen verwendet ), bei dem der Referenzquarz stabil 1,8 ppm neben der Nominalfrequenz liegt, so dass bei Ausstrahlungen im 49m Band die Abweichung ca. 11 Hz und bei Sendungen im 31 m Band bei ca. 18 Hz liegt.

von Werner53 - am 03.06.2009 12:09
Zitat
Nohab
Bei Stationsgeräten löste man das Problem, in dem der Abstimmbereich auf 4 - 6 VCOs aufgeteilt hat,
diese durch aufwendige Pufferung vom Mischer isoliert hat und beim Schleifenfilter erheblich mehr
Aufwand getrieben hat.

Kannst du mal ein Beispiel nennen, wo wirklich mehrere VCOs vorhanden waren? Ich kenne das eigentlich nur von Geräten mit eher niedriger 1. ZF, bei denen das schon der Abdeckung des gesamten Frequenzbereichs wegen nötig war.
Daß die Reduzierung des Abstimmbereichs (Extremfall: VCXO) eine Möglichkeit zur Verringerung des VCO-Phasenrauschens ist, ist klar. Ob das wirklich was bringt, ist eine andere Frage - man verliert ja gleichzeitig VCO-Gewinn und muß damit evtl. die PLL langsamer fahren (damit es noch stabil ist), womit es räuschiger würde (größerer Teiler) und der Vorteil perdü wäre. Das sind so die kleinen Überraschungsmomente im Leben von PLL-Geplagten...

Das Schleifenfilter hat im wesentlichen zwei Aufgaben: Einerseits Rauschbandbreite und Dämpfung einzustellen und andererseits Spurs (Betriebsfrequenz des Phasendetektors und deren Harmonische) zu unterdrücken. Der zweite Punkt ist um so kritischer, je langsamer der Phasendetektor läuft (bei Fractional-N-Synthesizern gibt es noch zusätzliche Komponenten niedrigerer Frequenzen). Ergo würde ich bei älteren Geräten hier mehr Aufwand erwarten.
Manches Altgerät läßt sich übrigens just in dem Bereich noch tunen, indem die eingesetzten Operationsverstärker gegen deutlich rauschärmere moderne Typen getauscht werden... war beim Kenwood TS-940S so, glaube ich.
Zitat

Heute ist das alles kein Thema mehr, ein gut designter DDS ist einer
komplizierten PLL-Konstruktion überlegen, weswegen das mittlerweile als Stand der Technik
angesehen werden kann.

Wobei die zwei Verfahren auch nicht ungern kombiniert werden.
Zitat

Die Alternative, ein freilaufender VFO ist in der Großserie aufgrund des
konstruktiven Aufwands, speziell in Bezug auf Voralterung der Bauteile und der entsprechenden
Temperaturkompensation absolut nicht realisierbar, das könnte keiner bezahlen.

Das wollte auch noch nie wer bezahlen. Premixing-Konzepte und später Halbsynthesizer waren da schlauere Optionen - und obendrein noch frequenzstabiler.

von Stephan Großklaß - am 04.06.2009 20:38
der neue Icom IC7700 ( Euro 5000 + ) hat 6 VCO's

von Werner53 - am 04.06.2009 21:20
Leicht OT:
Das 2 Meter Taxifunkgerät, dass ich vom Staumelder bekommen habe, stammt aus der Vor-PLL Zeit und arbeitet auch mit einem Quarz.
So sieht das Ding übrigens aus.
In den Geräten arbeiten Röhren und ganz wenige Transistoren.

von WiehengeBIERge - am 05.06.2009 17:48
Ui, das Ding ist ja echt historisch. Diese Geräte wurden irgendwann Mitte der 60er Jahre
ausgemustert, weil vom 50kHz-Raster auf 20kHz-Kanalabstand umgestellt wurde, bei diesen
Geräten waren dafür die Empfänger zu breit. Ein Großteil landete bei Funkamateuren,
und da ging das Gebastel los. Speziell im Empfängereingang wurden fleißig Röhren
getauscht, um die Empfindlichkeit auf einen vernünftigen Stand zu bringen.

Zitat
Stephan Großklaß
Kannst du mal ein Beispiel nennen, wo wirklich mehrere VCOs vorhanden waren?

Alinco DX70. 5 VCOs, davon 3 Haupt-VCOs, die direkt den Empfängermischer bedienen,
2 weitere, die den PLL-Rückmischer bedienen. Übrigens ein Gerät der 700 Euro-Klasse.
Ein weiteres Exemplar ist der Yaesu FT-990, interessant ist das Konzept hier, 5 VCOs,
diese hängen an einem normalen seriellen PLL, der Rückmischer, der die VCO-Frequenz
auf einen dem PLL genehmen Wert bringt, wird von einem DDS bedient. Damit bekommt
man dann recht elegant die 10Hz-Schritte hin und vermied gleichzeitig die Abstrahlung
der bei den damals üblichen DDS-Ausführungen entstehenden Nebenwellen.
http://www.rigpix.com/yaesu/ft990.htm


von Nohab - am 06.06.2009 21:30
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