|
Trefwoorden |
IP3
meting aan de SDR ontvanger Inleiding Een radio-ontvanger is bedoeld voor het ontvangen van radio-signalen van uiteenlopende sterkte. Bij zeer kleine signalen wordt de ontvangst beperkt door de eigen ruis van de ontvanger. Bij zeer grote signalen kan de ontvanger deze niet meer verwerken. Hierdoor kunnen allerlei effecten optreden en signalen worden geproduceerd in de ontvanger die weinig meer te maken hebben met het aangeboden signaal en in een extreem geval kan de ontvanger zelfs beschadigd worden. Lang voordat dit zou kunnen optreden kunnen er ook al effecten merkbaar worden, die ten onrechte worden aangezien voor ontvangen stations, maar die in feite zijn ontstaan omdat de ontvanger al bij minder dan het maximum signaal minder goed functioneert. In dit hoofdstuk zullen de grenzen van de ontvangstmogelijkheden van deze SDR ontvanger, bestaande uit QSD-kaart en PC worden opgezocht. Bij de metingen maken we gebruik van PowerSDR, het besturingsprogramma dat gratis wordt beschikbaar gesteld door FlexRadio. Er zijn meer en ook zeer goede programma's beschikbaar op het internet en wie hier gebruik van wil maken kan deze gemakkelijk vinden, zie ook SDRadio van Alberto Bene, I2PHD. Gevoeligheid voor kleine signalen De grens voor het ontvangen van kleine signalen wordt o.a. bepaald door de ruis die in de ontvanger zelf wordt geproduceerd. Deze eigen ontvangerruis kan worden bepaald m.b.v. een goede, geijkte meetgenerator die we aansluiten op de antenne ingang. Deze ruismeting wordt uitgevoerd bij een meetbandbreedte van 2,4 kHz., omdat voor veel van dit soort metingen dit als standaard is gegroeid. Soms wordt de gevonden waarde omgerekend naar een ruisbijdrage per Hertz door te delen door deze bandbreedte, maar dat is voor onze metingen niet noodzakelijk. Natuurlijk werd de SDR ontvanger eerst geijkt met de procedure uit het hoofdstuk over de optimale instellingen. Het geijkte SDR systeem is daarna zo nauwkeurig en over zo'n groot bereik van ingangspanningen, dat verdere metingen aan toegevoerde frequenties en amplitudes door het SDR system zelf kunnen worden uitgevoerd. Op de SDR lezen we verder het signaalniveau af op de S-meter, die we instellen op de absolute schaal in dBm. . Het signaal uit de generator wordt verhoogd totdat het totale niveau binnen de ingestelde bandbreedte van 2,4 kHz. is toegenomen met 3 dBm op de S-meter. Het niveau van de (signaal-)generator is nu gelijk aan het (ruis-) niveau binnen de meetbandbreedte van 2,4 kHz. en kan worden afgelezen op de generator, of op de S-meter van de SDR ontvanger. Dit ruis niveau noemen we het MDS niveau (Minimum Detectable Signal). In de praktijk kunnen we een signaal van b.v. een morse station nog steeds goed waarnemen op dit MDS niveau en zelfs nog 'verstaan' wanneer dit zelfs 10 dB zwakker wordt ontvangen, afhankelijk van de geoefendheid van de luisteraar. Het MDS niveau is echter een goede en objectief waarneembare grootheid. Bij een goede ontvanger ligt dit niveau zeker lager dan -100 dBm en zelfs lager dan -120 dBm.
Waar dit MDS niveau door een goed ontwerp van de ontvanger voldoende laag ligt, vormt de 'natuurlijke' achtergrondruis de volgende drempel voor de ontvangst van kleine signalen. In het gebied beneden 10 MHz. vormt deze achtergrondruis doorgaans de ondergrens van de ontvangstmogelijkheden bij gebruik van een gemiddeld goede antenne. In het hoofdstuk over de atmosferische ruis wordt hierop verder ingegaan. In de Gevoeligheid voor grote signalen Hoewel de ontvanger een groot bereik aan signaalsterkten kan verwerken, is er ook een bovengrens aan het maximale signaal dat een ontvanger probleemloos accepteert. Worden de signalen nog sterker, dan kunnen er binnen het geselecteerde ontvangstbereik extra signalen ontstaan, die niet via de antenne binnen komen, maar door de ontvanger zelf worden geproduceerd ten gevolge van mengproducten tussen twee of meer sterkte signalen die wel op de antenne aanwezig zijn. Deze extra signalen ontstaan tengevolge van allerlei niet-lineaire effecten in de ontvanger, en voornamelijk door de derde-macht term in de overdracht- functie van het (hele) systeem. Bij 'gemiddelde' signaalsterkten neemt de gemeten sterkte op de S-meter van de ontvanger lineair toe met de sterkte van het binnenkomende signaal. Bij grote ingangsignalen nemen de 'extra' signalen ten gevolge van de genoemde derdemacht overdrachtterm echter sterker dan evenredig toe met het aangeboden signaal; voor elke dB toename van het gewenste signaal nemen de 'extra' signalen toe met drie dB. Op een bepaald moment zou de sterkte van deze ongewenste signalen even groot kunnen worden als de ontvangen signalen en dit wordt het 'derde-orde intercept' punt genoemd, afgekort tot IP3. Dit is echter een fictief punt omdat lang voordat deze signaalsterkte is bereikt, de signalen al niet groter kunnen worden door andere beperkingen van de ontvanger. Toch kunnen we het IP3 punt van de ontvanger bepalen. Hiervoor nemen we twee generatoren van gelijke sterkte, waarvan de spectrale reinheid zo goed is dat we deze tot aan de voet als twee aparte signalen zichtbaar kunnen maken op de display van de SDR ontvanger, op een kleine afstand van elkaar, b.v. ergens tussen 1 kHz en 10 kHz.. Vervolgens draaien we het vermogen van beide generatoren omhoog totdat er een extra signaal ontstaat op dezelfde frequentie-afstand hoger en/of lager dan de afstand tussen de twee generatoren. Het IP3 punt volgt nu uit: IP3 =(3*niveau van een van de generatoren (in dBm) - niveau van de extra frequentie (dBm))/2. Deze niveaus zijn direct af te lezen op de display van de SDR. Bij een goede ontvanger ligt dit IP3 punt zeker boven 0 dBm en doorgaans boven 20 dBm. We bepalen verder het totale signaalbereik dat de ontvanger probleemloos kan verwerken als: ILDR (Intermodulation Limited Dynamic Range)
= 2* (IP3 (dBm) - MDS (dBm)) / 3
Bij een goede ontvanger ligt dit ILDR niveau zeker boven 85 dB en bij heel goede ontvangers boven 100 dB.
Voor het meten van IP3 van een ontvanger hebben we dus twee generatoren nodig, die bij elkaar worden opgeteld aan de ingang van de ontvanger. Deze generatoren dienen een zeer lage fase-ruis te vertonen omdat dit een signaalverbreding geeft aan de voet van de signalen op de display. Bij te veel faseruis wordt deze signaal-'voet' zo breed, dat de kleine 'extra signalen' hierin gemakkelijk kunnen 'verdrinken'. Doorgaans worden voor dit soort metingen dan ook specifieke kristal-oscillatoren gebruikt omdat alleen uitzonderlijk goede HF generatoren aan deze faseruis-eis kunnen voldoen. Omdat we kijken naar zulke kleine 'extra signalen', moeten we er voor zorgen dat het optellen van deze generatorsignalen op zichzelf geen intermodulatie veroorzaakt binnen één van deze generatoren. Afhankelijk van de uitvoering van de generator kunnen we dit bereiken door de uitgangen op te tellen m.b.v. weerstanden of beter nog m.b.v. een z.g. richtkoppelaar. We komen hier verderop op terug.
Wie niet beschikt over geijkte, faseruis-vrije generatoren kan gebruik maken van de goede eigenschappen van de SDR, die over een ultra lineair meetgebied beschikt, vanaf MDS tot aan het punt waar de IP3 signalen zichtbaar worden. Als de ontvanger eenmaal is geijkt volgens de juiste procedure, kunnen alle waarnemingen direct van de display worden afgelezen en van de sterktemeter, uitgelezen in dBm. In dit laatste geval volstaan enkele eenvoudige kristal oscillatoren, die op zichzelf al een goed bruikbaar signaal kunnen afleveren met een lage fase-ruis, zodat we een vrijwel zuiver plaatje zien op de display, zonder veel 'voetverbreding', en de signalen op kleine frequentie-afstand al geheel afzonderlijk kunnen worden waargenomen. Het schema zien we in figuur 1.
De dubbeltoon generator uit figuur 1 is gemaakt op basis van een 'standaard' Colpitts oscillator, zoals die in veel toepassingen te vinden is. Het kristal fungeert hier in de inductieve mode en de terugkoppeling wordt verzorgd door een capacitieve spanningsdeler naar de emitter van de transistor. Door de spanning af te nemen over een weerstand van 50 Ohm in serie met het kristal wordt een lage uitgangsimpedantie verkregen, op het spectraal meest zuivere punt van de schakeling (gezien in ARRL Handbook). Bij de aangegeven componenten en spanning ligt het uitgangsniveau tussen 0 dBm en -10 dBm. Zorg wel voor een voldoende 'schone' voeding, omdat ook brom en storingen hierop terug gevonden kunnen worden in het oscillator signaal. In bovenstaand voorbeeld werden twee kristallen gebruikt in de buurt van 10,2 MHz. omdat deze toevallig voorhanden waren en op een kleine frequentie-afstand van elkaar liggen. De schakeling werkt over een groot frequentie-gebied met veel soorten HF- / schakel-transistoren en is daarom niet erg kritisch. Het is verstandig om de twee condensatoren van de spanningsdeler (hier 150 pF) aan te passen aan het gebruikte frequentiegebied, volgens: C (pF) = 1500 / f (MHz). De instelweerstand van 2 kOhm in de bovenste oscillator dient om de uitgangspanning van beide oscillatoren aan elkaar gelijk te maken zoals noodzakelijk is voor de IP3 meting. Voor de optelling van de oscillatorsignalen kan gekozen worden voor de twee weerstanden van 50 Ohm of een hogere waarde, zolang er maar voldoende signaal op het sommeringpunt over blijft om de IP3 signalen zichtbaar te maken. Aan de uitgang kan een mooie verzwakker worden toegepast, maar ook een eenvoudige koolpotentiometer van niet te hoge waarde, omdat de (nauwkeurige) aflezing van de signalen toch plaats vindt op het scherm van de SDR. Met de aangegeven waarde kan een regelbereik van meer dan 50 dB worden gehaald. Het is overigens beter om de signalen op te tellen m.b.v. hybrid combiner, die pas goed tot zijn recht komt in een totale 50 Ohm omgeving, dus gecombineerd met een 50 Ohm verzwakker i.p.v. de koolpotentiometer. Met de potmeter is dat eigenlijk nergens echt het geval. Alle mogelijkheden zijn echter in deze opzet voorzien en altijd in elkaar om te zetten. In de figuur 2 vinden we een
voorbeeld van een mogelijke de lay-out van de schakeling op 'standaard'
gaatjes board met
|
