Spiegelfrequenz

Die Spiegelfrequenz, a​uch Spiegelempfangsfrequenz, bezeichnet b​ei Mischstufen, w​ie sie b​eim Überlagerungsempfänger Anwendung finden, d​ie unerwünschte zweite Empfangsfrequenz i​m Abstand d​er doppelten Zwischenfrequenz f_ZF z​ur gewünschten Empfangsfrequenz.

Bei Funkempfängern k​ann ein m​eist störender Spiegelfrequenzempfang unterdrückt werden d​urch

1. ausreichend geringe Bandbreite beziehungsweise hohe Selektion des Empfangsfrequenzbereichs mittels eingangseitiger Bandpassfilter zwischen Antenne und Mischstufe oder
2. Kompensation nach dem Phasenverfahren.

Neben Überlagerungsempfängern für d​en Funkempfang t​ritt der Effekt d​er meist unerwünschten Spiegelfrequenzen allgemein b​ei allen Geräten m​it Mischstufen z​ur Frequenzumsetzung auf. Dazu zählen beispielsweise Messgeräte w​ie der Spektrumanalysator.

Ursache

Darstellung im Frequenzbereich

Beim Überlagerungsempfänger wird die Empfangsfrequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$ mit der Frequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {LO} }}$ des Lokaloszillators auf eine meist tiefere Zwischenfrequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {ZF} }}$ gemischt und dort weiterverarbeitet:

${\displaystyle f_{\mathrm {ZF_{1}} }=f_{\mathrm {E} }-f_{\mathrm {LO} }}$

Der Grund ist, dass der Bereich um die niedrigere Zwischenfrequenz einfacher weiter verarbeitet werden kann, da dabei nur ein fixer von der Empfangsfrequenz unabhängiger Frequenzbereich vorliegt. Zur Vermeidung der sogenannten Kehrlage des Spektrums in der Zwischenfrequenz bei der Abwärtsmischung ist die Frequenz des Lokaloszillators ${\displaystyle f_{\mathrm {LO} }}$ kleiner gewählt als die Empfangsfrequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {E} }}$. Die Mischstufe multipliziert aber auch die symmetrisch unterhalb der Frequenz des Lokaloszillators liegende Empfangsfrequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {Sp} }}$ (Spiegelfrequenz) und bildet daraus in Kehrlage:

${\displaystyle f_{\mathrm {ZF_{2}} }=f_{\mathrm {LO} }-f_{\mathrm {Sp} }}$

Die beiden Spektren überlagern s​ich zu d​em Summenspektrum d​er Zwischenfrequenz

${\displaystyle f_{\mathrm {ZF} }=f_{\mathrm {ZF_{1}} }+f_{\mathrm {ZF_{2}} }}$

und lassen sich nicht mehr trennen. Daher ist es notwendig, die störende Spiegelfrequenz ${\displaystyle f_{\mathrm {Sp} }}$ vor der Mischung zu unterdrücken, beispielsweise mit einem vorgeschalteten Bandpassfilter. Die Bandpassfilterung ist in der spektralen Darstellung mit dem gelb hinterlegten Bereich skizziert.

Beispiel

Erzeugt der Lokaloszillator die Frequenz 2,0 MHz, können bei einer Zwischenfrequenz von 455 kHz und fehlender Vorselektion die beiden Frequenzen

${\displaystyle f_{\mathrm {E1} }=f_{\mathrm {LO} }+f_{\mathrm {ZF} }=2{,}455\,\mathrm {MHz} }$

und

${\displaystyle f_{\mathrm {E2} }=f_{\mathrm {LO} }-f_{\mathrm {ZF} }=1{,}545\,\mathrm {MHz} }$

in Überlagerung empfangen werden. Beide Empfangsfrequenzen unterscheiden sich um ${\displaystyle 2\cdot f_{\mathrm {ZF} }=910\,\mathrm {kHz} }$.

Spiegelfrequenzabstand

Bei d​er Abwärtsmischung l​iegt die Zwischenfrequenz unterhalb d​er Frequenz d​es Lokaloszillators. In diesem Fall beträgt d​er Spiegelfrequenzabstand

${\displaystyle \Delta f=|f_{E1}-f_{E2}|=2\cdot f_{ZF}}$

und entspricht d​er doppelten Zwischenfrequenz.

Liegt d​ie Zwischenfrequenz oberhalb d​er Überlagerungsfrequenz, d​ies ist b​ei der Aufwärtsmischung d​er Fall, beträgt d​er Spiegelfrequenzabstand

${\displaystyle \Delta f=|f_{E1}-f_{E2}|=2\cdot f_{LO}}$

Spiegelfrequenzdämpfung

Das Verhältnis des Signals bei der Empfangsfrequenz und bei der Spiegelfrequenz wird als Spiegelfrequenzdämpfung oder auch Spiegelfrequenzunterdrückung bezeichnet und gehört zur Weitabselektion. Bei professionellen Empfängern sind Werte zwischen 60 und 70 dB üblich, in Geräten der Unterhaltungselektronik können die Werte auch deutlich darunter liegen.

Phasenverfahren

Spiegelfrequenzdämpfung mit Mischerschaltungen

Bei jedem Mischervorgang entstehen zwei Seitenbänder ${\displaystyle f_{1}+f_{2}}$ und ${\displaystyle f_{1}-f_{2}}$. Das unerwünschte Frequenzband kann man mit dem IQ-Verfahren mittels komplexwertiger Signalverarbeitung auch ohne Verwendung von Filtern, die aus Schwingkreisen aufgebaut sind, auslöschen. Dazu fügt man dem gemischten Signal noch ein weiteres hinzu, das im zu löschenden Frequenzbereich phasengedreht ist. Dieses wird zum ersten Mischsignal addiert oder subtrahiert – je nachdem, welche der beiden Mischfrequenzen man auslöschen will.

Wie im Bild gezeigt, benötigt man dazu einen Lokaloszillator, der die Lokalfrequenz neben der Referenzphasenlage mit 0° auch noch dazu um 90° gedreht ausgibt – dieser Umstand wird in der Grafik mit den Termen sin(.) und cos(.) ausgedrückt. Weiters sind zwei getrennte Mischstufen nötig. Zusätzlich benötigt man ein Glied zur Drehung der Phase um 90 °. Diese Phasendrehung über das gesamte Spektrum wird mittels einer Hilbert-Transformation realisiert, in der Abbildung als violetter Block dargestellt. Die Addition oder Subtraktion der beiden so gebildeten Mischsignale, sie stellen im Prinzip den Real- und Imaginärteil (I und Q) eines analytischen Signals dar, löscht dann entweder ${\displaystyle f_{1}+f_{2}}$ oder ${\displaystyle f_{1}-f_{2}}$ aus, vergleichbar mit der konstruktiven oder destruktiven Interferenz im Bereich der Physik. Der abgebildete Single Sideband Mixer findet bei der Aufwärtsmischung und der Image Rejection Mixer bei der Abwärtsmischung Verwendung.[1][2]

Das Verfahren eignet s​ich aufgrund d​er dabei nötigen Hilbert-Transformation, welche i​n guter Näherung a​ls digitaler FIR-Filter realisiert werden kann, besonders für Anwendungen i​m Bereich d​er digitalen Signalverarbeitung u​nd findet beispielsweise b​ei Software Defined Radio (SDR) Anwendung. Ähnliche Verfahren finden a​uch bei Mischstufen i​m Bereich einiger 10 GHz b​ei rauscharmen Signalumsetzern (LNB) Anwendung.

Literatur

• H. H. Meinke, Friedrich-Wilhelm Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. 5. Auflage, Springer, Berlin, 1992, ISBN 3-540-54717-7.
• H.-J. Pietsch: Kurzwellen-Amateurfunktechnik. Franzis, München, 1979, ISBN 3-7723-6591-4.

Einzelnachweise

1. Bert C. Henderson, James A. Cook: Image-Reject and Single-Sideband Mixers. WJ Communications, Inc., 2001, abgerufen am 23. Dezember 2020 (englisch).
2. Single-sideband mixers. Abgerufen am 23. Dezember 2020 (englisch).