Produktdetektor

Derselbe Mischer-plus-Tiefpass-Baustein steckt in jedem SSB- und CW-Empfänger — nur mit zwei völlig unterschiedlichen Rollen, je nachdem ob der lokale Referenzoszillator exakt oder absichtlich verstimmt eingestellt wird.

Der SSB-Artikel beschreibt die Demodulation abstrakt als „Multiplikation mit einem lokal erzeugten Referenzträger". Der Produktdetektor ist genau die Schaltung, die das konkret umsetzt — ein Mischer gefolgt von einem Tiefpassfilter. Er ist eine der am häufigsten gebauten Schaltungen im gesamten Amateurfunk-Selbstbau, weil er nicht nur SSB, sondern auch CW (Morsetelegrafie) demoduliert — mit demselben Bauteil, nur einer anderen Einstellung.

1. Grundprinzip: Mischer plus Tiefpass

Ein empfangenes Signal $r(t) = A(t)\cos(2\pi f_c t + \varphi(t))$ wird mit einem lokal erzeugten Referenzsignal $\cos(2\pi f_{\text{LO}} t)$ multipliziert — diesen Referenzoszillator nennt man beim Produktdetektor traditionell BFO (Beat Frequency Oscillator). Aus dem Additionstheorem $\cos(a)\cos(b) = \tfrac{1}{2}\big[\cos(a-b)+\cos(a+b)\big]$ folgt:

$$r(t)\cdot\cos(2\pi f_{\text{LO}}t) = \tfrac{A(t)}{2}\cos\big(2\pi (f_c-f_{\text{LO}})t+\varphi(t)\big) + \tfrac{A(t)}{2}\cos\big(2\pi (f_c+f_{\text{LO}})t+\varphi(t)\big)$$

Die Multiplikation erzeugt also zwei neue Frequenzanteile: die Summe $f_c+f_{\text{LO}}$ (weit oben im Spektrum) und die Differenz $f_c-f_{\text{LO}}$ (nah bei 0 Hz, falls $f_{\text{LO}} \approx f_c$). Ein nachfolgender Tiefpass entfernt den Summenanteil vollständig und lässt nur den Differenzanteil durch — genau dieses Ergebnis heißt „Produkt"-Detektor, weil die entscheidende Operation eine Multiplikation (ein Produkt) zweier Signale ist, im Gegensatz zum simplen Hüllkurvendetektor (Diode plus Kondensator), der ganz ohne Referenzoszillator auskommt, dafür aber nur bei klassischem AM mit vollem Träger funktioniert (siehe Amplitudenmodulation).

2. Zwei Anwendungsfälle, ein Bauteil

Was am Ausgang des Tiefpasses ankommt, hängt vollständig davon ab, wie genau $f_{\text{LO}}$ auf $f_c$ abgestimmt ist:

Bei SSB muss der BFO möglichst exakt mit der (unterdrückten) Originalträgerfrequenz übereinstimmen — nur dann liefert die Differenzfrequenz das unverzerrte Basisbandsignal zurück. Ein Frequenzfehler verschiebt, wie im SSB-Artikel beschrieben, die gesamte Tonhöhe gleichmäßig (der „Micky-Maus"-Effekt).

Bei CW ist ein unmodulierter Träger ($A(t)$ konstant, $\varphi(t)=0$) für sich genommen unhörbar — ein Sinuston bei 0 Hz ist kein Ton. Der BFO wird deshalb absichtlich um typischerweise 400 bis 1000 Hz verstimmt (gängige Praxis: rund 600–800 Hz), sodass aus dem stumm ein- und ausgetasteten Träger ein hörbarer Piepton in genau dieser Differenzfrequenz entsteht — daher der Name Beat Frequency Oscillator: Er erzeugt eine hörbare Schwebung (beat) zwischen zwei nahe beieinanderliegenden Frequenzen. Die Tonhöhe der Morsezeichen im Kopfhörer ist also keine Eigenschaft des Sendesignals, sondern frei durch die BFO-Verstimmung am Empfänger wählbar.

3. Simulator: BFO-Verstimmung und resultierender Ton

4. Schaltungsrealisierungen

Diodenringmischer (passiv): Vier Dioden in Ringschaltung, angesteuert vom BFO-Signal — robust, breitbandig und sehr linear, aber mit einem Konversionsverlust von typischerweise 6–8 dB, der nachverstärkt werden muss.

Aktive Mischer-ICs (Gilbert-Zelle): Die IC-Familie NE602/SA602/NE612/SA612 (ursprünglich von Signetics, heute NXP) kombiniert einen Gilbert-Zellen-Mischer mit eingebautem Oszillator in einem einzigen Chip und war jahrzehntelang die Standardlösung für Selbstbau-Direktmischempfänger im Amateurfunk — von einfachen Anfängerprojekten bis zu kommerziellen QRP-Bausätzen wie dem QCX von Hans Summers (G0UPL).

Digitale/SDR-Realisierung: In einem SDR ist der Produktdetektor keine separate Schaltung mehr, sondern eine einfache Multiplikation der digitalen Samples mit einem numerisch erzeugten Oszillatorsignal (NCO) — im Kern dieselbe Rechnung wie in Abschnitt 1, nur zeitdiskret statt analog. Der Quadratur-Demodulation-Block in GNU Radio realisiert sogar zwei Produktdetektoren gleichzeitig (BFO-Phase 0° und 90°), um I- und Q-Komponente parallel zu gewinnen.

5. Praktischer Einsatz

SSB/CW-Kurzwellentransceiver: Der Produktdetektor ist die letzte Demodulationsstufe praktisch jedes analogen und vieler digitaler Amateurfunk-Empfänger für Sprech- und Telegrafiefunk auf Kurzwelle.

Direktmischempfänger (Direct Conversion Receiver, DCR): Bei diesem beliebten Selbstbau-Empfängerkonzept mischt der Produktdetektor direkt von der Empfangsfrequenz ins Basisband herunter, ganz ohne separate Zwischenfrequenzstufe — einfacher Aufbau, aber anfälliger für Störeffekte wie den in Hochpassfilter, Abschnitt „DC-Spike/LO-Leakage entfernen" beschriebenen LO-Leakage-Spike bei 0 Hz.

RTTY und andere AFSK-Digimodes: Der Produktdetektor liefert das demodulierte Audiosignal, das anschließend von einem AFSK-Dekoder in die eigentlichen Datenbits übersetzt wird — etwa nach dem im Baudot-Code-Artikel beschriebenen ITA2-Verfahren.

6. Grenzen

• BFO-Genauigkeit entscheidet über Verständlichkeit: Bei SSB verschiebt jeder Frequenzfehler direkt die Tonhöhe (Abschnitt 2) — bei starker Verstimmung wird Sprache unverständlich, obwohl das Signal technisch vollständig demoduliert wird.
• Kein Schutz vor der Spiegelfrequenz: Ein Produktdetektor allein unterscheidet nicht zwischen Signalen ober- und unterhalb der Mischfrequenz — die nötige Vorselektion (Bandpass vor dem Mischer bzw. eine Bildunterdrückungsstufe) muss an anderer Stelle im Empfänger erfolgen.
• LO-Leakage bei Direktmischempfängern: Ein Teil des BFO-Signals koppelt unvermeidlich in den Empfangspfad ein und erzeugt einen DC-Offset bzw. Spike bei 0 Hz — siehe die Praxisanwendung im Hochpassfilter-Artikel.