Ein richtig guter UKW-Superhet
15.10.2011 
16.10.2011 
electronicfox (Einsteiger) 
fm ukw i2c audio hochfrequenz i²c vcr am
Zur Verbesserung der Empfangsqualität wird beim UKW-Rundfunk außerdem der Frequenzgang des gesendeten Signales verändert und diese Änderung auf der Empfängerseite wieder rückgängig gemacht. Diese Technik wird mit Emphasis bezeichnet. Hier ergeben sich aus technischer Sicht Unterschiede zwischen dem UKW-Rundfunk in den USA und dem Rest der Welt. Die für Präemphase/Deemphase in Europa verwendete Zeitkonstante beträgt 50 µs. Das Kanalraster erlaubt wegen der höheren Bandbreite die Übertragung weiterer Zusatzdienste wie Verkehrsfunk-Durchsagen mit ARI-Kennung sowie das Radio Data System (RDS).
Die Initiative Digitaler Rundfunk (IDR) der deutschen Bundesregierung hatte in einem Bericht aus dem Jahr 2000 festgestellt, "dass zu einem noch festzulegenden Zeitpunkt der UKW-Hörfunk durch Digital Audio Broadcasting (DAB) abgelöst werden soll." Voraussetzung hierfür wäre, dass sich DAB als digitale Plattform für den Hörfunk im Markt durchsetzt, wobei der Zeitpunkt der Ablösung des UKW-Hörfunks noch nicht festgelegt wurde. Dennoch kann man sicher sein, dass uns der analoge UKW-Rundfunk noch lange erhalten bleiben wird. Eine Digitalisierung des UKW-Bereichs mit DAB im UKW-Band wird zwischenzeitlich sowieso ausgeschlossen, da DAB nicht in das UKW-Raster passt und eine Digital-Umstellung frequenztechnisch aussichtslos ist. Zurzeit gibt es zwar erste Überlegungen, den UKW-Bereich mit den schmalbandigen Systemen DRM+ oder HD-Radio zu digitalisieren, aber auch das wird noch lange Zeit benötigen um ausreichende Marktreife erzielen zu können.
Dennoch kann man analoge UKW-Empfänger bauen, welche ein recht gutes Klangsystem haben können und ist eigentlich vor dem Digitalgedanken auch gut ermittelt und durchgeführt worden. Dafür muss aber der Sender richtig gut zur Geltung kommen. Ein Tuner und ein Demodulator ist einfach zu wenig für einen optimalen Stereoempfang. Deshalb musste etwas konstruiert werden, was die heutigen Hersteller einfach nicht mehr herstellen wollen, denn eigentlich könnten sie es.
Am Besten man baut einen Superhet. Der Superhet (auch Superheterodynempfänger bzw. Überlagerungsempfänger, Super) ist eine elektrische Schaltung zum Empfang und zur Verarbeitung von hochfrequenten elektromagnetischen Signalen (HF-Signalen). Eingesetzt wird sie in vielen Geräten der Funkübertragung, der Telekommunikation und der HF-Messtechnik, vom einfachen Radio oder Fernsehen, die Funkfernsteuerung bis hin zu Satelliten. Im Gegensatz zum Geradeausempfänger wird im Superhet die Frequenz des HF-Signals mindestens einmal geändert, bevor es 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 die Empfangsfrequenz. Durch den Überlagerungsempfang wird die notwendige Verstärkung und Filterung des Signals erleichtert. Die Signalfilterung erfolgt auf einer konstanten und meist niedrigeren ZF (Zwischenfrequenz), deshalb kann – im Gegensatz zu dem beim Geradeausempfänger benötigten abstimmbaren HF-Filter – auf Festfrequenzfilter zurückgegriffen werden. Das ergibt einen vereinfachten Aufbau und deutlich höhere Trennschärfe (Selektion), wodurch sich eine wesentlich verbesserte Empfangsqualität ergibt. Um diese Komplexität nicht selbst zusammen stellen zu müssen, werden solche Schaltungen kompakt in einem Tuner zusammen gefasst und als Modul verkauft und eingebaut, da die ZF-Stufen leichter zu bauen sind.
In dem Fall habe ich lang herum experimentiert und folgendes festgestellt. Es musste eine zuverlässige ZF-Verstärkerschaltung her. Dazu nimmt man einen Videoverstärker mit 400-facher Verstärkung her, wie hier den UA733. Seine Bandbreite liegt bei 150MHz und laut Datenblatt recht Rauscharm. Nebenbei findet man diesen IC oft in alten analogen SAT-Receivern und die haben ab 2012 sowieso keinen Auftrag mehr.
Richtig fein wird ein UKW-Superhet erst dann, wenn ein Stereobetrieb möglich ist. Ein Decoder mit Hi-Fi-Klang musste konstruiert werden. Der OPAMP LM324N sorgt gemeinsam mit dem Stereodecoder MC1310P für die Stereo/Mono-Umschaltung, die Demultiplexion und das Filtern von Frequenzen im Hörbereich. Da Stereodecoder sehr empfindlich auf Störungen sind, musste ich noch einen Tiefpassfilter einbauen, sowie den OPAMP um ein bestimmtes Level am Eingang des Decoders zu bekommen. Noch war das Projekt nicht gut genug für mich, ich brauchte etwas Komfort und einen Klangregler mit externen Audioeingang für MW-Radio und MP3-Player.
Das menschliche Ohr ist empfindlicher als man denkt. Man nimmt unbewusst Störungen wahr, welche sich negativ auf das Bewusstsein des Menschen auswirken können. Dazu gehört auch das Rauschen vom Empfänger, was bei schlechten Empfang schon mal passieren kann. Bei Stereo wirkt sich das eher als Echorauschen aus, eine Art von Pumpen im Rauschspektrum und kann bei manchen Menschen zum Tinitus führen. Das Problem war schon früher erkannt worden und verschiedene Tüftler haben lange versucht das Rauschen zu minimieren, ohne das musikalische Klangbild zu zerstören. Dazu muss man erstmal die hochfrequenten Spikes im Signalweg beseitigen, was hier ein ALC-Preamp AN7323 erledigt. Wird ein Spike erkannt, so wird der Pegel minimiert und langsam wieder hochgeregelt, wenn der Spitzenspannung abgefallen ist. Dadurch wird freundliches Rauschen gemeistert und der Klang markanter. Das Rauschen wird danach mit Hilfe eines Stereo-Entrauschers weiter minimiert und kann kaum noch Rauschen mit dem Ohr wahrnehmen, da das musikalische Klangbild alles überwiegt.
Nun musste ich um die Stereoumschaltung sorgen. Durch das mittlerweile hohe Angebot an Radiosendern, neigen billige Empfänger dazu, den Stereodecoder tanzen zu lassen. D. h., der decoder schaltet auch schon bei schlechten Empfangsergebnissen um, da durch Harmonische Oberwellen, ein Pilotton vorgegaukelt wird und der Decoder natürlich einen leeren MPX-Träger wiedergibt und das sich in Rauschen äußert. Deshalb habe ich eine Schaltung konstruiert, welche den Decoder bei schlechter Signalstärke in Zwangsmono fährt. Dazu nahm ich ein VHS-Interface-IC SAA1310 her, welcher gerade im Schlachthaus rum lag. Durch die angegebene Schaltung war es einfach möglich, das Verfahren zu realisieren. Nebenbei sorgt der SAA1310 auch noch dafür, dass der µC richtig zurück gesetzt wird und zugleich für die richtige Umschaltung von Stereo, Wide-Stereo und Mono. Letzten Schliff macht noch der TDA6610 als Klangregler und Quellenumschalter. Gesteuert und Überwacht wird dieser durch den µC, einen AVR ATMega8-16 mit ADC-Eingängen, wie zum Beispiel für das Lautstärkepotentiometer. Die Lautstärke und Klangjustierung erklärt ich an Hand des Schaltbild von selbst.
Der Spannungswert vom ADC des µC eingelesen und intern digitalisiert und dessen Wert ins I²C-Register eingetragen. Als technische Spielerei sind auch zusätzliche Raumklangverhalten auswählbar und können mit den Tasten S5 und S6 gewählt werden, wobei SPATIAL bei WIDE-Stereo während des UKW-Empfangs deaktiviert wird um das Klangbild nicht zu zerstören. Mit den Tasten S2, S3 und S4 kann man externe Audioquellen wählen und den UKW-Empfang. EXT kann ein Notebook, MP3-Player oder Ähnliches sein und MONO am besten ein AM-Empfänger oder ein UKW-Probeempfänger mit TDA7000 oder TDA7080. Wie man sieht ist die Schaltung schon für Nützliche Dinge vorbereitet.
Ein kurzer Überblick für die jeweiligen Funktionen der Halbleiter:
ATMEGA8-16: Steuerung und Ablauf der Systemkomponenten
SAA1310: Detektor- und Rücksetzfunktion
AN7323: Präzisionsoperationsverstärker mit ALC für Übersteuerungsverhinderung
IR9358: Standard Dual-OpAmp ( LM358 ) für eine aktive Entrauschung des Stereosignals
MC14052: Analogumschalter für die Klangwerte des UKW-Empfängers
TDA6610: Klang- und Lautstärkeregler mit Raumklangprozessor und wird je nach Signalquelle optimal angepasst
MC1310P: FM-Stereodecoder
LM324N: 4-fach-OpAmp für die Vorverstärkung des MPX-Signals und Erzeugung der Klangmatrix des FADERs
UA733: VIDEO-Verstärker der dank seiner günstigen Eigenschaften als ZF-Verstärker eingesetzt wird
SN76660N: Ersatztyp wären TBA120S oder S041P und dient hier als ZF-Demodulator
Tuner: In dem sind Vor- und Mischstufe verbaut. Je nach Verfügbarkeit und Austattung generell verwendbar.
Der Abgleich des Empfängers ist wiederum einfach:
1. Poti R76 RF-AMPL so einstellen, das an PIN5 des SAA1310 über 3V anliegen.
2. Sender suchen.
3. Sicherstellen, dass MONO-Empfang eingeschaltet ist.
4. Poti R18 FADER auf Masse drehen.
5. Poti R15 auf Masse drehen.
6. Stereoempfang einschalten (STEREO).
7. Poti R15 solange drehen bis der Ton gut hörbar ist, und die STEREO-LED aufleuchtet.
8. Sicherstellen, dass der Sender wirklich in Stereo sendet.
9. Poti R15 gegebenfalls nochmals abgleichen.
10. Durch verstellen des Tuners testen ob die LED erlischt, wenn nicht PLL-Abgleich wiederholen.
11. Poti R76 RF-AMPL solange drehen bis die LED erlischt, danach zurück drehen, bis die LED wieder anspringt.
12. Sender leicht verstimmen.
13. Wenn die LED erlischt, alles OK.
14. Nun auf WIDE-STEREO umschalten
15. Poti FADER so justieren, das ein helles und rauschfreies Klangbild entsteht
16. Abgleich beendet
Hier noch die ASM-File für den ATMEGA8:
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