Projekt Erweiterter AM- Modulator Teil 2- Voraussetzungen

Projekt Erweiterter AM- Modulator Teil 2

2. Voraussetzungen

Chassis
Grundlage ist ein Schlachtchassis, welches mir REMA2080 zur Verfügung stellte. 
Das Chassis war „solo“, ohne Gehäuse, so dass sich die Restaurationsfrage nicht stellte.
Der Zustand war „anrepariert“, einige Kondensatoren bereits gegen moderne Folienkondensatoren getauscht, leider manchmal gegen eckige, was der Funktion natürlich keinen Abbruch tut.

Die Vollrestauration wäre- nach eingehender Sichtung- extrem aufwendig geworden, nahe einem Neuaufbau.
Sämtliches Gummi- und Weichplast- Material war in Auflösung begriffen. Selbst die Gummifüße, die als schwingungsdämpfende Drehko- Füße eingebaut waren, waren geschrumpft und zerbröselt.

Da ich das Chassis ja als Grundlage meines Projektes verwenden wollte... wurde es vollständig geräumt, lediglich die Röhrenfassungen blieben, da diese eingenietet sind.
Philips- üblich, befanden sich auf dem Chassis unzählige Drahtspiralen, in denen mehrere Drähte und Bauelemente- Anschlüsse zusammengefasst wurden.
Sehr schön sind hochstehende (bzw. hängende) Pertinax- Lötösen- Streifen, die auch weiterhin als Lötstützpunkte dienen können. (Philips- Sehr gut !)

Röhren
Zur Verfügung stehen Außenkontakt- und Stiftröhren der RENS-, A-, B-, C-, und E- Serie (E: Philips „Rote Reihe“).
E- Röhren bieten sich aufgrund des Netzteils an, dies ist aber nicht zwingend.
Ggf. werden die Fassungen getauscht. Ich denke, dass sowieso mindestens eine Fassung hinzukommt.
Die Gleichrichtung besorgte im Original- Gerät eine AZ 1, und wird es auch wieder tun, ich habe eine sehr schöne, „hellbrennende“ AZ 1, die schon ganz heiß auf ihren Einsatz ist. J

Spulen
Da hätte ich gern was optisch Schönes- ich denke an eckige, quaderförmige Abschirmbecher aus Kupfer, welche die Löcher der Original- Filter abdecken. Ich werde mal sehen, ob ich geeignetes Material bekomme.
Innen werden Spulen werkeln, die ich schon vor Jahrzehnten aus Schlachtmaterial gewann,l es stehen verschiedene Ausführungen zur Verfügung.

Trimmer.

Da hat Philips phantastisches Material zugeliefert: Seine berühmten Lufttauchtrimmer.
Die Dinger sind absolut top. Müssten –der Bauweise nach- ewig leben, sind kontaktsicher, hervorragend abgleichbar, und vor allem sehr frequenzstabil. Früher gesuchtes Material bei Funkamateuren.
Leider sind die Trimmer stark mit einem Kleber fixiert, das Zeug ist dicke drauf, muss ich erst entfernen.
Es gibt bereits passende Löcher für einige Trimmer, die ich aber nicht nutzen kann, da die Trimmer an den Schwingkreisen positioniert werden.

Widerstände und Kondensatoren
Die gewonnenen Widerstände des Philips kommen zu Ehren, wenn der Wert passt, Kondensatoren werden als „Edi- Kondis“ verkleidet.

Sonstiges

Evtl. kommen noch ein Abstimm- Drehko, sowie ein Anodenstrom- oder Ausgangsspannungs- Messwerk hinzu. Drehkos habe ich, Messwerke ebenfalls, die würden optisch wohl nicht passen, evtl. könnte man da gestalterisch tätig werden.

Edi



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3. Vorbereitung

Die Gummi- Drehko- Halter fielen komplett weg, der Drehko wird mit längeren Schrauben und Unterlegscheiben unverrückbar und bombenfest auf dem Chassis gehalten- für einen Oszillator ist eine lose Drehkobefestigung ohnehin Pfui.

Edi


Drehkobefestigung- Nicht mehr Hilfsplatte auf Gummidämpfern, wie original,
sondern fest mit dem Chassis verschraubt.
(Senderoszillator: Für höchste Stabilität ist kein mechanisches Spiel zulässig)

Die Skalenfront bleibt vorerst demontiert, wird aber mit 2 Schrauben wieder befestigt, wenn der Neuaufbau abgeschlossen ist.

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4. Forderungen

Aus dem Vorwort ergeben sich folgende Eckdaten- Forderungen:

1. AM- Bereich- vorzugsweise Mittelwelle.

2. Modulationsgrad hoch, in etwa der Höhe, die jene im Vorwort genannten Fremdsender realisieren, das dürfen Modulationsgrade um 80 – 90 % sein.

3. Weiter Modulationsbereich (Modulationsbandbreite), um bei AM eine weitaus bessere Wiedergabe zu erzielen, als dies bei normgerechten Rundfunksendern möglich ist.
Allerdings muss auch der Empfänger dies ermöglichen.
Bei vielen Großsupern kann man davon ausgehen, dass dies möglich ist.
Es gibt aber auch Betrachtungen dazu, die evtl. technische Anpassungen nötig machen.

4. Zuschaltbare Begrenzung des Modulationsbereichs, ähnlich dem „Eckmiller- Filter“, um einen normgerechten Modulationsbereich zu erzeugen.
Ein echtes Eckmiller- Filter dürfte zu aufwendig werden, es besteht die Möglichkeit, ein einfacheres Filter in den Signalweg einzuschleifen, sowie Anschlüsse zum Einschleifen eines externen graphischen Equalizers zur Verfügung zu stellen.
Ich denke an die Modulations- Bandbreiten: 4,5 KHz, 15 KHz, evtl. 20 KHz.
Achtung: Die Bandbreite muss wahrscheinlich auch „von unten her“ beschnitten werden, Gründe dafür werden in den Grundlagen- Betrachtungen erläutert und diskutiert.

5. Modulationsquelle

Ganz einfach: Handelsüblicher CD- Spieler. "Nix MP3- kommt mir nich uff de Tüte. Basta !". 

6. Die Ausgangsleistung soll ausreichen, um den Bereich eines Gehöftes -einige hundert Meter- drahtlos versorgen zu können. Die Auskopplung soll an verschiedenen Antennen möglich sein, (verkürzter) Langdraht, sowie magnetische Antennen (Magnetic Loop).
Ich denke an eine Leistung von 0,5 bis maximal 1,5 Watt, letztere ergeben sich aus dem Wirkungsgrad und der Ausgangsleistung der üblichen, historischen Endröhren- wenn denn eine solche überhaupt nötig ist.

7- 10. Natürlich ergeben sich weitere Forderungen, wie Frequenzstabilität, spektral möglichst sauberes Signal, geringe Eigen- Störabstrahlung, Netzverblockung, usw.

11. Als (vorerst) letzte Forderung: Nachbausicherheit, vor allem im Hinblick auf die Verwendung anderer Röhren.

Daraus ergibt sich die Lösung, Röhren zu verwenden, die einfach durch weitverbreitete Röhren ersetzt werden können, wie z. B. AL 4 -> EL 11 -> EL 84.
Dass evtl. Arbeitspunkte angepasst werden müssen, sollte klar sein, ein universeller Arbeitspunkt ist kein Thema. Dazu werden aber in den Grundlagen Erklärungen geliefert.

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5. Grundlagen- Gedanken

Grundaufbau


Hier Blockskizzen der möglichen Aufbau- Varianten.
Der Oszillator soll –der Stabilität wegen- nur Oszillator sein.

Ich rechne mit 2 NF- Stufen, da ein Filter vorgesehen ist, um „echte“ AM- Verhältnisse darzustellen (9 KHz Bandbreite), das Filter schwächt die verstärkte NF der Eingangsstufe ab, was in der 2. NF- Stufe ausgeglichen wird.
Die 2 NF- Stufe ist auch Modulator- Endstufe, kann eine NF- Endröhre sein.
Ggf. ist die 2 NF- Stufe aber selbst auch noch zweistufig.

Ggf. kann es notwendig sein, die Treiberstufe mitzumodulieren, mehr dazu im Text zur Modulation.

Edi


Edit: Ich bekam den Hinweis, klar auszudrücken, was mit "Bypass" gemeint ist.
Bypass meint eine Umgehung der Filter zwischen den Stufen = maximale Bandbreite.

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5. Grundlagen- Gedanken

Oszillator.


Erst mal muss ja mal was da sein, was schwingt.
Der Bereich ist mindestens der gesamte MW- Bereich.
Hier ergibt sich die Forderung, dass der Oszillator über diesen Bereich sicher schwingt.
Ideal wäre eine gleichbleibende Amplitude.

Es gibt jede Menge Oszillator- Schaltungen, ich habe mich vor Jahrzehnten mit diesen beschäftigt.
Die meisten finden sich in der Amateurfunk- Literatur. Die Funkamateure benötigen aber nur einen schmalen Frequenzbereich- je nur 1 Amateurband, über diesen ist eine gleichbleibende Schwingsicherheit und Amplitude gut realisierbar.
Dies ist hier aufgrund des weiten Frequenzbereichs nicht der Fall, zudem soll der Aufwand in Grenzen bleiben.

Aus der Anzahl der verschiedenen Schaltungen möchte ich die ECO- Schaltung testen, alternativ die gewöhnliche Meißner- Schaltung mit induktiver Rückkopplung, wie sie in Millionen Röhrenradios Verwendung fand.
Es gibt unzählige andere Schaltungen, die jedoch nicht leicht zu beherrschen sind.
Kleine Auswahl gefällig ?
Hartley-, Colpitts-, Clapp-, Huth- Kühn-, Franklin-, Butler- Oszillator.

Die ECO- Schaltung verwendet eine Rückkopplung im G1- K- Bereich. Die HF wird an der Anode ausgekoppelt. Zwischen dem schwingungserzeugenden Kreis und dem Ausgang fliegen nur die Elektronen als Kopplungselemente, was der Schaltung den Namen gab (aus dem Englischen: electron coupled oscillator)..
Natürlich gibt es eine Gitter-Anoden- Kapazität Ca-g, die berücksichtigt werden muß. Geeignete Penthoden haben eine sehr kleine Ca-g.
Die ECO- Schaltung verspricht also eine sehr geringe Rückwirkung nachfolgender Stufen auf den Oszillator, damit hohe Stabilität.

Die Meißner- Schaltung mit induktiver Rückkopplung ist DIE Standard- Oszillator- Schaltung, schwingfreudig, in weiten Frequenzbereichen ohne Umschaltung durchstimmbar, zuverlässig, bewährt in Millionen Radios, meist mit dem Triodenteil der Mischröhre (Triode/ Hexode, ACH..., ECH,...) ausgeführt.

Edi


Zeichnung: Edi, mit SPlan

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Und noch ein Beitrag zum Oszillator, ein Hinweis von Hr. Prof. Rudolph:
Eine klirrarme Oszillatorschaltung, nach F. E. Terman, immerhin von 1935.
Sieht nach nur wenig mehr aus, als Meißner.
Die gemessenen Werte bestätigen den Namen, sowie den Satz:

Zitat:
Der klirrarme Oszillator eignet sich auch für einen AM Modulator, der praktisch keine nachweisbaren Oberschwingungen erzeugt, da diese im Rauschen untergehen.


Ich werde die Schaltung ins Auge fassen- auf den ersten Blick scheint mir die beschriebene Klirrreinheit nicht unlogisch, ob der loseren Ankopplung über einen großen Widerstandswert.
Die Schaltung arbeitet gleich auf das Steuergitter der nachfolgenden Röhre, es muß keine Leistung aufgebracht werden- ebenfalls ein positiver Aspekt.

Bleibt die Frage nach Schwingsicherheit und Größe der Amplitudenänderung beim Durchstimmen.

Das erst mal zum Oszillator.

Edi


Klirrarmer Oszillator

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Modulation
Hier hole ich mal Grundlagen- mäßig etwas aus, verzichte aber auf mathematische Darlegungen.
Bei der AM- Modulation wird die wird die Amplitude der Trägerschwingung proportional zum Audiosignal verändert.


Im Zusammenhang mit Modulation und Überlagerung muß man mal die Begriffe klären, dies sind nämlich unterschiedliche Vorgänge.

Unterschied Überlagerung – Amplitudenmodulation

Das linke Bild zeigt die ÜBERLAGERUNG- die HF folgt zwar der NF, ändert aber nicht die Amplitude. So würde es aussehen, wenn man beide Schwingungen 2 Wicklungen eines Transformators zuführen würde.
Der Transformator ist ja kein aktives Bauelement mit nichtlinearer Kennlinie.

Hat man ein solches Bauelement, eine Röhre oder einen Transistor dann hat man den im rechten Bild gezeigten Vorgag- die Modulation.

Nebenbei: Mischung... da war doch was... Bauelement mit nichtlinearer Kennlinie, ja, klar, die Mischröhre oder der Mischtransistor.
2 Schwingungen gehen doch auch in das Ding rein... !?

Tatsächlich sind Modulation und Mischung derselbe Vorgang, die Signalverarbeitung danach ist anders.

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Technische Realisierung der AM

Und so kann die Modulation dann an der Röhre aussehen.
2 Schwingungen können an EINE Elektrode gelegt werden. Ja, das geht.


Die beiden Schwingungen können gegeneinander entkoppelt zugeführt werden, über Widerstände/ Kondensatoren, über Spulen/ Trafo- Reihenschaltungen. Hauptsache, kommen beide an die Elektrode.
Da bis dahin aber noch kein Bauelement mit nichtlinearer Kennlinie aktiv ist... kommen beide Schwingungen ÜBERLAGERT an.
(Mit „überlagert“ ist nicht ein Verfallsdatum gemeint, die Schwingungen sind noch frisch... :-) )
NACH dem aktiven Bauelement haben wir dann eine mit einer NF modulierte HF- Trägerschwingung, die wir in ein Radio einspeisen können, an eine Antenne aussenden können, usw.

Aber... Röhren sind schon tolle Teile... es gibt Röhren, die haben genug Gitter, da kann man die zu modulierenden Frequenzen sogar an 2 unabhängige Elektroden legen.


Obere Schaltung: Wie wir sehen, am Gitter liegen HF und NF nur so halbwegs umarmt aneinander, aber an der Anode sind sie dann schön miteinander verquickt.
Minus Steuergitter (-Ug) brauchen wir gleich...

War da nicht was mit einer Kennlinie ?
Ja, genau.
Wir suchen uns einen Arbeitspunkt, der in der Mitte des geradesten Teils der
Kennlinie liegt, und lassen die beiden Frequenzen jeweils nach oben und unten um diesen Punkt wandern. Wir müssen allerdings Sorge tragen, dass wir den geraden Teil nicht überschreiten- da kommen wir dann in einen Bereich, in welchem die Schwingungen noch bearbeitet werden, jedoch eine Verformung (= Verzerrungen) erfahren, und das klingt dann unschön.
Und den Arbeitspunkt in die Mitte des geradesten Teils der Kennlinie legen ? Nichts einfacher als das- geht mit einer negativen Gittervorspannung, z. B. aus einer Extra- Wicklung erzeugt, aber auch –eine geeignete Röhre vorausgesetzt- mit Gitteranlaufspannung, oder der automatischen Gitterspannungserzeugung (aus dem Spannungsabfall an einem Widerstand, der vom Strom der Gesamtschaltung durchflossen wird.

Und wie geschrieben, es geht auch mit 2 Elektroden.

Es kommt noch besser: Es geht mit JEDER Elektrode- wir können auch Schirmgitter, Bremsgitter, alle möglichen sonstigen Gitter, die Anode, und den Glaskolben nutzen.
Ach nee... den Kolben wohl nicht....   :-)


Wie geht's weiter ? Das... klären wir gleich. Nach der Werbung !

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Steuergittermodulation





Die unteren beiden Bilder sind noch einmal die andere Darstellung, welche die Verhältnisse etwas übersichtlicher zeigt.
Daraus ergibt sich die Einstellung des Arbeitspunktes- ohne Modulation genau Mittelpunkt der Kennlinie, es wird nur noch der Träger gesendet, theoretisch mit 50 % der Leistung, die am oberen Ende der Kennlinie („Oberstrich“) möglich wäre.
Für das Projekt absolut ausreichend.

Allerdings ist ein Modulationsgrad von max. 80 % erreichbar.
Jedoch ebenfalls- absolut ausreichend.

Anoden- Modulation
Diese Modulationsart erwähne ich nur, weil sie eigentlich die beste Modulationsart wäre... jedoch erfordert sie einen Modulationstransformator, der zur Erreichung des geforderten, möglichst großen NF- Frequenzbereichs sehr aufwendig gewickelt sein muss, dieser müsste also teuer angefertigt werden.


Hier wirkt die NF- Spannung „aufstockend“ auf die Anodenspannung, die Leistung kann viel höher sein, als mit Gittermodulation möglich. Allerdings muss die NF, um die Röhre speisen zu können, aus einem Modulationsverstärker kommen, der mindestens die doppelte Leistung der HF- Endstufe hat !
Dafür ist eine saubere Modulation möglich, und der Modulationsgrad kann bis nahezu 100 %. hochgeschraubt werden.

Anodenmodulationsschaltungen mit einer Serienröhre,
Andererseits gibt es Anodenmodulationsschaltungen mit einer Serienröhre, die auf einen Transformator im Anodenkreis verzichten.

 



Heising- Modulation, auch Drossel- Modulation


Heising- Anoden- Modulator. Diese Schaltung ist prädestiniert für leistungsschwache Endstufen.
Die Anodenstrom- Änderungen rufen in der Drossel Induktionsspannungen hervor, die proportional der Modulationsspannung sind.

Die Original- Schaltung funktionierte übrigens mit EL 83 (HF) und EL12 N (NF), eine gute Möglichkeit, die in alten Fernsehern verwendete EL 83, die kaum jemand verwendet, zu nutzen, und von der Leistung her passend für das Projekt.


Historische Ausführungen des Heising Anoden- Modulators

Ja, was kommt noch in Frage ?
Da gibt es noch einiges, z. b. trägersteuernde Schirmgittermodulation. Diese passt die Trägeramplitude an die NF- Amplitude an- im Extremfall ist ohne NF- kein Träger da !
Lasse ich mal aus, ich lege Wert darauf, immer einen konstanten Trägerwert vorzufinden.

Bei meinen Recherchen stieß ich noch auf die Taylor- Modulationsschaltung.
Im Amerikanischen „Taylor- Super- Modulation“, international: “Doherty- Modulator”.
Ist die sooo super ? Habe ich vorher nie gehört. Im Internet ist wenig darüber zu finden.
Aber ich habe eine Schaltung.


Taylor (Doherty-)- Modulator
Dieser Modulator erreicht fast 100 % Modulationsgrad !
Dies wird durch einen Trick erreicht:
„Im angesteuertem Zustand, jedoch ohne NF, arbeitet die obere Röhre in Oberstrich- Einstellung, während die untere Röhre infolge großer negativer Gitterspannung nahezu gesperrt ist. Wird moduliert, heben die positiven NF-. Amplituden am G1 der unteren Röhre diese negative Gitterspannung auf, so dass diese Röhre bis zum Oberstrichwert aufgeregelt wird. An der Leistungsaufnahme der oberen Röhre ändert sich nichts, da diese bereits in Oberstrich arbeitet. Die negativen Halbwellen sperren die untere Röhre nahezu vollständig, und lassen deren Ausgangsleistung auf fast Null absinken.
Da beim Modulieren der Input zwischen nahe Null und dem doppelten Ruhewert schwankt, liegt trotz der minimalen notwendigen Modulationsleistung der Modulationsgrad bei nahezu 100 %.“

Hierzu bekam ich von Prof. Rudolph den Hinweis:

Zitat:
Die Einstellung der Arbeitspunkte ist kritisch, auch müssen Phasenbedingungen für die HF eingehalten werden, was breitbandig nicht geht. Also für den vorgesehenen Zweck unbrauchbar.

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Modulation mit Mehrgitter (Misch-) Röhren

Vergessen wir nicht Hr. Roschys bekanntes „Heimsenderlein“, welches mit einer Mischröhre arbeitet.

 
J. Roschy`s Heptodenmodulator, mit einer Auskoppelvariante versehen, es gibt mehrere, für verschiedene Anwendungsfälle.

Die Schaltung verwendet bekanntlich die spezielle Nicht- Regelröhre ECH 84.
Übliche Regelhexoden haben eine dermaßen gekrümmte Kennlinie, dass Verzerrungen zu erwarten sind.
Die Modulation an 2 unabhängigen Elektroden verspricht geringsten Aufwand, kein Transformator oder Drossel nötig, es muß keine NF- Leistung aufgebracht werden, Modulationsgrad und Klirrfaktor sind akzeptabel.

Jedoch ist eine geeignete Nicht- Regel- Mischröhre nötig.
Nach Hinweis v. Hr. Roschy eignet sich die ECH 4, die Schaltung würde mit dieser Röhre in Frage kommen.

Was mir zu dieser Modulationsart einfällt, die Verwendung von Mehrgitter- Spezial- Demodulator- Röhren, wie EQ 40/ 80, FM 1000- Im Demodulator gibt`s immerhin nichts zu regeln.
Allerdings sind diese Röhren zu speziell- obgleich es interessant wäre.

Damit sind schon recht viele Modulationsmöglichkeiten besprochen- dies ist aber nur ein kleiner Querschnitt- es gibt weitaus mehr Lösungen.

Ich fasse zusammen- ich schlage für das Projekt diese Möglichkeiten der AM- Modulation vor: Gittermodulation, Heising- Anodenmodulation, Taylor- Modulation, Mischröhrenmodulation.

Kommen wir nun zur ->

Bandbreite und Darstellung des Modulationsspektrums bei AM

Die HF- Bandbreite der Amplitudenmodulation ist gleich der doppelten NF- Bandbreite.
Beim Rundfunk wird im AM-Bereich ein standardisiertes Frequenzband von 4,5 kHz Breite
(von 0 Hz bis 4,5 kHz) übertragen, was zu einer Bandbreite B = 9 kHz führt.
(Ahhhh... Daher der Kanalabstand 9 KHz auf Mittelwelle... J )

NF- Spektrum

HF- Spektrum

Diese Darstellung müssen wir uns -nur für dieses Projekt- eben nur erweitert vorstellen, das NF- Frequenzband ist eben max. 15- 20 KHz breit, ebenso die Seitenbänder, wir haben dann also max. 30- 40 KHz Bandbreite.

Das ist sehr viel, und es erhebt sich die Frage, ob das Empfänger- seitig von jedem Gerät verarbeitet werden kann. Außerdem soll ja die Möglichkeit bestehen, wieder auf „normgerechte Verhältnisse“ zurückzuschalten.
In beiden Fällen soll der Klirrfaktor in akzeptablen Grenzen bleiben- ich denke, unter 1% sind auf jeden Fall anzustreben.
Übertreiben muss man allerdings auch nicht- die Empfänger haben selbst ja oft einen beachtlichen Eigen- Klirrfaktor.

Beim Projekt "Erweiterter AM- Modulator" betreten wir  Neuland- für Funkamateure gibt es Unterlagen en masse, aber deren begrenzter Oszillator- Durchstimmbereich (nur Amateur- Bänder), der arg beschnittene Telefonie- Frequenzgang, und damit die sehr begrenzte Bandbreite sind natürlich leichter beherrschbar.

Übrigens- der Leistungsmeßsender SMLR von Rohde & Schwarz erreicht 70 % Modulationsgrad, bei max. 10 KHz Bandbreite, 90 % bei 7 KHz.

Damit beende ich die Grundlagen- Ausarbeitung, es folgen Einwürfe, die zur Diskussion stehen.

Quellen für alle vorstehenden Beiträge:
Einige Bilder: Edi mit Splan, z. T. kombiniert mit Bildausschnitten aus den anderen Quellen
http://de.wikipedia.org/wiki/Amplitudenmodulation
Ausarbeitung „AM- Modulatoren- Technik“, Prof. D. Rudolph, , nachlesbar:
http://www.diru-beze.de/modulationen/sk ... WS0506.pdf
Empfehlenswert ! Unbedingt lesen !
Ausarbeitung „Amateurfunk- Kurs Modulation/ Demodulation“, DL4MDF
http://www.mydarc.de/dh2mic/afu-kurs/pd ... lation.pdf
Empfehlenswert ! Unbedingt lesen !
Reihe „Der Praktische Funkamateur“, Heft 32, H. Brauer, „Modulationssarten und Modulatorschaltungen“, Militärverlag der DDR, 1962
Reihe „Der Praktische Funkamateur“, Heft 24, R. Schmidt, „Schwingungserzeugung mit Elektronenröhren“, Militärverlag der DDR, 1962
Buch Amateurfunk“, Militärverlag der DDR, 1956