Signal

Empfangen eines AM-Signals

Hier ist ein Beispiel aus der Praxis. Wenn Sie das AM-Radio Ihres Autos auf einen Sender einstellen – zum Beispiel 680 auf der AM-Wählscheibe – wird die Sinuswelle des Senders mit 680.000 Hertz übertragen (die Sinuswelle wiederholt sich 680.000 Mal pro Sekunde). Die Stimme des DJs wird auf diese Trägerwelle moduliert, indem die Amplitude der Sinuswelle des Senders verändert wird. Ein Verstärker verstärkt das Signal auf etwa 50.000 Watt für einen großen AM-Sender. Dann sendet die Antenne die Radiowellen in den Weltraum aus.

Wie empfängt nun das AM-Radio Ihres Autos – ein Empfänger – das vom Sender gesendete 680.000-Hertz-Signal und extrahiert daraus die Informationen (die Stimme des DJs)? Hier sind die Schritte:

• Wenn Sie nicht direkt neben dem Sender sitzen, braucht Ihr Radioempfänger eine Antenne, um die Funkwellen des Senders aus der Luft zu empfangen. Eine AM-Antenne ist einfach ein Draht oder ein Metallstab, der die Menge an Metall erhöht, mit der die Wellen des Senders interagieren können.
• Ihr Radioempfänger braucht einen Tuner. Die Antenne wird Tausende von Sinuswellen empfangen. Die Aufgabe eines Tuners ist es, eine Sinuswelle aus den Tausenden von Funksignalen, die die Antenne empfängt, herauszufiltern. In diesem Fall ist der Tuner auf den Empfang des 680.000-Hertz-Signals abgestimmt. Tuner arbeiten nach einem Prinzip, das Resonanz genannt wird. Das heißt, Tuner treten bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz und verstärken diese, während alle anderen Frequenzen in der Luft ignoriert werden. Es ist einfach, einen Resonator mit einem Kondensator und einer Spule zu bauen (siehe Funktionsweise von Oszillatoren, um zu sehen, wie Spulen und Kondensatoren zusammenarbeiten, um einen Tuner zu bauen).
• Der Tuner bewirkt, dass das Radio nur eine Sinusfrequenz empfängt (in diesem Fall 680.000 Hertz). Nun muss das Radio die Stimme des DJs aus dieser Sinuswelle extrahieren. Dies geschieht mit einem Teil des Radios, dem sogenannten Detektor oder Demodulator. Im Falle eines AM-Radios besteht der Detektor aus einem elektronischen Bauteil, einer Diode. Eine Diode lässt Strom in eine Richtung fließen, aber nicht in die andere, so dass sie eine Seite der Welle abschneidet:
• Das Radio verstärkt dann das abgeschnittene Signal und sendet es an die Lautsprecher (oder einen Kopfhörer). Der Verstärker besteht aus einem oder mehreren Transistoren (mehr Transistoren bedeuten mehr Verstärkung und damit mehr Leistung für die Lautsprecher).

Was Sie aus den Lautsprechern hören, ist die Stimme des DJs!

Bei einem UKW-Radio ist der Detektor anders, aber alles andere ist gleich. Bei UKW wandelt der Detektor die Frequenzänderungen in Ton um, aber die Antenne, der Tuner und der Verstärker sind weitgehend gleich.

Der einfachste AM-Empfänger

Im Falle eines starken AM-Signals kann man mit nur zwei Teilen und etwas Draht einen einfachen Radioempfänger bauen! Der Prozess ist extrem einfach – hier ist, was Sie brauchen:

• Eine Diode – Sie können eine Diode für etwa $1 bei Radio Shack bekommen. Die Teilenummer 276-1123 ist ausreichend.
• Zwei Stücke Draht – Sie benötigen etwa 15 bis 20 Meter Draht. Die Teilenummer 278-1224 von Radio Shack ist großartig, aber jeder Draht ist geeignet.
• Einen kleinen Metallpflock, den Sie in den Boden rammen können (oder, wenn der Sender eine Leitplanke oder einen Metallzaun in der Nähe hat, können Sie diesen verwenden)
• Einen Kristallkopfhörer – leider gibt es bei Radio Shack keinen. Radio Shack verkauft jedoch ein Crystal Radio Kit (Teilenummer 28-178), das den Ohrhörer, die Diode, den Draht und einen Tuner enthält (was bedeutet, dass Sie nicht direkt neben dem Sender stehen müssen, damit es funktioniert), und das alles für 10 €.

Damit das funktioniert, müssen Sie den Sendeturm eines AM-Radiosenders finden und sich in dessen Nähe aufhalten (innerhalb einer Meile/1,6 km oder so). Das müssen Sie tun:

• Schlagen Sie den Pfahl in den Boden oder suchen Sie einen geeigneten Metallzaunpfahl. Entfernen Sie die Isolierung vom Ende eines 3-Meter-Stücks Draht und wickeln Sie es fünf oder zehn Mal um den Pfahl, um eine solide Verbindung herzustellen. Dies ist das Erdungskabel.
• Befestigen Sie die Diode am anderen Ende des Erdungsdrahtes.
• Nehmen Sie ein weiteres Stück Draht, das 3 bis 6 Meter lang ist, und verbinden Sie ein Ende davon mit dem anderen Ende der Diode. Dieser Draht ist Ihre Antenne. Legen Sie ihn auf den Boden oder hängen Sie ihn in einen Baum, aber achten Sie darauf, dass das blanke Ende nicht den Boden berührt.
• Verbinden Sie die beiden Kabel des Ohrstöpsels mit den beiden Enden der Diode.

Wenn du nun den Ohrstöpsel in dein Ohr steckst, hörst du den Radiosender – das ist der einfachste mögliche Radioempfänger! Dieses supereinfache Projekt wird nicht funktionieren, wenn du sehr weit vom Sender entfernt bist, aber es zeigt, wie einfach ein Radioempfänger sein kann.

Und so funktioniert es. Deine Drahtantenne empfängt alle möglichen Radiosignale, aber weil du so nah an einem bestimmten Sender bist, ist das eigentlich egal. Das nahegelegene Signal überwältigt alles andere um ein Millionenfaches. Weil Sie so nah am Sender sind, empfängt die Antenne auch eine Menge Energie – genug, um einen Kopfhörer zu betreiben! Deshalb brauchen Sie weder einen Tuner noch Batterien oder sonst etwas. Die Diode fungiert als Detektor für das AM-Signal, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben. So können Sie den Sender trotz des Fehlens eines Tuners und eines Verstärkers hören!

Das Crystal Radio Kit, das Radio Shack verkauft (28-178), enthält zwei zusätzliche Teile: eine Induktivität und einen Kondensator. Diese beiden Teile bilden einen Tuner, der dem Radio zusätzliche Reichweite verleiht.

Grundlagen der Antenne

Wahrscheinlich ist Ihnen schon aufgefallen, dass fast jedes Radio, das Sie sehen (z. B. Ihr Mobiltelefon, das Radio in Ihrem Auto usw.), eine Antenne hat. Antennen gibt es in allen Formen und Größen, je nach der Frequenz, die die Antenne zu empfangen versucht. Die Antenne kann von einem langen, steifen Draht (wie bei den AM/FM-Radioantennen der meisten Autos) bis hin zu etwas so Bizarrem wie einer Satellitenschüssel reichen. Radiosender verwenden auch extrem hohe Antennentürme, um ihre Signale zu übertragen.

Die Antenne eines Radiosenders dient dazu, die Radiowellen in den Weltraum zu schicken. Bei einem Empfänger geht es darum, so viel Energie wie möglich vom Sender aufzunehmen und an den Tuner weiterzuleiten. Für Satelliten, die Millionen von Kilometern entfernt sind, verwendet die NASA riesige Parabolantennen mit einem Durchmesser von bis zu 60 Metern (200 Fuß)!

Die Größe einer optimalen Funkantenne hängt von der Frequenz des Signals ab, das die Antenne senden oder empfangen soll. Der Grund für diese Beziehung hat mit der Lichtgeschwindigkeit und der Entfernung zu tun, die Elektronen dadurch zurücklegen können. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 186.000 Meilen pro Sekunde (300.000 Kilometer pro Sekunde). Auf der nächsten Seite werden wir diese Zahl verwenden, um eine reale Antennengröße zu berechnen.

Antenne: Beispiele aus der Praxis

Nehmen wir an, Sie versuchen, einen Funkturm für den Radiosender 680 AM zu bauen. Er sendet eine Sinuswelle mit einer Frequenz von 680.000 Hertz. In einem Zyklus der Sinuswelle bewegt der Sender die Elektronen in der Antenne in eine Richtung, schaltet um und zieht sie zurück, schaltet um und schiebt sie hinaus und schaltet um und bewegt sie wieder zurück. Mit anderen Worten: Die Elektronen wechseln während eines Sinuszyklus viermal die Richtung. Wenn der Sender mit 680.000 Hertz läuft, bedeutet das, dass jeder Zyklus in (1/680.000) 0,00000147 Sekunden abgeschlossen ist. Ein Viertel davon sind 0,0000003675 Sekunden. Bei Lichtgeschwindigkeit können Elektronen 0,0684 Meilen (0,11 km) in 0,0000003675 Sekunden zurücklegen. Das bedeutet, dass die optimale Antennengröße für den Sender bei 680.000 Hertz etwa 110 Meter (361 Fuß) beträgt. AM-Radiosender brauchen also sehr hohe Türme. Für ein Mobiltelefon, das auf 900.000.000 (900 MHz) arbeitet, beträgt die optimale Antennengröße dagegen etwa 8,3 cm oder 3 Zoll. Das ist der Grund, warum Mobiltelefone so kurze Antennen haben können.

Sie haben vielleicht bemerkt, dass die AM-Radioantenne in Ihrem Auto nicht 300 Fuß lang ist – sie ist nur ein paar Fuß lang. Wenn Sie die Antenne länger machen würden, wäre der Empfang besser, aber die AM-Sender sind in den Städten so stark, dass es eigentlich egal ist, ob Ihre Antenne die optimale Länge hat.

Du fragst dich vielleicht, warum sich Radiowellen, wenn ein Radiosender etwas sendet, mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum von der Antenne weg ausbreiten wollen. Warum können Funkwellen Millionen von Kilometern zurücklegen? Warum hat die Antenne nicht einfach ein Magnetfeld um sich herum, in der Nähe der Antenne, wie bei einem Draht, der an einer Batterie befestigt ist? Eine einfache Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist diese: Wenn Strom in die Antenne fließt, erzeugt er ein Magnetfeld um die Antenne. Wir haben auch gesehen, dass das Magnetfeld ein elektrisches Feld (Spannung und Strom) in einem anderen Draht in der Nähe des Senders erzeugt. Es stellt sich heraus, dass das von der Antenne erzeugte Magnetfeld im Raum ein elektrisches Feld induziert. Dieses elektrische Feld induziert wiederum ein magnetisches Feld im Raum, das ein weiteres elektrisches Feld induziert, das wiederum ein magnetisches Feld induziert, und so weiter. Diese elektrischen und magnetischen Felder (elektromagnetische Felder) induzieren sich gegenseitig im Raum mit Lichtgeschwindigkeit und breiten sich von der Antenne weg aus.