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Theoretische Betrachtung von Empfängerdaten und -großen 3

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Stimmt man einen Empfänger auf eine freie Frequenz ab, hört man bei voller NF- und HF-Verstärkung in Kopfhörer oder Lautsprecher ein Rauschen, das akustisch an einen Wasserfall erinnert. Diese Erscheinung rührt von kleinsten Wechselspannungen her, die durch die nichtgleichförmige Bewegung von Ladungsträgern beim Stromfluß durch aktive und passive Bauelemente entstehen.

Rauschen, Empfängerempfindlichkeit

Das Frequenzspektrum reicht je nach Rauschquelle von der Frequenz Null bis nahezu Unendlich, also über den gesamten Bereich der technischen Frequenzen. Wegen ihrer typischen Eigenschaften unterscheidet man zwischen einer Reihe spezifischer Rauschquellen:

1. Widerstandsrauschen entsteht in jedem ohmschen Widerstand. Es wird auch "weißes Rauschen" genannt. Das Frequenzspektrum erstreckt sich über den gesamten meßbaren Frequenzbereich, wobei die Energieverteilung pro Hertz Bandbreite in allen Frequenzbereichen gleich ist.

2. Kreisrauschen entsteht am Wirkwiderstand eines Schwingkreises in Resonanz. Im Mittel- und Langwellenbereich muß man mit Parallelresonanzwiderständen von 100 bis 300 kit rechnen, während im KW-Bereich Werte von 10 bis 50 kf einzusetzen sind.

3. Das Antennenrauschen setzt sich aus dem Rauschen des Strahlungs- und des Verlustwiderstands der Antenne und dem sogenannten "galaktischen" Rauschen zusammen, das von der Antenne aus dem Raum empfangen wird. Diese kosmische Rauscheinstrahlung ist auf atmosphärische Störungen zurückzuführen, die frequenzabhängig sind. Im Lang-und Mittelwellenbereich muß man mit starken Prasselstörungen unterschiedlicher Amplitude rechnen, die bei höheren Frequenzen zu einem gleichförmigen "Wasserfall"-Rauschen werden. Da die atmosphärischen Störungen mit dem Quadrat der Wellenlänge zunehmen, ist das Antennenrauschen im LW-Bereich um einige Größenordnungen stärker als im KW- und vor allem im UKW-Gebiet.

4. Das Transistorrauschen ist auf halbleiterphysikalische Vorgänge zurückzuführen. Es hängt in besonderem Maße vom Frequenzbereich, vom Kollektorstrom und auch vom Innenwiderstand der Signalquelle ab. Zwischen 1 kHz und der Grenzfrequenz 1, ist das Rauschmaß konstant (weißes Rauschen). Dagegen nimmt es von 1 kHz zur Gleichspannung um 10 dB pro Dekade zu, während es ab fo mit 20 dB pro Dekade zu höheren Frequenzen steigt. Sperrschicht-FETs rauschen weit weniger als bipolare Transistoren. Dies macht sich besonders bei größeren Generatorinnenwiderständen bemerkbar. Qualitativ entspricht die Abhängigkeit des Rauschens aber der des bipolaren Transistors. Bei MOSFETs steigt das Rauschen bereits unterhalb 100 kHz stark an. Es erreicht bei niedrigen Frequenzen den 10- bis 100fachen Wert des Rauschens vom Sperrschicht-FET, so daß man MOSFETs selten für die NF-Technik einsetzt.

Zur mathematischen Untersuchung eignet sich das weiße Rauschen am besten, da die Rauschleistung Pr eines ohmschen Widerstands homogen über das gesamte Frequenzspektrum verteilt ist. Sie verhält sich proportional zur Bandbreite B. Die Rauschleistung ist zudem abhängig von der absoluten Temperatur To in K (Kelvin, 0°C = 273 K, 0 K = -273°C), da die mit der Temperatur zunehmende Molekularbewegung im Leiter zu einem ungleichförmigeren Ladungsträgertransport (Stromfluß) führt.

Der Widerstandswert selber geht nicht in die Beziehung für die Rauschleistung P, ein:

eq 27

Hierin ist k die Boltzmann-Konstante, die die Größe von P, je Grad und Hertz charakterisiert. Sie besitzt den Wert:

eq a

Für die Zimmertemperatur von 20°C erhält man aus (27) die Zahlenwertgleichung:

eq 28

Aus der Rauschleistung P, läßt sich die Rauschspannung U" ableiten, die der im rauschenden Widerstand R, gedachte Generator nach Abb. 11 erzeugt:

eq 29

Setzt man auch in (29) die übliche Zimmertemperatur ein, erhält man für

eq 30

Hierin ist R in Ω und B in Hz einzusetzen.

Bei der Betrachtung der sogenannten Grenzempfindlichkeit eines Empfängers geht man davon aus, daß er ideal rauschfrei ist. Das Rauschen entsteht allein im Fußpunktwiderstand der Antenne, der mit dem Rauschgeneratorinnenwiderstand R, in Abb. 11 gleichzusetzen ist.

Bild 11
Abb. 11: Anpassung zwischen Antennenfußpunktwiderstand und Empfängereingangswiderstand: Re erhält die Rauschleistung Pre = k × To × B

Wird der Empfänger wie üblich an die Antenne angepaßt, ist R, gleich dem Eingangswiderstand Re des Empfängers, so daß man am Empfängereingang die Rauschspannung

eq 31

mit (29) erhält.

Die zugehörige Rauschleistung Pre, die bei Anpassung auf den Empfängereingangswiderstand übertragen wird, ist

eq b

oder unter der Anpassungsvoraussetzung mit Rr = Re

eq 32

Bei Anpassung an einen Generator (Antenne) wird dem Eingangswiderstand Re des Empfängers somit grundsätzlich die Rauschleistung Pre, eingeprägt, so daß auch eine ideal rauschfreie Empfängerschaltung (die es, nebenbei gesagt, nicht gibt) am Ausgang rauschen muß.

Die Grenzempfindlichkeit des idealen Empfängers wird durch dieses nicht vermeidbare Rauschen des Generators gegeben. Sie ist definiert als die Eingangsnutzleistung Por je Hertz Bandbreite, die am Empfängerausgang die gleiche Signalleistung erzeugt wie das Rauschen des vorgeschalteten Generators. Demnach muß Pgr gleich der Eingangsrauschleistung Pfe pro Hertz sein:

eq 33

Nach (33) muß dem Eingangswiderstand Re des ideal rauschfreien Empfängers eine Leistung von 1 k × To pro Hertz zugeführt werden, damit am Ausgang Nutz-und Rauschleistung gleich groß sind.

Bei Zimmertemperatur beträgt die Grenzempfindlichkeit

eq 34

Die Grenzempfindlichkeit ist ein physikalisch gegebener Wert, der sich nur durch die Absenkung der Temperatur To verbessern läßt. Dies wird allerdings nur in der kommerziellen Technik durch Kühlung mit flüssigen Gasen praktiziert. Die Betrachtung des ideal rauschfreien Empfängers ist natürlich nicht realistisch, zumal auch seine Widerstände und Halbleiter rauschen. Dieses Empfängereigenrauschen überlagert sich dem, das durch die Grenzempfindlichkeit vorgegeben ist.

Zur Charakterisierung des Empfängereigenrauschens gibt man dessen Rauschleistungsvielfaches in n × k To gegenüber der Grenzempfindlichkeitsrauschleistung Pgr an. Man meint damit, daß am Empfängereingang eine Nutzleistung von n = k To notwendig ist, damit das Nutzsignal am Ausgang genauso groß wie das Rauschen wird.

Die Rauschzahl n ist dabei das Maß für das Eigenrauschen. Sie bewegt sich bei guten Empfängern (für den UKW-Bereich) zwischen 2 und 5 k To. Bei der Angabe der Rauschzahl in Datenblättern der Herstellerfirmen muß man sehr vorsichtig sein, da hier sehr oft in die eigene Tasche geschwindelt wird. Eine Kontrolle ist leider mit Amateurmitteln kaum möglich.

Das Rauschmaß F ist die Angabe der Rauschzahl n im logarithmischen Maß:

eq 35

Einen Vergleich zwischen n und F zeigt Tabelle 1.

Tabelle 1
Rauschzahl n in k To124810162040
Rauschmaß F in dB036910121316

Aus der angegebenen Rauschzahl eines Empfängers kann man sich die Eingangssignalleistung errechnen, die für die spezifische Grenzempfindlichkeit des Gerätes dem Eingangswiderstand Re angebeten werden muß:

eq 36

Nach (36) benötigt man für eine Empfangsbandbreite von 3 kHz bei einer Rauschzahl des Empfängers von n = 4 k To und 20°C eine Eingangsleistung von

eq c

oder am Eingangswiderstand Re von 50 Ω eine Spannung von

eq d

um am Ausgang des Empfängers ein Signal-/Rauschleistungsverhältnis von 1 zu bekommen (Rauschabstand = 0 dB). Für den Rauschabstand gibt es in der Empfängertechnik unterschiedliche Definitionen, die z.T. auf den verschiedenen Meßmethoden beruhen.

Das Signal-/Rausch-Verhältnis S/N (N = noise = Störleistung) gibt lediglich das Verhältnis zwischen der Nutzsignal- und der Rauschleistung an. Es wird in dB ausgedrückt:

eq 37

Sinnvoller ist die Angabe des Verhältnisses S + N / N, da sich beim praktischen Messen das Nutzsignal nicht aus dem Rauschen selektieren läßt, sondern beide zusammen ausgewertet werden:

eq 38

Die exakteste Methode ist die SINADBeurteilung. Sie steht für "Signal, Noise and Distortion". Hierbei wird das Verhältnis

eq 39

gebildet.

Zur Bestimmung des SINAD-Verhältnisses wird das NF-Ausgangsgemisch eines Empfängers einmal direkt gemessen und zum anderen über ein schmalbandiges Notchfilter, das auf die Signalfrequenz (z. B. 1000 Hz) abgestimmt ist.

Hierdurch erhält man einerseits die Summe aus Nutzsignal und Rauschsignal und andererseits nur das Rauschsignal, da das Nutzsignal im Notchfilter stark gedämpft wird.

Zur einwandfreien Verständlichkeit einer Information am NF-Ausgang eines Empfängers muß das Nutzsignal um ein Vielfaches größer als das Rauschen (bzw. Verzerrungen + Rauschen) sein. Erfahrungswerte sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt worden.

Tabelle 2
Signalleistung
---------------
Rauschleistung
Signalspannung
-----------------
Rauschspannung
Rauschabstand
in dB
Empfindlichkeits beurteilung
110Grenzempfindlichkeit CW wahrnehmbar
426Sprache wahrnehmbar CW möglich
103,1610untere Sprachverständlichkeit
1001020gute Sprachverständlichkeit

In den KW-Empfängerdaten erscheint im allgemeinen die sogenannte Betriebsempfindlichkeit. Sie bezieht sich auf die untere Sprachverständlichkeitsgrenze, die bei 10 dB Rauschabstand erreicht wird.

Man gibt die hierzu notwendige Nutzeingangsspannung für einen definierten Eingangswiderstand und eine festgelegte Bandbreite an. Werte von 0,3 his 0,5 µV bei R. = 50 Ω und B = 3 kHz sind üblich. Dies entspricht einer Rauschzahl um n = 40 oder dem Rauschmaß F = 16 dB.

Bei diesen Angaben ist die hohe Rauschzahl der KW-Empfänger auffällig gegenüber den sehr rauscharmen UKW-Schaltungen. Der Grund ist darin zu finden, daß der bei den UKW-Empfängerdaten oft zu findende "Rauschzahl-Fetischismus" für Kurzwelle unsinnig ist, weil das kosmische Rauschen der Antenne um ein Vielfaches über dem weißen Rauschen des Fußpunktwiderstands liegt.

Bis zum 10-m-Band muß man mit kosmischen Rauschleistungen von 50 kTo pro Hz rechnen, so daß ein KW-Empfänger mit einer Rauschzahl von n = 30 völlig ausreichend ist, da die Eigenrauschleistung bereits unter der der Antenne liegt.

Das hohe Antennenrauschen nutzt übrigens fast jeder KW-Amateur zur Resonanzabstimmung der Empfängervorkreise (Preselektorabstimmung). Zur optimalen Empfindlichkeit muß auf maximales Rauschen (Antennenrauschen) abgestimmt werden. Umgekehrt ist das deutliche Ansteigen des Rauschens hei Resonanzabstimmung ein Kriterium für die ausreichende Empfängerempfindlichkeit, da dann das Eigenrauschen unter dem der Antenne liegt.

Um eine Rauschleistungsberechnung nach den Beziehungen (27) oder bei Anpassung nach (32) zu ermöglichen, die für das weiße Rauschen mit stetiger Energieverteilung gelten, muß man bei anderen Rauschquellen den Faktor T. variabel machen. Man spricht von der sogenannten Rauschtemperatur einer Rauschquelle.

Ist das Rauschen der Quelle im betrachteten Frequenzbereich z. B. um den Faktor 10 größer, dann ordnet man der Quelle einfach eine 10fache Rauschtemperatur zu (To × 10), so daß die Rechnung nach (27) bzw. (32) wieder stimmt. Das Vielfache der Rauschtemperatur macht dabei die gleiche Aussage wie die Rauschzahl n. So entspricht die Rauschtemperatur von 2930 K bei Zimmertemperatur einer Rauschzahl von 10.

Während die Antennenrauschtemperatur im Kurzwellenbereich unterhalb von 10 MHz je nach atmosphärischen Bedingungen zwischen 5 und 10 × 104 K (n ≈ 150 bis 300) beträgt, sinkt sie his 30 MHz auf etwa 1 bis 2 × 104K ab (n =30 bis 60). Zum UKW-Gebiet (höher als 100 MHz) hin fällt das kosmische Rauschen so stark ab, daß es neben dem weißen Rauschen des Antennenfußpunktwiderstands vernachlässigt werden kann. Aus diesem Grunde versucht man dort, Empfänger nahe der theoretischen Grenzempfindlichkeit zu bauen. Bei 1 GHz rechnet man nur noch mit einer Rauschtemperatur von 5 bis 10 K, so daß das kosmische Rauschen praktisch nicht mehr existent ist.

Eine völlig andere Beeinflussung der Empfängerempfindlichkeit neben der des Rauschen ist das sogenannte Zustopfen durch starke Sender auf Nachbarfrequenzen (nicht zu verwechseln mit der Kreuzmodulation).

Zur Messung dieses Effekts benötigt man wiederum zwei Meßsender, deren Signale über einen Leistungsaddierer zusammengefaßt werden.

Einer der beiden Meßsender wird auf die Empfangsfrequenz abgestimmt, wobei man die Leistung so einstellt, daß das Ausgangssignal deutlich über dem Rauschen ist (S + N/N = 10 dB). Der unmodulierte zweite Meßsender liegt in seiner Frequenz etwa 20 kHz neben der Empfangsfrequenz. Man erhöht seine Leistung solange, his die NF-Ausgangsleistung des Sollsignals beim Empfänger um 3 dB (oder auch 1 dB, je nach Definition der Messung) abgefallen ist. Die zugehörige Störeingangsleistung gibt an, um wieviel dB sie bei gegebener Bandbreite über dem Grundrauschen des Empfängers liegen darf (Grenzempfindlichkeit des Empfängers), ehe der Zustopfeffekt einsetzt.

Andererseits kann man aber auch die absolute Störeingangsleistung für eine bestimmte Bandbreite angeben, bei der der Zustopfeffekt für den gemessenen Empfänger beginnt.

Ein anderes Meßverfahren zur Bestimmung des Zustopfeffekts schreibt ein Eingangsnutzsignal vor, das einem SINAD-Verhältnis von 20 dB entspricht. Die Störleistung des zweiten Meßsenders ist dann soweit zu erhöhen, bis das SINAD-Verhältnis um 6 dB auf 14 dB abfällt. Bei definierter Bandbreite ist dann die zugehörige Störleistung unter Hinweis auf das angewandte Meßverfahren wiederum ein Maß für den Einsatz des Zustopfens.

Empfänger-Dynamikbereich

Nach den vorangegangenen Aussagen zu Empfängereingangsstufen sind Schaltungen anzustreben, die Eingangssignale vom Pegel der Grenzempfindlichkeit Pgrs his zu möglichst großen Leistungen linear verarbeiten, um störende nichtlineare Verzerrungen zu vermeiden.

Der Bereich, in dem dies gewährleistet ist, wird mit Dynamikbereich des Empfängers bezeichnet. Er beginnt bei der Grenzempfindlichkeit des Empfängers, die durch seine Rauschzahl und Bandbreite vorgegeben ist, und soll bis zu Großsignalen von mehreren 100 mV reichen (100 mV an 50 Ω = 0,2 mW = -7 dBm = S9 + 60 für 100 µV = S9).

Während die Empfängerempfindlichkeit für Kurzwellen heute bereits mit relativ einfachen Mitteln bis an die natürliche Grenze der hohen Antennenrauschtemperatur getrieben werden kann, bereiten das Großsignalverhalten oder der ausreichend große Dynamikbereich eines Empfängers nach wie vor entwicklungstechnische Probleme.

Durchschnittsempfänger für Kurzwelle haben einen Dynamikbereich von etwa 80 dB. Nur hochwertige kommerzielle Schaltungen reichen an Werte von 130 bis 140 dB heran (bei 2,5 kHz Bandbreite). Zur rechnerischen Bestimmung des Dynamikbereichs eines Empfängers müssen der Eingangs-Intercept-Punkt IPI, die Rauschzahl n und die Empfangsbandbreite B bekannt sein. Laut Definition reicht der Dynamikbereich eines Empfängers von seiner spezifischen Grenzempfindlichkeit Pgfs (36) bis zu dem Wert der Eingangsleistung PSe, den zwei Störsignale besitzen müssen, um am Ausgang genau soviel Intermodulationsleistung IM3 zu erzeugen, wie Eigenrauschleistung entsteht (Eigenrauschleistung = Intermodulationsleistung). Man befindet sich demnach solange im Dynamikbereich, wie die nichtlinearen Verzerrungen des Empfängers nicht größer als sein eigenes Rauschen werden.

Zur Berechnung der oberen Grenze des Dynamikbereichs werden Rausch- und Intermodulationsleistung auf den Eingang bezogen, um dadurch die spezifischen Eigenschaften (Verstärkung) des Empfängers auszuklammern. Anschließend werden beide Werte gleichgesetzt, wie es die Definition vorschreibt. Die Eingangsrauschleistung, die der spezifischen Grenzempfindlichkeitsleistung Pgf$ des Empfängers entspricht, läßt sich mit (36) bestimmen.

Die auf den Eingang bezogene Intermodulationsleistung ist die des Ausgangs, vermindert um den Verstärkungsfaktor der untersuchten Schaltung:

eq 40

Nach (23) ist der Intermodulationsabstand die Differenz aus Sollausgangsleistung PS" und Intermodulationsleistung IM3 am Ausgang.

Bezieht man beide auf den Eingang, wird:

eq 41

Wird (41) in (22) eingesetzt, erhält man:

eq 42

und

eq 43

Nach der Gleichsetzung von (36) und (43)

eq 44

kann man (44) nach PS auflösen:

eq 45

worin PSe(dyn) nach Definition die Empfängereingangsleistung zweier Sender ist, die am Ausgang ein lntermodulationsprodukt IM3 erzeugen, das gleich der Rauschleistung ist. Die Differenz zwischen PSe(dyn) und Pgrs stellt den Dynamikbereich des Empfängers dar:

eq 46

Setzt man (45) in (46) ein, erhält man die sehr einfache Beziehung für den Dynamikbereich:

eq 47

Danach ist der Empfängercingangsleistungs-Dynamikbereich zwei Drittel der Differenz aus Eingangs-lntercept-Punkt und Eingangsrauschleistung.

Ein Zahlenbeispiel vertieft die Zusammenhänge:

Ein Empfänger habe einen IPi von +20 dBm und eine Rauschzahl von 20 kTo. Wie groß ist der Dynamikbereich EPdyn für eine Bandbreite von 2,5 kHz?

Während IPi bereits in dBm gegeben ist, muß Pgrs erst errechnet werden:

Mit (36) wird

eq e

Dann ist

eq f

Der Dynamikbereich des Empfängers beträgt 98 dB.

Nachbemerkung

Im Rahmen dieses Autsatzes ließen sich natürlich nicht alle empfängerspezifischen Größen und "Knackpunkte" ansprechen und detailliert untersuchen, aber ich glaube, in der gegebenen Auswahl die wichtigsten angesprochen zu haben.

Wer sich durch diesen Artikel als Amateur (also Nicht-Nachrichtentechniker) durchgebissen hat, der wird die These verstehen, daß Empfängerqualitäten nicht durch Diskussion, Probieren oder gar durch "Herstellerpatriotismus" verbessert werden. Hier zählen ganz allein ein hervorragend eingerichteter l-IFMeßplatz, der dem Amateur im allgemeinen nicht zugänglich ist, und die physikalischen Möglichkeiten (und Grenzen) der aktuell vorhandenen Bauelemente.

Sicherlich wird man in Zukunft noch einiges verbessern können, aber die hier aufgezeichneten Naturgesetze (teilweise durch die Mathematik beschrieben) lassen sich einfach nicht wegreden. Das mußte selbst der Papst in seiner Diskussion mit Galilei einsehen, obwohl er (der Papst) dafür rund 400 Jahre benötigte.

Literatur und Quellen

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  9. M. Martin, DJ7VY: Verbesserung des intermudulationsfreien Dynamikbereichs von Empfängereingangs-Wilco' im Kurzwellenbereich. In: cq-DL 2/82, S. 66. Walter Flur, OEILO: KW-Eingangsteile: Extrem IM-feste selektive Vorverstärker. M: cq-DL 8/82, 5. 376. Erich Vogelsang, UJ21M: Grundrauschen und Dynamikbereich bei Kurzwellenempfängern. In: cq-DL 9/82, S. 432.
  10. Pawel Kaniut, 519KG: Zweiton-HI'-Geherator für Intermudulationsmessungen. In: cq-DL 7/87, S. 432. Ulrich Rohde, DJ2LR: Neue Entwicklungen bei Kurzwellenempfängern. In: cq-DL 11/82, S. 667 (siehe hier auch die umfangreiche Literaturangabe).
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  12. Ulrich Rohde, DJ2LR: High-Frequency Receiver Design. In: I lam Radio 10/76, S. 10.
  13. Ulrich Rohde, DJ2LR: Effects of Noise in Receiving Systems. In: Clam Radio 11/77.
  14. Ulrich Rohde, DJ2LR: Active Mixers Performance Capability, Teil 1. In: Ham Radio 3/82; Teil 2. In: Elam Radio 4/82.
  15. Ulrich Rohde, DJ2LR: Communications Receivers for the Year 2000. In: Ham Radiu I1/81, S. 12.
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  17. Wayne Ryder, W6URH: High- Performance General Coverage Communications Receiver. In: Ham Radio 11/77, S. 10.
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