Überlagerungsempfänger

Die ersten Funkempfänger waren Langwellen-Geradeausempfänger, die das Signal (oft nach Verstärkung) demodulierten. Die zunehmende Anzahl von Sendern erzwang eine Verringerung der Bandbreite, damit nicht mehrere Sender gleichzeitig empfangen werden konnten. Der Filteraufwand steigt mit zunehmender Frequenz so drastisch, dass ein geändertes Konzept erfunden werden musste: Im Überlagerungsempfänger wird die Frequenz des HF-Signals mindestens einmal reduziert, bevor sie demoduliert wird. Dazu wird es mit dem Signal eines sich im Empfänger befindenden sogenannten Lokaloszillators (LO-Signal) gemischt, um eine feste, meist tiefere Zwischenfrequenz (ZF) mit dem gleichen Modulationsinhalt wie das HF-Signal zu erhalten. Die Frequenz des Lokaloszillators bestimmt zusammen mit der Zwischenfrequenz zwei Empfangsfrequenzen, von denen eine das Eingangsfilter passieren kann.

Nur durch die meist erhebliche Verringerung der Frequenz kann die notwendige hohe Verstärkung und Filterung des Signals erreicht werden – der Empfänger wird empfindlicher und trennschärfer. Die Signalfilterung erfolgt auf einer konstanten und niedrigeren ZF (Zwischenfrequenz), weshalb – im Gegensatz zu dem beim Geradeausempfänger benötigten abstimmbaren HF-Filter – auf Festfrequenzfilter zurückgegriffen werden kann. Das ergibt einen vereinfachten Aufbau, deutlich höhere Trennschärfe (Selektion) und damit eine wesentlich verbesserte Empfangsqualität. Empfänger für sehr hohe Frequenzen wie beispielsweise Radar oder Radioastronomie können nur auf diese Weise gute Empfindlichkeit erzielen.

Dieses Empfangsprinzip ist nur bis etwa 10¹⁰ Hz sinnvoll anwendbar, weil bei noch höheren Frequenzen das starke Phasenrauschen des Mischeroszillators die Empfindlichkeit zu sehr verringert.

Kein Überlagerungsempfänger mit den beschriebenen Merkmalen ist das Homodynverfahren, bei dem LO- und HF-Signal annähernd die gleiche Frequenz haben. Dabei wird das amplitudenmodulierte Empfangssignal direkt (ohne ZF) auf den NF-Bereich umgesetzt, es handelt sich um Direktempfänger oder Direktmischer. Deren Hauptproblem, das starke 1/f-Rauschen, erlaubt keine hohe Empfindlichkeit, weshalb es nur noch zur Mischung optischer Frequenzen verwendet wird, wo das starke Phasenrauschen der Oszillatoren Überlagerungsempfänger nach dem ZF-Prinzip unmöglich macht.

Historischer Röhren-Superhet aus dem Jahr 1936 von der Firma Elektrit

Der Name Heterodyn beziehungsweise Superheterodyn ist eine Wortneubildung, zusammengesetzt aus dem lateinischen Wort super = „über“ sowie den griechischen Wörtern hetero = „verschieden“ und dynamis = „Kraft“, und beschreibt die Mischung zweier Signale unterschiedlicher Frequenz. Im Gegensatz dazu wird für den Namen des Homodyn-Empfängers das griechische Wort homόs = „gleich“ verwendet. Der Ausdruck Lokaloszillator bedeutet, dass sich dieser Oszillator am Ort (lat. locus = Ort), also im Überlagerungsempfänger selbst befindet. Superhet oder einfach nur Super sind bei Funkamateuren gebräuchliche Kurzformen für Überlagerungsempfänger nach dem Heterodynprinzip.

Wer der Erfinder des Überlagerungsempfängers ist, ist nicht eindeutig bestimmbar. Dass die Erfindung in die Zeit des Ersten Weltkriegs fällt und alle beteiligten Kriegsparteien an der Verbesserung der Radiotechnik arbeiteten, mag daran einen Anteil haben. Die englischsprachige Wikipedia nennt Edwin Armstrong als Erfinder des Superheterodynempfängers (engl. Super heterodyne receiver), für den er 1918 ein Patent erhalten hat.

Andere Quellen[1] geben an, dass Armstrong im Jahr 1918 die Idee dazu hatte, als er in Frankreich stationiert war. Das US-Patent Nr. 1.342.885[2] von Edwin Armstrong beschreibt das Überlagerungsprinzip. Armstrong hat dieses Patent Anfang 1919 in den USA angemeldet und Mitte 1920 erhalten.

Fast gleichzeitig sollen aber auch Lucien Lévy (1917) in Frankreich sowie Walter Schottky (1918) in Deutschland dieses Funktionsprinzip entwickelt haben. Lucien Lévy erhielt 1919 und 1920 in Frankreich ein Patent (Nr. 493.660[3] und Nr. 506.297[4]) für seinen Schaltungsentwurf, der mit einer Zwischenfrequenz (ZF) arbeitete.

Einer der ersten kommerziell gebauten Superhets war der Radiola AR-812[5] von RCA, der von 1924 bis etwa 1927 über 140.000 Mal verkauft wurde. Die deutsche Firma DeTeWe entwickelte in den Jahren 1924/1925 den „Ultradyn“. In Frankreich sollen im Jahr 1923 drei Heimempfänger von Lucien Lévys Firma „Radio L.L“ produziert worden sein.

In den folgenden Jahrzehnten setzte sich das Schaltungsprinzip wegen seiner vielen Vorteile immer mehr durch. Es wurden viele Varianten von Überlagerungsempfängern entwickelt und gebaut, manche mit Doppel- und Mehrfachüberlagerung (bis zu vierfach) und Mischung mit konstanter statt variabler Mischfrequenz, sogenannte Konverter, wie z. B. der LNB in der Satellitentechnik.

Die Überlagerung ist ein universelles Verfahren und wird auch in Sendern eingesetzt. Praktisch alle heute auf dem Markt verfügbaren drahtlosen Sende- und Empfangsgeräte arbeiten nach dem Überlagerungsprinzip (Radio, Funksprechgerät, Mobiltelefon, Basisstation, Relais, Fernsehen, Satelliten).

Blockschaltbild eines Überlagerungsempfängers

Zunächst begrenzt ein Filter die Bandbreite des Antennensignals auf einen engen Bereich um die gewünschte Empfangsfrequenz. Das reduziert die Spannungspegel aller Signale, die von Sendern anderer Frequenzbereiche erzeugt werden, wodurch weniger unerwünschte Mischprodukte entstehen und der Eingangsverstärker bzw. Mischer geringere Spannung verarbeiten muss. Insbesondere muss hier die Spiegelfrequenz unterdrückt werden. Hochfrequenzverstärker sind oberhalb des Kurzwellenbereichs nötig, damit schwache Signale über das Rauschen des Mischers angehoben werden, außerdem verhindern sie, dass die LO-Frequenz über die Antenne abgestrahlt wird. Mittelwellenempfänger haben so gut wie nie Hochfrequenz-Vorverstärker.

Das bandbegrenzte und ggf. verstärkte Antennensignal gelangt zur Mischstufe und wird dort mit dem Signal des Abstimmoszillators f_LO gemischt, wobei eine Reihe neuer Frequenzen erzeugt wird. Die LO-Frequenz wird um einen festen Betrag oberhalb oder unterhalb der gewünschten Empfangsfrequenz gewählt. Das Signalgemisch hinter dem Mischer enthält unter anderem die Summe und die Differenz der Eingangs- und LO-Frequenzen, wobei die Modulation des Eingangssignals erhalten bleibt. Ein Bandpass konstanter Frequenz lässt eines der Mischprodukte passieren; nur dieses wird im folgenden Zwischenfrequenzverstärker verstärkt und dann demoduliert. Dabei wird aus dem ZF-Signal wieder das Nutzsignal (also Sprache oder Musik beim Radioempfang) gewonnen.

Verwendete Abkürzungen:

${\displaystyle f_{\mathrm {e} }}$ = Durchlassfrequenzbereich der Vorselektion

${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$ = Gewünschte Empfangsfrequenz

${\displaystyle f_{\mathrm {ZF} }}$ = Zwischenfrequenz

${\displaystyle f_{\mathrm {Osz} }}$ = Abstimmfrequenz

${\displaystyle f_{\mathrm {Dif} }}$ = Differenzfrequenz(en)

${\displaystyle f_{\mathrm {Sum} }}$ = Summenfrequenz(en)

Mischer

Signalverlauf eines superheterodynen Mischers

Im Überlagerungsempfänger wird die Eingangsfrequenz (${\displaystyle f_{\mathrm {e} }}$) einschließlich ihrer Modulation durch einen Mischer auf eine andere Frequenz umgesetzt, indem ${\displaystyle f_{\mathrm {e} }}$ mit der Frequenz des Abstimmoszillators ${\displaystyle f_{\mathrm {Osz} }}$ gemischt wird. Mit einem idealen Mischer erhält man am Ausgang nur zwei neue Seitenbänder mit Signalen auf ${\displaystyle f_{\mathrm {Dif} }=|f_{\mathrm {Osz} }-f_{\mathrm {e} }|}$ und ${\displaystyle f_{\mathrm {Sum} }=|f_{\mathrm {Osz} }+f_{\mathrm {e} }|}$, reale Mischer erzeugen aber ein ganzes Frequenzspektrum.

Beim Überlagerungsempfänger wird daraus fast immer die Differenzfrequenz gefiltert. Diese beträgt bei einfachen Empfängern im Lang-, Mittel- und Kurzwelle 455 kHz, was im Kurzwellenbereich kaum noch Spiegelfrequenzunterdrückung zulässt, weil die Spiegelfrequenz nur 910 kHz entfernt ist. Bei UKW ist die normale Zwischenfrequenz 10,7 MHz. In Fernsehgeräten, Mehrfachsuperhets und Handys wird als ZF aus technischen Gründen meist eine deutlich höhere Frequenz gewählt.

Die Oszillatorfrequenz wird von einer Oszillatorschaltung erzeugt. Nur in der Anfangszeit wurde sie vom Mischer selbst generiert, weil aktive Bauelemente noch sehr teuer waren. Hauptnachteil dieser „selbstschwingenden“ Mischstufen ist die modulationsabhängige Frequenzänderung.

Da speziell in der Anfangszeit der Empfangstechnik die Mischer eigentlich nur übersteuerte Verstärker waren, ist der ZF-Durchschlag ein großes Problem. Bei jedem unsymmetrischen Mischer gelangt ein Antennensignal auf der ZF ungehindert und meist noch verstärkt (Ausnahme: Diodenmischer) zum ZF-Verstärker und wird von diesem wie die erwünschte Differenzfrequenz weiter behandelt. Beide Signale, das heruntergemischte Empfangssignal und das „durchschlagende“ Signal des Senders auf der ZF, sind gleichzeitig hörbar, das störende Signal kann sogar überwiegen. Bei AM erzeugen die beiden Trägerfrequenzen im Demodulator zusätzlich ein sehr störendes Interferenzpfeifen. Bei FM ist wegen der FM-Schwelle nur der stärkere der beiden Sender hörbar.

Da diese höchst unerwünschte Begleiterscheinung auch durch extrem gute Vorselektion und den Einsatz symmetrischer Mischer nur teilweise beseitigt werden kann, wurde international vereinbart, in ausreichendem Abstand um die üblichen ZF-Frequenzen 455 kHz und 10,7 MHz keine Sender zu betreiben. Daran hat sich bisher nichts geändert.

Mit der (preiswerten) Verfügbarkeit von Mehrgitterröhren und später von Dual-Gate-Feldeffekttransistoren verbreitete sich die multiplikative Mischung. Hier werden die beiden Spannungen jeweils auf einen eigenen Eingang des Steuerelements, wie zum Beispiel die beiden Gates eines Dual-Gate-Feldeffekttransistors oder die Steuergitter einer Vakuumröhre, geführt. Das Ausgangssignal wird von beiden Eingangssignalen gesteuert, wodurch ein Mischeffekt der beiden Steuersignale erzeugt wird. Bei höheren Frequenzen (im höheren GHz-Bereich) verwendet man häufig – und heute (2006) noch – einen Dioden-Ring-Mischer.

Die multiplikative Mischung hat gegenüber der additiven Mischung geringfügige schaltungstechnische Vorteile, so sind die Rückwirkungen auf den HF-Verstärker geringer und es besteht die Möglichkeit einer zusätzlichen Regelung der Mischstufe, was aber selten genutzt wird. Daneben produziert sie weniger Intermodulationsfrequenzen und damit weniger „Phantomempfangsstellen“.

Zwischenfrequenz-Filter

Der ZF-Filter ist ein Bandpass für einen schmalen Frequenzbereich, der Signale außerhalb dieses Bereichs sperrt, aber die Frequenzen innerhalb möglichst ungehindert und unverändert durchlässt. Dadurch werden aus dem Frequenzgemisch am Ausgang des Mischers nur die gewünschten Frequenzen um ${\displaystyle f_{\mathrm {ZF} }}$ an den ZF-Verstärker weitergeleitet. Das ZF-Filter hat damit den maßgeblichen Anteil an der Trennschärfe des Empfängers. Je nach übertragener Informationsbandbreite (z. B. Sprache oder Videosignal) und Modulationsart werden ZF-Filter mit unterschiedlichen Bandbreiten benötigt.

Signalverlauf bei einem ZF-Filter

In der Frühzeit der Funk- und Rundfunktechnik (siehe Geschichte des Hörfunks) wurden als ZF-Filter Bandfilter aus je zwei überkritisch gekoppelten Schwingkreisen verwendet. Diese wurden später durch mechanische Filter, Quarzfilter und Keramische Filter (Keramikresonator) ergänzt. Später entwickelte man Akustische-Oberflächenwellen-Filter (AOW-Filter), mit denen es gelang, auch komplizierte Durchlasskurven für hohe Frequenzen auf kleinstem Raum zu realisieren. Zunehmend werden jedoch digitale Filter (Digitaler Signalprozessor, DSP) auch bei hohen Frequenzen eingesetzt, sodass die AOW-Filter auch bei Mobiltelefonen an Bedeutung verlieren.

Übliche Werte für die ZF-Frequenz sind 10,7 MHz (Bandbreite etwa 50 kHz) für FM-Empfänger für den UKW-Rundfunk und 455 kHz (Bandbreite etwa 5…9 kHz) für AM-Empfänger auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle. Analoge TV-Empfänger haben für das Bildsignal eine Zwischenfrequenz um 35 MHz und eine Filterbandbreite von etwa 5 MHz.

NF-Verstärker

Signalverstärkung durch NF-Verstärker

Der NF-Verstärker hebt die demodulierten Signale wieder so weit an, dass damit ein Lautsprecher, Kopfhörer oder externer Verstärker (Hifi-Komponente) angesteuert werden kann. (Anmerkung: Traditionellerweise war bei einem Radio der Anschluss für den Verstärker an der Demodulatordiode angeschlossen; daher die Namen „Dioden-Stecker“, „-Kabel“ oder „-Buchse“ für die entsprechenden Anschluss-Komponenten.) Der NF-Verstärker kann die Klangeigenschaften beeinflussen, wie beispielsweise das Anheben oder Absenken der Höhen und Tiefen.

Betrachtung der bisher besprochenen Stufen an einem Schaltplan

Der im Bild dargestellte UKW-Tuner besitzt einen regelbaren HF-Verstärker (gelb), eine multiplikative Mischstufe (grün) und einen VCO (rot). Der Tuner ist mit Dual-Gate-FETs ausgestattet, die sich durch hohen Eingangswiderstand und geringes Eigenrauschen auszeichnen. Hauptvorteil gegenüber anderen Bauarten ist, dass in diesen Bauelementen jeweils zwei Transistoren in Form einer Kaskodeschaltung vorliegen, weshalb die kapazitive Rückwirkung vom Ausgang (Drain) zum Gate 1 so gering ist, dass der Verstärker auch ohne Neutralisation stabil arbeitet.

Schaltplan eines UKW-Tuners.
Anschlüsse:
1: Regelspannung zur Änderung der Verstärkung der HF-Vorstufe.
2: unsymmetrischer Antennenanschluss, 75 Ohm
3: Masse
4: Abstimmspannung zum Sendersuchlauf
5 und 6: Ausgang zum ZF-Verstärker
7: Vorspannung der Kapazitätsdiode
8: AFC vom FM-Demodulator

Wie bei der Erklärung des Abstimmoszillators schon erwähnt, lässt sich dessen Frequenz vom Anwender einstellen. Mögliche Empfangsfrequenzen liegen immer um den Betrag der ZF-Frequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {ZF} }}$ höher oder tiefer als die Frequenz des Abstimmoszillators ${\displaystyle f_{\mathrm {Osz} }}$:

• bei Aufwärtsmischung: ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }=f_{\mathrm {Osz} }-f_{\mathrm {ZF} }}$
• bei Abwärtsmischung: ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }=f_{\mathrm {Osz} }+f_{\mathrm {ZF} }}$

Eine davon ist erwünscht, die andere wird als Spiegelfrequenz bezeichnet und muss durch Bandfilter vor der Mischstufe oder durch das IQ-Verfahren unterdrückt werden.

Wenn bei ${\displaystyle f_{\mathrm {ZF} }=455\,\mathrm {kHz} }$ beispielsweise eine Station aus dem Frequenzbereich ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$ von 800 bis 1200 kHz gewünscht wird, kann man ${\displaystyle f_{\mathrm {Osz} }}$ auf 1455 kHz einstellen. Dann sind am Ausgang des Mischers diese Frequenzen und deren Summen und Differenzen vorhanden. Der ZF-Filter lässt aber nur 455 kHz durch. Die einzige Frequenz aus dem Bereich von ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$, die diese Bedingung erfüllen kann, ist die Empfangsfrequenz 1000 kHz. Eine Addition der Eingangsfrequenz mit der Abstimmfrequenz ist immer ≥2255 kHz; es bleibt also nur die Differenz:

${\displaystyle |f_{\mathrm {E} }-f_{\mathrm {Osz} }|=|1000\,\mathrm {kHz} -1455\,\mathrm {kHz} |=455\,\mathrm {kHz} .}$

In der Praxis lässt man nicht nur diese einzelne Frequenz das Filter passieren, da auf diese Weise die Seitenbänder, die die Modulation enthalten, abgeschnitten werden. Man wählt eine geeignete Bandbreite des ZF-Filters von zum Beispiel 10 kHz (was dann die nutzbare Bandbreite des Audio-Nutzsignals ergibt), um alle Frequenzen zwischen etwa 450 und 460 kHz durchzulassen. Das entspricht dem Gesamtsignal eines amplitudenmodulierten Mittelwellensenders, der einen Bereich zwischen 995 und 1005 kHz belegt.

Beim obigen Beispiel wurde als ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$ nur 800 bis 1200 kHz zugelassen. Entfernt man diese Vorselektion, so zeigt sich ein Nachteil des Superhet und die Notwendigkeit, im HF-Vorverstärker (bzw. vor dem Mischer) die Empfangsbandbreite mittels Filter zu beschränken.

Lage der Spiegelfrequenz

Könnten noch höhere Empfangsfrequenzen an den Mischer gelangen, dann gäbe es noch eine Differenzfrequenz aus ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$ und ${\displaystyle f_{\mathrm {Osz} }}$, die 455 kHz ergibt:

${\displaystyle |f_{\mathrm {E} }-f_{\mathrm {Osz} }|=|1910~{\text{kHz}}-1455~{\text{kHz}}|=455~{\text{kHz}}}$.

Zusätzlich zu der gewünschten Empfangsfrequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$ von 1000 kHz würde auch noch die Frequenz 1910 kHz auf die ZF heruntergemischt, in den ZF-Verstärker gelangen und demoduliert. Diese zweite, ungewollte Empfangsfrequenz nennt man Spiegelfrequenz. Sie ist mit dem Abstand der ZF-Frequenz bezüglich Abstimmfrequenz gespiegelt.

Bei Empfängern mit ungenügender Spiegelfrequenzunterdrückung wird jeder Sender zweimal empfangen (falls die Frequenz des Abstimmoszillators weit genug geändert werden kann): Einmal auf der eigentlichen Sendefrequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$ und ein zweites Mal als Spiegelfrequenz dieses Senders auf der Frequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }+2\cdot f_{\mathrm {ZF} }}$. Das ist zwar unschön, oft aber nicht weiter störend. Problematisch wird der Spiegelfrequenzempfang dann, wenn die Empfangsfrequenz und die Spiegelfrequenz von einem Sender belegt ist, was bei hoher Bandbelegung sehr häufig vorkommt. Dann werden beide Sender gleichzeitig demoduliert und es kommt zu hörbaren Störungen.

Vorteile:

• Der Superhet ist die beste Art, sehr hohe Empfangsfrequenzen, wie sie etwa beim UKW- oder Satellitenempfang auftreten, stabil zu verarbeiten. Ein Geradeausempfänger ist dafür ungeeignet, weil er zu geringe Verstärkung und zu große Bandbreite hat. Ein Direktmischempfänger ist wegen seines hohen 1/f-Rauschens zu unempfindlich.
• Frequenzmodulation lässt sich nur dann gut demodulieren, wenn das Verhältnis von Frequenzhub/Frequenz möglichst groß ist. Deshalb wird die Schaltung durch eine Frequenzreduzierung ganz erheblich vereinfacht.
• Das ZF-Filter ist auf eine feste Frequenz eingestellt, die meist niedriger als die Empfangsfrequenz ist. Deshalb ist es einfacher, das Filter mit höherem Gütefaktor auszulegen.
• Der ZF-Verstärker kann auf tiefen Frequenzen elektrisch stabiler aufgebaut werden als auf höheren Frequenzen. Eine hohe Gesamtverstärkung lässt sich ohne Rückkoppelgefahr und mit wenigen Verstärkerstufen erzielen, da die Verstärkung des Signals auf unterschiedlichen Frequenzen erfolgt.
• Diese hohe Gesamtverstärkung wird gezielt so reduziert (automatische Verstärkungsregelung), dass am Ausgang annähernd gleiche Signalstärke gemessen wird, auch wenn sich die Antennenspannung um einige Größenordnungen ändert. Siehe auch Schwundausgleich.
• Ein Filter, das direkt auf der Empfangsfrequenz arbeitet, muss abstimmbar (in der Frequenz veränderbar) sein, damit verschiedene Frequenzen (Sender) empfangen werden können. Hochwertige schmalbandige, abstimmbare Filter sind bei hohen Frequenzen schwer zu realisieren, sie verändern zudem ihre Bandbreite mit der Empfangsfrequenz.
• Ein Filter fester, niedriger Frequenz erhöht die produktionstechnische Reproduzierbarkeit des Empfängers ganz entscheidend gegenüber anderen Konzepten wie dem Geradeausempfänger oder dem Audion. Für einen Großteil der aufwändigen Abgleicharbeiten, die bei einem Mehrkreisaudion erforderlich sind, genügt beim Superhet eine einmalige Einstellung bei der Herstellung.
• Wenn Akustische-Oberflächenwellen-Filter (in antiken Geräten: mehrere Bandfilter) verwendet werden, wird eine nahezu rechteckförmige Durchlasskurve erzielt, die eine hohe Trennschärfe durch hohe Flankensteilheit gestattet, ohne dabei die hohen Frequenzen zu beschneiden.
• Die Oszillatorfrequenz lässt sich - im Gegensatz zum Geradeausempfänger - beispielsweise mit PLL digital einstellen und stabilisieren. Damit kann die Empfangsfrequenz auch ferngesteuert werden.
• Letztlich sei noch die einfache Bedienbarkeit („Einknopfbedienung“) erwähnt, die das Überlagerungsprinzip mit sich bringt.

Nachteile:

• Durch das Überlagerungsprinzip entsteht eine Nebenempfangsstelle (Spiegelfrequenz), die entweder durch erhöhten Filteraufwand vor dem Mischer oder mit speziellen Schaltungen wie der Phasenmethode (IQ-Verfahren) unterdrückt werden kann.
• Bei Verwendung eines zu einfachen Mischers kann es zu unerwünschten Nebenprodukten und zu „Pfeifstellen“ wegen Intermodulation kommen.
• Das Grundrauschen des Empfängers wird durch den zusätzlichen Abstimmoszillator und den Mischer gegenüber einem Geradeausempfänger erhöht. Bei sehr hohen Frequenzen oberhalb etwa 5 GHz ist das Phasenrauschen des Oszillators so hoch, dass die Empfindlichkeit eines Überlagerungsempfängers merklich reduziert ist. Mit trickreichen Schaltungen lässt sich in Sonderfällen diese Frequenzgrenze bis etwa 50 GHz dehnen.
• Bei optischen Frequenzen (10¹⁴ Hz) kann kein Überlagerungsempfänger mehr gebaut werden, weil kein bekannter Oszillator (Laser) über die notwendige Frequenzgenauigkeit und -konstanz verfügt. In diesem Bereich werden notgedrungen unempfindliche Direktmischempfänger eingesetzt.
• Teile des Lokaloszillatorsignals werden über die Empfangsantenne ausgestrahlt und erlauben so die Ortung der Empfangsanlage durch andere Empfänger mit Richtantenne, sofern die Frequenz bekannt ist. Für die zivile Anwendung ist dieser Nachteil jedoch weitestgehend unerheblich. Allerdings kann es im Extremfall auch zu Störungen anderer Empfänger führen.[6]

Einfachüberlagerung hat bei hohen Frequenzen den Nachteil, dass bei tiefer Zwischenfrequenz (455 kHz) die Spiegelfrequenz kaum von der gewünschten Empfangsfrequenz getrennt werden kann. Wählt man eine hohe Zwischenfrequenz (10,7 MHz), steigt auch die Bandbreite der ZF-Filter stark an. Deshalb und als Antwort auf spezielle Anforderungen sind Varianten des Überlagerungsempfängers entwickelt worden.

Doppel- und Mehrfachüberlagerungsempfänger

Beim Einfachsuperhet ist die gewählte Zwischenfrequenz immer ein Kompromiss. Einerseits soll sie möglichst niedrig sein, denn für niedrige Frequenzen lässt sich das ZF-Filter steilflankig und mit hohem Gütefaktor aufbauen. Andererseits verschärft eine niedrige ZF das Problem der Spiegelfrequenz. Je niedriger die ZF-Frequenz ist, umso geringer ist der Abstand der Empfangsfrequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$ von einem Signal auf der Spiegelfrequenz (Abstand = ${\displaystyle 2\cdot f_{\mathrm {ZF} }}$).

Eine niedrige ZF erfordert deshalb eine schmalbandige Vorselektion, um die Spiegelfrequenz wirksam zu unterdrücken. Das wird immer schwieriger, je höher die Empfangsfrequenzen liegen, da dafür der Filter in der Vorselektion bei gleicher Bandbreite eine höhere Güte haben muss.

Bild 1: Blockschaltbild eines Amateurfunk-Receivers (Allmode-Receiver/Doppelsuper) mit SSB und Schmalband-FM (NFM)

Um dieses Problem zu umgehen, arbeitet der Doppelsuper mit zwei Zwischenfrequenzen. In Kurzwellen- und Amateurfunk-Receivern wird oftmals die 1. ZF im Bereich von 40 bis 70 MHz gewählt und als zweite ZF 455 kHz oder niedriger genutzt. Der Abstimmoszillator (VCO in Bild 1) schwingt hier um die 1. ZF-Mittenfrequenz höher als ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$.

Durch die hohe erste ZF sind die Spiegelfrequenzen sehr weit von der empfangenen Nutzfrequenz entfernt im Bereich 40…100 MHz. Damit reichte als Vorselektion in der HF-Vorstufe im Prinzip ein 30-MHz-Tiefpass. Zumeist haben diese Empfänger aber mehrere umschaltbare Bandpässe, um möglichst viele starke Sender, z. B. im Mittel- oder niedrigen Kurzwellenbereich, auszublenden.

Auf dieser hohen ersten ZF sind Quarzfilter teuer und haben nur begrenzte Selektion. Deshalb verwendet man für alle Betriebsarten das gleiche Filter (Roofing-Filter) mit typisch 12 kHz Nutzbandbreite und setzt mit einem zweiten Oszillatorsignal (Quarzoszillator in Bild 1) auf eine wesentlich niedrigere 2. Zwischenfrequenz um. Die weitere Selektion kann dann, wie bei einem Einfachsuper, auf z. B. 455 kHz verwirklicht werden. Das Roofing-Filter engt das Frequenzfenster, das die weiteren Stufen verarbeiten müssen, stark ein und hält so sehr viele starke Fremdsignale fern. Schwachpunkt: Liegt ein unerwünschter Sender nah genug an ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$, dass sein Signal zwar vom breiten Quarzfilter durchgelassen wird, nicht aber vom schmäleren Filter der 2. ZF, kann der zweite Mischer übersteuert werden.

Eine mittlerweile beliebte Variante ist, eine noch deutlich niedrigere 2. (oder 3.) ZF-Frequenz zu benutzen, dieses ZF-Signal mit einem Analog-Digital-Umsetzer zu digitalisieren und digital weiter zu verarbeiten – einschließlich Demodulation.

Dreifachsuper Barlow Wadley XCR-30

Es ist möglich, mehr als einen Oszillator abstimmbar zu machen. Dieses Prinzip wird zum Beispiel beim Kurzwellenempfänger Barlow Wadley XCR-30 angewandt. Bei diesem Empfänger wird das gewünschte Eingangssignal mit einem einstellbaren Oszillator in den ersten ZF-Bereich von 44,5–45,5 MHz hochgemischt. Dieser erste Oszillator dient der Auswahl des MHz-Bereichs. Die erste ZF wird dann mit einem Oszillatorsignal von konstanten 42,5 MHz in den zweiten ZF-Bereich zwischen 2 und 3 MHz gemischt. Aus der zweiten ZF wird anschließend mit einer normalen Einfachsuperhetschaltung die gewünschte Empfangsfrequenz im Kilohertzbereich eingestellt und auf die dritte ZF von 455 kHz heruntergemischt. Dieses Prinzip erfordert zwei Abstimmvorgänge: Die Auswahl des MHz-Frequenzbereichs mit dem ersten Abstimmrad (MHz SET) und anschließend die Auswahl der Empfangsfrequenz innerhalb dieses MHz-Abschnitts mit einem zweiten Abstimmrad (kHz SET).

Die Vorteile dieser Schaltung sind eine für einen analogen Empfänger gute Ablese- und Wiederholgenauigkeit und eine recht hohe Spiegelfrequenzunterdrückung. Das funktioniert ohne PLL, also ohne die damit einhergehenden potenziellen hochfrequenten Störquellen, leidet aber unter schlechtem Großsignalverhalten. Da die Selektion erst in der fünften Stufe erfolgt, können die vorhergehenden Stufen durch benachbarte Sender übersteuert sein, ohne dass man diese Sender hören kann.

Eindeutigkeit

Ein Eingangssignal muss eindeutig mit der Skala oder Frequenzanzeige übereinstimmen. Im anderen Fall spricht man von Mehrdeutigkeit.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit eines Empfängers gibt an, um wie viel stärker ein Nutzsignal (eine Radiosendung oder ähnliches) gegenüber dem Rauschen sein muss, damit der Empfang dieses Nutzsignals noch möglich ist. Das Eingangssignal soll trotz des Rauschens der Empfängerstufen und des über die Antenne zugeführten Außenrauschens noch gut aufzunehmen sein – egal in welcher Betriebsart.

Feinabstimmung

Unabhängig von der Sendeart (WFM - UKW-Radio, SSB, CW etc.) muss eine gute Abstimmung bei gleich bleibender Selektivität gegeben sein.

Kompression, Übersteuerungsfestigkeit

Analog zur Empfindlichkeit stellt sie die obere Grenze des Aussteuerbereichs dar. Sie wird angegeben durch den 1-dB-Kompressionspunkt.

Kreuzmodulation, Zustopfeffekt

Wird die Information/Modulation eines starken Nachbarsenders durch den empfangenen Sender übernommen, so spricht man von Kreuzmodulation. Bei getasteten HF-Trägern spricht man im selben Fall vom Zustopfeffekt.

Selektivität

Die Selektivität oder Trennschärfe bezeichnet die Fähigkeit des Empfängers, aus mehreren, dicht in der Frequenz beieinanderliegenden Sendern den gewünschten herauszufiltern.

Spiegelfrequenzunterdrückung

Der Wert der Spiegelfrequenzunterdrückung gibt an, wie gut Spiegelfrequenzen gedämpft werden, die Angabe ist in Dezibel, höhere Werte sind besser.

Stabilität

Das Nutzsignal soll immer gut empfangbar sein, unabhängig von thermischen und/oder elektrischen Einflüssen.

Überlagerung

Die Addition zweier Schwingungen nennt man Überlagerung. Für den Überlagerungsempfänger ist der Begriff also eigentlich nicht richtig, da hier eine Mischung (also eine Multiplikation) stattfindet. Gemeint ist allerdings die Addition des Betrags in Dezibel, was gleichbedeutend mit einer Multiplikation ist.

Das Zustandekommen der beiden Seitenbänder beim Mischen (Idealer Mischer; Multiplizierer) lässt sich mathematisch so erklären:

Das Eingangssignal sei

${\displaystyle s_{e}(t)=a(t)\,\cos(2\pi f_{\mathrm {e} }\cdot t)}$,

das Signal des idealen Abstimmoszillators sei

${\displaystyle s_{\mathrm {Osz} }(t)=2\,\cos(2\pi f_{\mathrm {Osz} }\cdot t)}$.

Das Ausgangssignal des Multiplizierers ist somit

${\displaystyle s_{\mathrm {Mischer} }(t)=s_{e}(t)\cdot s_{\mathrm {Osz} }(t)=2a(t)\,\cos(2\pi f_{\mathrm {e} }\cdot t)\,\cos(2\pi f_{\mathrm {Osz} }\cdot t)}$.

Durch Anwendung der Additionstheoreme ergibt sich

${\displaystyle s_{\mathrm {Mischer} }(t)=a(t)\,\cos(2\pi (f_{\mathrm {Osz} }+f_{\mathrm {e} })\cdot t)+a(t)\,\cos(2\pi (f_{\mathrm {Osz} }-f_{\mathrm {e} })\cdot t)}$.

Dabei entspricht der Teil

${\displaystyle a(t)\,\cos(2\pi (f_{\mathrm {Osz} }+f_{\mathrm {e} })\cdot t)}$ dem oberen Seitenband (${\displaystyle f_{\mathrm {Sum} }}$)

und

${\displaystyle a(t)\,\cos(2\pi (f_{\mathrm {Osz} }-f_{\mathrm {e} })\cdot t)}$ dem unteren Seitenband (${\displaystyle f_{\mathrm {Dif} }}$).

Blockschaltbild eines handelsüblichen Stereo-Empfängers (Receiver) mit VCO, PLL und Mikrocomputersteuerung:

Stereo-Empfänger

Ansicht auf die Leiterplatte eines Überlagerungsempfängers:

Tuner aus HK AVR 41

Der UKW-Tuner (1) enthält die HF-Stufen, den Oszillator (VCO) und die Mischstufe. Dabei werden die HF-Stufen und der Oszillator über Kapazitätsdioden abgestimmt. Der Tuner besitzt unter anderem einen Eingang für die Abstimmspannung, sowie einen Ausgang für die Oszillatorfrequenz (für PLL). Unter (2) sind die drei 10,7-MHz-Keramikfilter für die ZF zu sehen. Die ZF wird dem IC (3) zugeführt, welcher unter anderem den FM-Demodulator enthält. Der oft verwendete 7,1-MHz-Quarz unter (4) ist für die Referenzfrequenz der PLL zuständig. Der PLL-IC (meist ein LM 7000, LM 7001) ist ein SMD-Bauteil auf der Rückseite der Leiterplatte und nicht zu sehen.

Eine Anwendung des Heterodynprinzips im Infraroten wurde mit dem Infrared Spatial Interferometer verwirklicht, bei dem die aufgefangene Strahlung mit der aus Infrarotlasern gemischt und dadurch zu HF umgesetzt wird.

Generell kommt das Heterondyn-Detektionsprinzip in optischen Anordnungen zur Anwendung, z. B. indem sehr schmalbandig monochromatische Laserstrahlung durch akusto-optische Modulatoren (= lokaler Oszillator) moduliert werden und so geringfügig nach oben und unten verschobene Lichtfrequenzen erzeugt werden, die sich anschließend durch Interferenzfilter oder Fabry-Perot-Etalons gut von der Ausgangsfrequenz trennen lassen.

• Jens Heinich: Eine kurze Chronik der Funkgeschichte. Hein, Dessau 2002. ISBN 3-936124-12-4.
• Martin Gerhard Wegener: Moderne Rundfunk-Empfangstechnik. Franzis, München 1985, ISBN 3-7723-7911-7.
• Ferdinand Jacobs: Lehrgang Radiotechnik. Franzis, München 1951, ISBN 3-7723-5362-2 (2 Bände).
• Philips GmbH (Hrsg.): Philips Lehrbriefe. Band 1. Einführung und Grundlagen. Philips Fachbücher. Hamburg 1987.
• Otto Limann, Horst Pelka: Funktechnik ohne Ballast. Einführung in die Schaltungstechnik der Rundfunkempfänger. 16. Auflage. Franzis, München 1984, ISBN 3-7723-5266-9.
• Dieter Nührmann: Das große Werkbuch Elektronik. Franzis, Poing 2001. ISBN 3-7723-5575-7
• Heinrich Hübscher (Hrsg.) u. a.: Elektrotechnik. Fachbildung Kommunikationselektronik. Band 2. Radio-, Fernseh-, Funktechnik. Westermann, Braunschweig 1989, ISBN 3-14-221330-9.
• W. Rohländer: Der Superhet. In: Funkamateur. Theuberger, Berlin 1977, ISSN 0016-2833, S. 193.
• Christoph Rauscher: Grundlagen der Spektrumanalyse. 3. Auflage, Rohde & Schwarz, München 2007, ISBN 978-3-939837-00-8.
• Ralf Rudersdorfer: Funkempfängerkompendium. 1. Auflage, Elektor, Aachen 2010, ISBN 978-3-89576-224-6.

Commons: Überlagerungsempfänger – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Radiomuseum.org: "Mischung und Frequenzumsetzung" (Sehr ausführlicher Beitrag über Mischstufen in Radioempfängern)
• Jogis Roehrenbude: Überlagerungsempfänger für AM (Sehr ausführliche Erklärung)
• Funkschau Nr. 49, 1932 (Superhet-Sonderheft): S. 385–388 S. 389–392 (pdf, digitalisiert von www.radiomuseum.org)
• Edwin Armstrong: Pioneer of the Airwaves – Edwin Armstrong: Pionier der Ätherwellen (englisch)
• Lucien Levy – Kurze Biografie von Lucien Lévy (französisch)
• Barlow Wadley – Alles über den Barlow Wadley (englisch)
• Skript zum Thema Empfängertechnik
• Radarempfänger
• Anforderungen an Messempfänger nach CISPR 16-1-1 (englisch) (PDF; 365 kB)

1. Alan Douglas: Who Invented the Superheterodyne?., Originalartikel: The Legacies of Edwin Howard Armstrong. In: Proceedings of the Radio Club of America Nr. 3, 1990, Vol. 64
2. Patent US1342885: Method of Receiving High Frequency Oscillations. Erfinder: Edwin H. Armstrong.
3. Patent FR493660.
4. Patent FR506297.
5. Radiola AR-812 (englisch) → Webseite nicht mehr abrufbar → Archiv (14. September 2005 09:35 Uhr) (Memento vom 14. September 2005 im Internet Archive)
6. Alte Wecker funken Störfeuer im Flugzeugfunkverkehr (heise.de)