Analog vs. Digital
das Konzept eines IF-Empfängers

Autor Peter Walter

Der größte Feind deines Radios ist dein jämmerliches Audio-Ausgabe-System.

Es ist völlig legitim ein RadioJet mit einem analogen Empfänger der gehobenen Klasse akustisch mit den Ohren zu vergleichen. Ohne böse Absicht und recht naiv wird jedoch dabei oft übersehen, das die gehobene Klasse auch recht gute Audio-Ausgabe-Systeme verwendet, wogegen in der Regel beim Computer eine billige Soundkarte mit einen ebenso billigen Lautsprecher-Verstärker gepaart wird, der einen Radiofreund leicht an Oskar aus der Mülltonne erinnert. Daher beachten Sie:

Manches Hörergebnis relativiert sich schon wenn Sie einen Kopfhörer beim Vergleichen verwenden.

Ein ZF-Empfänger wie RadioJet 1102S ist kein SDR !
Aber das Programm RadioJet arbeitet so, als sei es doch ein SDR.
 

Wie man mit einer geometrischen Vorstellung elektrisch, digitale Barrieren überwindet.

Jedes analoge Signal kann schier unendlich verstärkt werden, ohne das der akustische Inhalt nennenswert verändert wird. Daher ist eine analoge Wiedergabe eines sauberen Signals immer hörbar besser als die digitale Wiedergabe desselben Signals. Denn eine Wandlung von Analog zu Digital (ADC) wird zwangsläufig zusätzliches Rauschen hinzufügen. Daher werden für eine digitale Aufbereitung sehr viel höhere Ansprüche an das ankommende analoge Signal gestellt, damit nach dem Rauschverlust noch nennenswerte Ergebnisse erzielt werden können, die dann mit herkömmlichen analogen System konkurrieren können.

Es gibt drei Barrieren, die ein analoges Signal überwinden muss.

• Die extreme hohe Empfindlichkeit des Eingangsignal bringt den 1.Rauschpegel.

• Jeder ADC ist bei niedrigsten Schwellwerten unzuverlässig, dadurch entsteht ein 2.Rauschpegel.

• Beim DAC, der Audio-Ausgabe, ist das ähnlich unzuverlässig, Sie hören dann den 3.Rauschpegel.
   

Das Problem das sich also stellt ist der dreifache Rauschflur und bisherige Lösungen hatten daran keine großen Überlegungen verschwendet und haben sich dem scheinbar Unvermeidbarem gebeugt. Mit dem RadioJet entstand nun eine neue Empfänger-Klasse, nämlich die der IF-Empfänger. Ein solcher Empfänger liefert auf althergebrachter Weise ein analoges 12 kHz ZF-Signal, welches dann von einem rauscharmen Analog-Digital-Converter ADC digitalisiert wird, um dann vom Computer zu einem Audio-Signal demoduliert zu werden.

Hierbei spielt es aber eine große Rolle was für ein ADC es ist, weil die Eigenschaften des ADC's unbedingt bekannt sein müssen. Es kann also nicht einfach der von der Soundkarte des Computers sein, denn der hat unbekannte Rauschqualitäten mit dem man nur unzuverlässigen Ergebnisse erzielen kann.

Beim RadioJet wird das Rauschproblem des ADC's elektrisch übersprungen und die so entstandenen falschen Werte werden später mathematisch wieder korrigiert. Das Konzept selbst ist banal, jedoch wird es nicht  von jeden HF-Technikern so gleich durchschaut. Denn beim RadioJet wird manches völlig anders gemacht, wie es gewöhnlich gelehrt wird, weil ein geometrisch vorstellbares Model genutzt wird im Gegensatz zu den etablierten Lehren, wo sich niemand eine elektromagnetische Welle vorstellen kann,- geschweige denn erklären kann.

Eine gewisse Ableitung dieses Model bildet das grundlegende Konzept, wie ich es nun beschreibe:

Eine Frequenz kann man daran erkennen, das ein kleinstmöglicher Wert seinen Zustand ändert. Für einen ADC ist das die kleinstmögliche Spannung, die Empfindlichkeit, die als Zustandsänderung erkannt werden kann. Jedoch je nach Temperatur und noch so andere unbekannte Einflüsse ist der Schwellwert der internen Elektronik nicht zuverlässig genug einen verlässlichen, digitalen Wert für die anliegenden Spannung zu liefern. Wenn Sie sich solch einen Pegel im Spektrum ansehen, dann erkennen Sie diese Unzuverlässigkeit ohne anliegendes Signal als Rauschen. Bei den handelsüblich eingebauten Soundkarten liefert der ADC einen Rauschpegel um ca. 18-24 dB oder auch 3-4 Bits Müll. Als Beispiel wäre das dann die schwarze Signallinie (siehe das folgende Bild) und das wirkliche zu konvertierende Signale wäre dann die rote Linie.

Somit würde das Signal von dem ungünstig liegenden Schwellwert des ADC's nicht mehr dargestellt, es wird regelrecht verschluckt, weil es unter dem Schwellwert der rauschfreien Zone liegt. Daher wird beim RadioJet  das Signal so verstärkt (blau), das der untere Pegel des Signals über den Schwellwert des ADC's liegt. Jedoch kann ein Signal nun von sich aus schon einen hohen Pegel haben und die Verstärkung würde daraufhin das Signal in die Sättigung treiben und somit unbrauchbar. Das wäre auch beim RadioJet konkret der Fall, wenn nicht gleichzeitig ein zweiter Kanal mit niedrigerem Pegel am Stereo ADC anliegen würde. Jeder einfache Algorithmus kann nun die ATT und/oder einen Kanal wählen, um noch vernünftig demoduliert zu werden.

Für solche ein Konzept ist es daher auch besonders wichtig, dass die Werte messtechnisch genau festgelegt sind, damit die Software ihrerseits die Korrektur der realen Werte vornehmen kann. Eine eigenständig verstärkende AGC wäre somit nicht besonders hilfreich. Und was nicht vorhanden ist, das kostet nichts, zumal ein Stereo ADC sowieso handelsüblich ist. Auf diese Weise wird auch das Geheimnis gelüftet, wieso der Pegel beim Umschalten von DX auf RX so stabil bleibt und wieso der Pegel absinkt beim Umschalten nach DX anstatt, wie bei jeder Verstärkung üblich den Pegel anzuheben.

Das Besondere an diesem Konzept ist also, dass das Signal des DX-Kanals immer über den Rauschpegel liegt, während der RX-Kanal immer nur dann eingesetzt wird, wenn der Pegel ohne Verstärkung schon längst über den Rauschflur liegt. Ganz besonders ist zu beachten, das beide Signale gleichzeitig empfangen werden und jederzeit verfügbar und noch für ca. 2 Min. im Puffer liegen. Auch bei der Aufzeichnung dieses ZF-Signals werden beide Kanäle gespeichert, um jederzeit das beste Signal wählen zu können. Sie müssen nun nicht mehr die Aufzeichnungen eines viel zu schwachen oder übersteuerten Signals als etwas Unvermeidbare hinnehmen. Nein, Sie können irgendwann später einfach Ihre Aufzeichnung korrigieren in dem Sie sich den anderen Kanal anhören oder die automatische Kanalselektion einschalten.

Vom wesendliche Unterschied zwischen einem SDR und einem ZF-Empfänger.

 entnommen aus dem Wellenforum.de entnommen Rubrik: IF-Receiver Seite 31.

Das war bislang die einzige und beste Beschreibung, die die wesendlichen Eigenschaften der beiden Vergleichs-Objekte ohne große Polemik beschrieb, welches Prinzip welche Vorteile hat und welche damit verbundenen Nachteile es zu bewältigen gilt. Zumindest wäre das jetzt die Grundlage einer konstruktiven Diskussion gewesen, aber die aktiven Teilnehmer des Forums waren zum damaligen Zeitpunkt nicht besonders an technischen Details interessiert gewesen, zumal sie gerade ihre technischen Klugscheißer verscheucht hatten und somit kein technisch begabter Radioamateur sich so richtig wagte etwas zu den Thema zu sagen. Da also dieses nun ausblieb, will ich dieses hier tun, weil mir sicherlich in Bezug auf Radiojet nicht böswilliges Produkt-Mobbing vorgeworfen werden kann.

Es soll hier also keinesfalls aufgeführt werden, was bei der einen Methode schlecht und bei der Anderen besser wäre. Nein, ich will nur aufzeigen, welchen Nachteile vermieden wurden um die Vorteile des jeweils anderen Verfahren  besser nutzen zu können. Denn die eigentliche Problematik war der problemlose Anschluss an den Computer, ohne jeglichen Kampf mit den Treibern und Handbüchern. Denn das Funktionieren eines kostengünstigen Empfängers sollte nicht an den üblichen technischen Computer-Problemen scheitern und die Signalqualität des Empfängers durfte nicht von der Qualität der eigenen Soundkarte abhängig sein. Das Ganze sollte anschließend dann noch auf jeden Netbook lauffähig sein ohne das irgend ein Kompromiss an die hohe Signalqualität hingenommen werden muss. Das Ganze musste letztendlich auch mobil funktionsfähig sein und daher waren Netzteil und Steckdose tabu.

Ganz besondere wurde der Aufwand für Kosten und Nutzen berücksichtig und dass alles in Deutschland produzierbar wäre ohne dass das kaufmännische Kalkül nach Habgier aussah. Somit stand fest, dass die Elektronik das Wenigste kosten darf. Es musste also schon eine neue Idee her, damit das neue Radio sein besonderes Alleinstellungsmerkmale bekam, um sich unter all den Empfängern noch zu behaupten.

Somit wurde also das Alleinstellungsmerkmale vom RadioJet sehr stark von den praktischen Dingen bestimmt und damit waren im Besonderen der simple, mobile Einsatz gemeint, der bei ständig wechselnden Computern und Bedingungen trotzdem noch die gleichbleibende Qualität des Empfangs sicher stellen konnte. Das elektrische Konzept war eher zweitrangig, obwohl dieser Empfänger sich ausschließlich in der Marine bewären sollte (als MeteoJet), wo ausschließlich problemloser Empfang von Wettersendungen wie Navtex, Synop und Wetterfax angesagt sind. Und ein Marine-User ist bedeutend weniger an elektrischen oder radiotechnischen Dingen interessiert, als es jemals ein Radioamateur hätte sein können. Dennoch lieben beide Usergruppen ein einfaches Plug und Play  ( einstecken und spielen ) statt das übliche Plug and Prey ( einstecken und beten ).

Die noch ausstehende elektro-technische Konzeption wurden besonders von folgenden Dingen geprägt:

• hohe Großsignalfestigkeit, gutmütiges bis überhaupt kein Großsignalverhalten waren angesagt
• drohende Übersteuerungen sollten vom Computer erkannt werden, um ferngesteuert abwendbar zu sein
• gleichzeitige Verfügbarkeit von zwei verschiedene Signalpegeln, hoch empfindlich und unempfindlich
• maximale Empfindlichkeit, zumindest die, die auch schon von andern Empfängern erreicht wurden
• relative Schmalbandigkeit mit extremer ZF-Vorfilterung, aber noch breit genug um DRM zu empfangen
• maximale Entstörung der negativen Einflüsse des Computers
• maximale Unterbindung der eigenen internen Schweinereieffekte
• maximale Verständlichkeit ohne Rücksichtnahme auf die klassischen dB und IP3-Werte

RadioJet ist ein Empfänger für den Inhalt einer Radio-Sendung, die auf einem Schiff vielleicht als Wetterfax endet oder was auch von Radioamateure einfach nur mit 'Radio hören' bezeichnen wird. Die Zielsetzung ist also der Inhalt der Sendung, wobei mach anderer Radioamateur eher auf das ganze Drumherum fixiert ist. Auf alles was damit zu tun hat, oder besser was das Hobby denn so alles hergibt. Dabei wird die Empfindlichkeit auch oft bemüht, um damit mehr zu prahlen als das man jemals wirklichen Wert darauf gelegt hätte, weil in den letztgenannten Falle es ja gar nicht auf den Inhalt der Sendung ankommt. Daher ist es auch recht legitim auf die Problematik mit dem Großsignalverhalten zu verzichten und zu schwache Signale werden zugunsten der breitrandigen Übersicht als weniger problematisch betrachtet. Das soll nicht heißen, das nun ein typischer moderner SDR ein schlechter Empfänger sei, nein keineswegs, niemals,- er hat nur eine andere Zielsetzung. Und wenn der User nicht allzu sehr seine Möglichkeiten ignoriert, dann könnte er dafür sorgen, dass er möglichst eine schmale Bandbreite wählt gepaart mit einem Extra/Extern -Preselektor, wenn er auch nur den Inhalt einer Sendung begutachten möchte.

Der IF-Empfänger RadioJet nutzt eine Quarz-Filter-Kaskade (Roofingfilter) für 16 kHz Bandbreite. Das ist somit eher ein Schlüsselloch zur Radiowelt, als das große Scheunentor eines typischen modernen SDR's, der ganz besonders auf ein möglich breites Spektrum fixiert ist. Das Schüsselloch durfte keine AGC nutzen, um eine gleichbleibende hohe Empfangsqualität zu halten, was ein typischer SDR mit AGC einfach nicht leisten kann, weil das seiner Zielsetzung widerspricht. Ein SDR beabsichtigt lediglich ein breites Übersichtspektrum von den anstehenden Signale zu liefern ohne besonderen Wert auf den Sendungsinhalt zulegen. Wobei der User eines IF-Empfängers ausschließlich an den Inhalt einer Sendung interessiert ist.

Ein üblicher SDR ist also absichtlich breitbandig und mindestens 100 KHz breit, was dann die damit verbundenen Probleme mit sich bringt, die kleine, dünne Signale beeinträchtigen wenn gleichzeitig starke Großsignale sich auch im Durchlassfenster befinden, weil die AGC versucht das große Signal in der Fensterhöhe zu halten, was wiederum von den Bits im ADC abhängig ist. Somit werden kleine dünnen Signale ohne Verstärkung vielleicht nur noch 1 Bit hoch sein, obwohl doch der wirklich hörbarer Empfang des großen Signals gar nicht beabsichtigt war. Wird nun der SDR noch breiter gestellt z.B. 1 MHz dann ist so ziemlich sicher, dass von der sagenhaften Empfindlichkeit überhaupt nichts mehr zu 'hören' ist. Auch wenn man das Ganze aufzeichnet, wird das Signal davon später auch nicht besser, weil das digitale Endergebnis des Empfangs gespeichert wurde. Wogegen beim RadioJet sogar zwei Signal-Qualitäten abgespeichert werden, was aber wiederum auch bei späterer Dekodierung völlig unterschiedlich nachbearbeitet werden kann.

Von den Vorzüge einer AGC und ihren Nachteilen für schwache Signale.

Es ist also die AGC daran schuld, ob ein schwaches Signal bis auf ein Maximum verstärkt wird oder nicht. Doch wenn sich gleichzeitig ein schwaches Signal und ein starkes Signal im Durchlassbereicht des Filters befindet, dann ist eine automatisch, elektrische  Aktion der Verstärkungsreglung (AGC) notwendig. Man könnte doch nun die AGC einfach abschalten, aber dann tritt eine Übersteuerung auf, die seinerseits den Empfang erheblich beeinträchtigen kann. Besser wäre es wenn man keine AGC nutzt und stattdessen aber mit zwei verschiedenen ADC's arbeitet, die jeweils mit unterschiedlichen Signalpegeln beschickt werden, wobei ein Eingangskanal eher taub und der andere dafür aber extrem hellhörig sein müsste. Dann könnten für eine saubere Demodulation immer der am besten geeignete Kanal genutzt werden, während der andere Kanal ungenutzt liegen bleibt und vielleicht sogar ohne Rückwirkungen auf den anderen Kanal völlig übersteuert wäre.

Nun könnte man also auch einen typischen modernen SDR wie beschreiben damit ausstatten. Aber nein, da fehlt noch viel mehr und einiges Neues an Lösungen, die ich hier nicht erwähnen will. Ich will solche Empfänger noch bauen die 32 MHz Bandbreite aufzeichnen, während ich mit einem beliebigen Netbook das aktuelle Spektrum von Radio Moskau ansehe und anhöre. Ich möchte also den Entwicklungs-Vorsprung noch tiefer gehend bonitistisch nutzen, anstatt mich ständig meiner Ideen wegen in den Foren verhöhnt zu sehen. Ich hielt es sowieso für viel besser etwas praktisch Nutzbares anzubieten, als ständig darüber zu diskutieren, was man alles hätte besser machen können oder was man noch alles am RadioJet schlecht finden könnte. Denn selbst nutzloses basteln mit undurchführbaren Ideen sind etwas Produktives dessen Abfall wertvoller ist, als so mancher dummer Spruch oder wohlgemeinter Ratschlag aus den einschlägigen Foren für Radioamateure.