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Ringmodulation
last update on 09/22/2007
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Ringmodulator
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Ein Ringmodulator, auch als Ringmischer, Produktmodulator oder Balance-Modulator bekannt, ist eine elektronische Vorrichtung, die zu den sogenannten Modulatoren gehört, und zwei eingehende Wechselspannungen uHF und uLO miteinander multipliziert und am Ausgang in der Spannung uZF resultiert:
u_{ZF} = u_{HF} \cdot u_{LO}
Diese Modulatorart wird zur Erzeugung amplitudenmodulierter Signale mit unterdrücktem Träger verwendet. Ein Ringmodulator besteht aus vier im Ring geschalteten Dioden. Im Unterschied zur Gleichrichterbrückenschaltung zeigen bei einem Ringmodulator die Durchlassrichtungen der Diode im Ring. Alle vier Dioden müssen die selben Kenndaten besitzen (Diodenquartett).
Verwendung findet so ein Modulator zum Beispiel in Transceivern bei Funkamateuren. Er ist im Fachhandel als fertiges Bauteil mit 6 Anschlüssen (HF+, HF-, LO+, LO-, ZF+ und ZF-) erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
* 1 Funktionsweise
o 1.1 Ringmodulator als Aufwärtsmischer
o 1.2 Ringmodulator als Abwärtsmischer
* 2 Sonstiges
* 3 Siehe auch
Funktionsweise
Der Lokaloszillator liefert eine (zumeist sinus- oder rechteckförmige) Wechselspannung mit der Amplitude {\hat u}_{LO}. UHF und UZF sind (zumeist) sinusförmige Spannungen mit den Amplituden {\hat u}_{HF} bzw. {\hat u}_{ZF}.
Die Spannung des Lokaloszillators legt fest, welche Dioden leiten. Hierbei gilt im Normalbetrieb, dass {\hat u}_{LO} \gg {\hat u}_{HF} > {\hat u}_{ZF}.
Bei einem Übertrager mit einem Übertragungsverhältnis von 1:1 (d.h. L1=L2a=L2b und L4=L3a=L3b) gilt hierbei:
Bedingung Ergebnis
U_{LO} \ge {2 \cdot U_F} V1 und V2 leiten
{-2 \cdot U_F} < U_{LO} < {2 \cdot U_F} keine Diode leitet
U_{LO} < {-2 \cdot U_F} V3 und V4 leiten
Wobei UF die Durchlassspannung (englisch: forward-voltage) der Dioden ist. Da Schottky-Dioden im Gegensatz zu pn-Dioden eine mit U_F \approx 0{,}3 \, {\rm V} geringere Durchlassspannung besitzen werden immer Schottky-Dioden verwendet.
Erstmal denken wir uns die Dioden weg. Der Oszillator für den Träger ist an die Mittelanzapfungen der Sekundärwicklung von THF (L2) und der Primärwicklung von TZF (L3) angeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Potenzial der Sekundärwicklung von THF postitv und die Primärwicklung von TZF negativ. Schaltet man die vier Dioden hinzu, so fließt der Strom aus der positiven Spannung von THF über V1 und V2 zur aktuell negativen Wicklung von TZF.
Ströme bei positiver LO-Spannung ULO
Ströme bei positiver LO-Spannung ULO
Ist die Primärwicklung von THF negativ und die Sekundärwicklung von TZF positiv, so geschieht dasselbe, nur dass die Sache dann über V3 und V4 läuft.
Ströme bei negativer LO-Spannung ULO
Ströme bei negativer LO-Spannung ULO
Das Resultat ist, dass man kein Ausgangssignal UZF (bzw. keinen Träger am Ausgang des Modulators) hat, welches durch die LO-Spannung verursacht wird, da sich die Ströme über L2a und L2b sowie L3a und L3b aufheben.
Da der Strom iD nur über die leitenden Dioden fließen kann, legen die LO-Ströme auch die Flussrichtung von iD und damit das Vorzeichen von iD am Ausgang fest.
Funktionsschaltbild eines Ringmodulators
Funktionsschaltbild eines Ringmodulators
Man unterscheidet bei Mischern grundsätzlich zwischen Aufwärts- und Abwärtsmischern. Beim Aufwärtsmischer wird am Eingang ein ZF-Signal sZF zugeführt und mit dem Lokaloszillatorsignal sZO multipliziert. Beim Abwärtsmischer wird am Eingang ein HF-Signal sHF und mit dem Lokaloszillatorsignal sZO multipliziert.
Ringmodulator als Aufwärtsmischer
Ein Ringmodulator als Aufwärtsmischer
Ein Ringmodulator als Aufwärtsmischer
Die oben dargestellte Schaltung erzeugt an der Sekundärwicklung von TZF ein sogenanntes DSB-Signal UZF (UAM genannt, beide Seitenbänder des modulierten Trägers, jedoch nicht diesen selbst), welches zum Beispiel über eine Senderendstufe einer Antenne zugeführt wird. Ein SSB-Signal (nur ein Seitenband ohne Träger) erhält man, wenn man ein SSB-Filter hinter den Modulator schaltet.
Ausgangssignal uAM, nach dem Mischen einer niederfrequenten Sinus- mit einer hochfrequenten Rechtecksspannung
Ausgangssignal uAM, nach dem Mischen einer niederfrequenten Sinus- mit einer hochfrequenten Rechtecksspannung
Ringmodulator als Abwärtsmischer
Beim Abwärtsmischer (englisch: downconverter) wird das Eingangssignal UHF mit der Frequenz fHF mit Hilfe der Lokaloszillatorspannung ULO mit der Frequenz fLO auf die Spannung UZF mit der sog. Zwischenfrequenz fZF gewandelt. Hierbei gilt:
f_{ZF} = \left| f_{HF} - f_{LO} \right|
Das Ausgangssignal wird mit Hilfe eines RLC-Bandpasses am Ausgang von Frequenzanteilen befreit, die bei der Umwandlung entstehen.
Ein Ringmodulator als Abwärtsmischer
Ein Ringmodulator als Abwärtsmischer
Sonstiges
In früheren Jahrzehnten wurden Ringmodulatoren auch gelegentlich dazu verwendet, um eine Gleichspannung in eine ihr proportionale Wechselspannung, die man wegen der fehlenden Nullpunktsdrift von Wechselstromverstärkern besser mit exakt definierten Faktor verstärken kann, umzuwandeln. Eine solche Anordnung kam zum Beispiel bei der Steuerung der Fernrakete V2 zum Einsatz.
Ringmodulatoren werden auch oft in elektronischen Musikinstrumenten, besonders in Synthesizern, eingesetzt. Aufgrund der nichtharmonischen Obertoncharakteristik kann man aus einfachen Signalen durch Ringmodulation beispielsweise glockenähnliche Klänge erzeugen.
Siehe auch
* Gegentaktmischer
* Mischer (Elektronik)
* Amplitudenmodulation
* Spiegelfrequenz
* Diode
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