|
Trefwoorden |
Ingangsfilters
voor de SDR ontvanger Inleiding Elke communicatie ontvanger van enige kwaliteit heeft ingangsfilters die signalen moeten buiten houden die ongewenste effecten zouden kunnen veroorzaken. In de eerste plaats betreft dit de ontvangst van signalen die op een 'spiegel' van de (eerste, tweede of derde) mengoscillator liggen (op een afstand van twee maal de midden frequentie). Verder dienen ook signalen uit naastliggende omroepbanden te worden onderdrukt die door een grote amplitude opnieuw ongewenste menging zouden kunnen geven en ook die signalen die met een bijproduct van de mengoscillator (harmonischen), ook weer 'spook signalen' kunnen opleveren. Geen fabrikant zou het daarom in zijn hoofd halen om uit zuinigheidsoverwegingen hier een ingangsfilter weg te laten dat niet meer dan juist de gewenste ontvangstfrequentie door laat (meelopend ingangsfilter) en / of een serie filters die per ontvangstband worden omgeschakeld; een ontvanger zonder dergelijke filters zou bij iedere test onmiddellijk door de mand vallen. Een 'klassiek' getallenvoorbeeld Stel dat je met een ‘klassieke’ communicatie ontvanger de amateur frequentieband wilt ontvangen van 3,5 – 3,8 MHz., met een eerste middenfrequentie op 10 MHz. De oscillator loopt dan van 13,5 – 13,8 MHz. en spiegelontvangst vindt plaats in het frequentiegebied van 23,5 – 23,8 MHz. Dit gebied is volgens het frequentieplan gereserveerd voor algemene 'vaste verbindingen en mobiele communicatie m.u.v. de luchtvaart', waardoor hiervan weinig hinder zal worden ondervonden. Bovendien is het niet zo moeilijk om op deze afstand (bijna zes octaven) een ongewenste spiegelontvangst voldoende te onderdrukken. De tweede harmonische van de oscillator (die ook een mengproduct veroorzaakt, zij het met een lager rendement) ligt dan op 27 - 27,6 MHz., waardoor ongewenste ontvangst plaats vindt in de band van 17 – 17,6 MHz. (middenfrequentie lager). Deze band wordt voornamelijk gebruikt voor maritieme mobiele communicatie en vaste verbindingen; opnieuw geen groot probleem op vier octaven afstand. Als je het ene probleem hebt opgelost, heb je dus ook meteen het tweede te pakken gezien het lagere rendement van het mengproduct. De SDR ontvanger heeft een bijzondere mengtrap, waarbij de antenne signalen direct naar de (audio) ontvangstband worden omgezet. Er is dus geen 'midden frequentie' en bijgevolg ook geen 'spiegel' op twee maal de afstand van deze middenfrequentie. Er kan echter wel degelijk een 'spiegelsignaal' in deze ontvanger ontstaan en in het hoofdstuk over 'spiegelonderdrukking' heb ik hiervan al eens wat achtergronden toegelicht en ook hoe het systeem zo is af te regelen dat hiervan zo weinig mogelijk hinder wordt ondervonden. Bij de metingen aan de SDR is verder gebleken dat het dynamisch bereik van dit systeem erg groot kan zijn en dat daarom grote signalen niet snel het systeem zullen oversturen of ongewenste mengproducten zullen veroorzaken door niet-lineariteiten, zie de metingen aan het groot-signaal gedrag van de SDR ontvanger. Het lijkt er dus op dat een SDR ontvanger volgens dit principe helemaal geen ingangsfilter nodig heeft? Toch zien we dat in de verschillende SDR ontwerpen enige vorm van ingangsfiltering wordt toegepast, al zal later blijken dat dit vaak verregaand onvoldoende is. Kijken we nog eens naar de speciale mengtrap van de SDR-ontvanger. We vinden hier een oscillator die beurtelings de antenne ingang verbindt met verschillende condensatoren. Wanneer dit gebeurt met dezelfde frequentie als een binnenkomend signaal, wordt dit signaal steeds op hetzelfde moment bemonsterd en vinden we dus steeds dezelfde (gelijk-)spanningscomponent hiervan terug op de ingangscondensator. Als het ingangsignaal gemoduleerd was, zal de gelijkspanning in waarde toe- of afnemen in hetzelfde tempo als deze modulatie waardoor we meteen een vorm van signaal detectie hebben gekregen. De mengoscillator verbindt de antenne ingang iets later ook met de andere condensator, die een tweede stukje van het ingangsignaal zal opslaan. Omdat de signalen op de condensatoren een zekere relatie met elkaar hebben (90 graden), kunnen deze m.b.v. wiskundige 'manipulatie' verder ontleed worden, waarvoor we dan de PC inzetten. Zie voor een meer uitgebreide uiteenzetting van dit mengsysteem het hoofdstuk over de SDR kaart. Als we goed naar de mengtrap kijken, dan zien we dat het ingangsignaal wordt geschakeld met een blokvormig signaal. Dit bloksignaal kunnen we m.b.v. de Fourier analyse ook opgebouwd denken uit sinusvormige, harmonische signalen met een steeds hogere frequentie. Bij een perfect symmetrisch bloksignaal komen alleen on-even harmonischen voor, die bovendien een vaste amplitude en fase relatie met elkaar hebben. Nemen we even aan dat de grondgolf (1e harmonische) een amplitude '1' heeft, dan heeft de derde harmonische een amplitude van 1/3, de vijfde harmonische een amplitude van 1/5 enz. Deze reeks loopt in principe door tot in het oneindige. Niet alleen kunnen we de schakelfrequentie op de mengtrap ontleden in zo'n Fourier reeks, deze is ook werkelijk in het geschakelde signaal aanwezig. Daardoor zal niet alleen de grondgolf (schakelfrequentie) een (gewenst) mengproduct leveren in de ontvanger, maar ook alle (on-even) harmonischen zullen dit doen, waardoor de SDR ontvanger tegelijk ontvangt op evenveel frequenties als er harmonischen in het schakelsignaal aanwezig zijn, al zullen alle mengproducten niet allemaal even sterk zijn, maar aflopen volgens de eerder genoemde amplitude reeks. Oneven harmonischen Om dit te controleren werd een serie metingen uitgevoerd, die een idee moesten geven in hoeverre de SDR ontvanger gevoelig is voor deze 'harmonische' menging. Daartoe werd een signaal van een zeker sterkte (ca 10 dB onder het maximum ingangsignaal) op de antenne ingang aangesloten, en vervolgens gekeken hoeveel van dit signaal werd terug gevonden als dit zou mengen met de derde, vijfde, zevende enz. harmonische. Dit geeft een indruk hoe sterk we een dergelijk ongewenst signaal zullen ontvangen. Om onderscheid te kunnen maken tussen de verschillende signalen, werd dit signaal steeds 5 kHz. boven en onder de centrale ontvangstfrequentie neer gezet, omdat een goed ingestelde spiegelonderdrukking hiervan een deel zal wegwerken. De tabel spreekt verder voor zichzelf.
In de laatste kolom staat aangegeven wat de waarde is van amplitude van de derde harmonische (1/3) de vijfde (1/5) enz. nu ook uitgedrukt in relatieve sterkte t.o.v. de grondgolf bij analyse van een zuiver blokgolf signaal. Te zien is dat de theorie ook werkelijk de praktijk op de voet volgt. Uit de tabel kunnen we aflezen dat we ook op de oneven harmonischen van de schakelfrequentie zullen ontvangen, met een 'gevoeligheid' die bij de derde harmonischen maar weinig kleiner is dan die van het gewenste signaal (-9,5 dB = 1,5 S-punt lager) en verder maar langzaam afneemt. Even harmonischen Naast deze oneven harmonischen is ook gekeken op de even harmonischen, hoewel die niet zouden mogen voorkomen in een perfecte blokgolf. Ook hier waren echter signalen aanwezig op een niveau van ca 45 dB onder het aangeboden signaal, die maar nauwelijks in sterkte afnamen met de frequentie. Eigenlijk is dat ook niet zo verwonderlijk omdat een verschil van 0,5% in de schakeltijden al zorgt voor voldoende afwijking van de 'perfectie' om dit te kunnen verklaren. Uit bovenstaande is duidelijk dat we ons ook bij de SDR zullen moeten beschermen tegen ontvangst van signalen die niet in de gewenste band thuishoren, en die in frequentie heel wat 'dichterbij' liggen dan in ons voorbeeld met de superheterodyne ontvanger met een middenfrequentie van 10 MHz., n.l. vanaf één octaaf i.p.v. vier tot zes octaven. We zouden ons kunnen afvragen
hoeveel 'bescherming' we nodig hebben tegen deze ongewenste mengproducten.
Hierbij blijkt het nuttig om het verhaal van Peter Chadwick, G3RZP, 'HF
Receiver Dynamic Range: How Much
Do WE Need', in het blad QEX van mei / Juni 2002 op
te slaan. Hij beschrijft hierin welke signalen we zo al kunnen verwachten op
en rond de HF banden, vooral in de buurt van de Hij stelt ook dat de signalen
rond deze Filter eisen Als we stellen dat we gemiddeld over de dag hooguit één maal per uur gehinderd willen worden door een signaal dat niet in onze ontvangstband thuis hoort, en dat dus wordt ontvangen op de tweede of derde harmonische van de schakelfrequentie, dan heeft zo'n signaal een sterkte van: -15 dBm - 45 dB (gevoeligheid voor 2e harm. menging) = -60 dBm. respectievelijk: -15 dBm - 9,5 dB (gevoeligheid voor 3e harm. menging) = -24,5 dBm. Deze signalen zouden niet boven het atmosferische ruisniveau in dit HF gebied mogen komen, dat ligt op een niveau van ca -110 dBm. Een ingangsfilter zal daarom een stoorsignaal op de tweede harmonische moeten onderdrukken met een verzwakking van: 110 - 60 dBm = 50 dB, terwijl de derde harmonische onderdrukt moet worden met: 110 - 24,5 dBm = 85,5 dB. Als we genoegen nemen met gemiddeld meer stoorsignalen, b.v. 1,1 + 4,6 = 5,7 stoorsignalen/uur, kunnen deze filtereisen met 10 dB worden verlaagd. Vergelijken Als we deze eisen vergelijken met die voor de communicatie-'super' uit het begin, dan zien we dat het ingangsfilter voor de SDR al op een afstand van een enkele octaaf een sterke onderdrukking van ongewenste signalen moet vertonen en op twee octaven afstand nog veel meer. In het getallenvoorbeeld bij de 'super' uit het begin zien we pas filter-eisen op een afstand van vier tot zes octaven van de ontvangstband. Het oorspronkelijke SDR1000
ontwerp heeft echter een ingangsfilter voor de Als we op deze basis naar de antenne-ingang kijken, zullen er een groot aantal filters nodig zijn, omdat steeds vanaf de tweede harmonische van de ontvangstfrequentie al een goede onderdrukking nodig is. Als voorbeeld zal bij een laagste ontvangstfrequentie van 500 kHz. de onderdrukking al moeten gelden bij 1 MHz., voor 600 kHz. bij 1,2 MHz.,. voor 700 kHz. bij 1,4 MHz., enz. Vooral in het lage ontvangstgebied zijn er een groot aantal filters nodig, terwijl we als HF radio-amateurs eigenlijk pas geïnteresseerd zijn in het gebied met de HF amateur banden. Om het aantal filters hanteerbaar te houden en toch een optimale onderdrukking te krijgen op de radioamateur banden, werd een serie laag-doorlaat filters ontworpen die speciaal op deze banden hun optimale werking vertonen. De tussenliggende gebieden zijn dan minder goed beschermd tegen ongewenste signalen en wel minder naarmate de ontvangstfrequentie verder (lager) van de kantelfrequentie van het betreffende filter af ligt. Met deze filters wordt op een efficiënte manier met mogelijkheden en middelen om gegaan: - het totaal aantal filters is beperkt tot de amateur HF-banden (9), en geeft daar de vereiste onderdrukking van alle mogelijke ongewenste mengproducten, vooral voor tweede en derde harmonische mengproducten, - alle frequenties kunnen worden ontvangen en dus kan de SDR ook als 'general coverage' ontvanger worden ingezet, - door de lage filter rimpel in de doorlaat band kan de SDR nog steeds als meetapparaat worden gebruikt. Men kan zich afvragen of deze filters onontbeerlijk zijn voor een goede werking van de SDR ontvanger. Het antwoord is negatief. Ook zonder deze serie filters of met andere filters zal de ontvanger kunnen werken, net als sommige (militaire) communicatie ontvangers zonder ingangsfilters zijn uitgerust om sneller te kunnen wisselen van frequentie. Indien geen filters aan de antenne ingang worden toegepast zal echter het hoger niveau van signalen die niet thuis horen op en rond de gewenste ontvangstfrequentie aanzienlijk hoger zijn, waarmee aan de kwaliteit van de ontvanger afbreuk wordt gedaan. Als de SDR ook als basis dient voor een zender, is er minder vrijblijvendheid om af te zien van antenne filters minder i.v.m. wettelijke voorschriften t.a.v. bijproducten van het zendsignaal, waarvoor dezelfde onderdrukkings-eisen gelden t.a.v. de schakelfrequentie als voor het ontvangstsignaal, en waarvoor de (harmonische) producten even sterk door zullen komen als bij de metingen uit de tabel. In het volgende deel staan de filters voor de HF-banden met de grafieken van het specifieke filter gedrag. Alle filters zijn opgebouwd met standaard componenten, die met 'standaard' tolerantie (5% of beter) kunnen worden toegepast. Ook de spoelen zijn ontworpen met een reële kwaliteitsfactor, die omlaag gaat bij hoger wordende frequentie. De filters zijn daarom 'nabouw-zeker'. Zorg wel voor voldoende scheiding tussen in- en uitgang van elk filter, eventueel door deze filters uit te voeren met afschermende tussenschotjes op een of meer plaatsen binnen het filter. De filters zijn steeds zo ontworpen dat een minimale verzwakking van 40 dB optreedt bij de tweede harmonische van de laagste ontvangstfrequentie in die band. Voor de hogere gewenste ontvangstfrequenties zijn de harmonischen dan nog meer verzwakt. De derde harmonische wordt daarbij b.v. al meer dan 65 dB verzwakt. Deze filterkarakteristieken zijn vooral van belang voor de laagste drie amateurbanden, omdat de harmonischen hiervan steeds in 'drukke' banden terecht komen. Vanaf het filter voor de 10 MHz. band is de mogelijke verstoring door 'radioverkeer' op harmonische frequenties minder van belang en zou kunnen worden volstaan met eenvoudiger filters. Alle filters zijn ontworpen voor optimale specificaties in een 50 Ohm omgeving. Deze vertonen daarom hun optimale gedrag indien afgesloten met 50 Ohm (zie optimale antenne transformator) en met aan 50 Ohm aangepaste antenne.
Alle filters maken gebruik van hetzelfde basiscircuit als in onderstaande figuur. De waarden verschillen per (amateur) band. Bij het ontwerp is rekening gehouden met toepassing van z.g. micro-chokes, d.w.z. spoelen die lijken op een weerstand met een vermogen van 1/2 W. De kwaliteitsfactor van dit soort spoelen wordt lager naarmate de frequentie hoger wordt t.g.v. het toegepaste ferrietmateriaal hierin. Met het filterontwerp is daarom rekening gehouden met deze aflopende kwaliteitsfactor waardoor het ontwerp het best tot zijn recht komt bij toepassing van deze micro-chokes. De waarden van alle onderdelen zijn te vinden in de standaard E12 reeks. Bij keuze mogelijkheid hebben natuurlijk componenten met een zo laag mogelijke tolerantie en temperatuur factor de voorkeur.
Bijgaande reeks filters zijn steeds bedoeld om toegepast te worden in een door PowerSDR aangestuurde omgeving. Hierin zijn verschillende amateurbanden vaak gecombineerd in een enkel laag-doorlaat filter. De naam van zo'n filter geeft daarom ook aan voor welke banden deze filters zijn bedoeld en door welke aansturing vanuit de PIO-kaart deze bestuurd worden. Na de serie filters volgt nog de filter-aansturing en een mogelijke kaart indeling. De stuursignalen en kaart lay-out past bij de SW van de SDR1000 en de andere kaarten in deze serie: QSD, DDS en PIO.
Het is de vraag of het filter 24 + 28 MHz. effectief is voor deze ontvanger. De frequenties tussen 30 en 80 MHz. bevatten geen sterke (radio-)stations en verder is het filter 'knikpunt' hier minder goed te bepalen vanwege de lage Q-factor die spoelen op een ferriet-ring doorgaans vertonen in dit frequentie gebied. Misschien beter om dit filter in eerste instantie niet toe te passen, maar wel de ruimte op de filterkaart (navolgend) open te houden voor eventuele latere plaatsing, mocht dit noodzakelijk zijn. Lowpass 50 MHz.
Geen filter (Bandfilter 5, PIO JP3-6) Een filter kaart werd ontworpen voor gebruik met de PowerSDR SW, met dezelfde afmetingen als de QSD, DDS en PIO kaarten. De filters op deze kaart kunnen per band worden toegepast of worden weggelaten, naar keuze. Wanneer geen filter voor de betreffende band(en) wordt toegepast, zorgt de aanstuurelektronica er automatisch voor dat de ingang en de uitgang van de filter kaart worden doorverbonden. Voor meetdoeleinden is een voorziening aangebracht die er voor zorgt dat onafhankelijk van de band / filter keuze, de ingang direct met de uitgang kan worden doorverbonden. Hierdoor wordt de nauwkeurigheid en de lineariteit van de SDR ontvanger niet afhankelijk van de toevallige (kleine) filterdemping en is de volledige nauwkeurigheid van 0,1 dB over het hele meetgebied en op alle frequenties weer beschikbaar als meetinstrument. Let even op de volgorde van de filters en de aansturing van de kaart vanuit de PowerSDR SW. In de aansturing blijkt een wonderlijke omdraaiing aanwezig te zijn, die ook al bleek uit de naamgeving bij de filters; wanneer de filters op de voorbeeld-'lay-out' in bandvolgorde op de kaart worden geplaatst (de aangegeven volgorde), dan moet er een omdraaiing plaats vinden in de aansturing (aangegeven). Indien gekozen wordt voor een één op één bedrading tussen de PIO en de filter-kaart, dan moet de volgorde van de filters op de kaart worden aangepast. De kaart werd ontworpen voor standaard onderdelen (geen SMD) en de lay-out is bedoeld voor een experimenteer kaart met het gebruikelijke eentiende-inch raster. Voor de beste filter-response dient de componentzijde een aardvlak te hebben. Wanneer wordt gewerkt met experimenteer print, dienen de aardlijnen per filter verbonden te worden met de doorlopende aardlijnen aan weerszijden. De verbindingen hiervoor kunnen het beste onder de reed-relais' worden gelegd, voordat deze worden geplaatst.
Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl |
|
