|
trefwoorden |
Digitale mogelijkheden voor een analoge ontvanger Inleiding In de hoofdstukken over de Tayloe detector en de Quadrature Signal Detector (QSD) kaart werd een methode besproken om analoge antenne signalen op een eenvoudige wijze geschikt te maken voor Digital Signaal Processing (DSP) in b.v. een Personal Computer (PC). De hieruit voorvloeiende mogelijkheden voor het overzien van een groot deel van het frequentie bereik naast het ontvangen station (panorama ontvangst), het maken van (zeer steile) filters en decodering van modulatie methoden zijn zo goed, dat deze methode van signaalbewerking ongetwijfeld de communicatie methode van de toekomst gaat worden. Moeten daarom alle analoge ontvangers meteen naar de schroothoop worden verwezen? Het volgende artikel behandeld enkele methoden om een bestaande analoge ontvanger op eenvoudige wijze aan te sluiten op zo'n QSD-kaart waarbij ook een oudere, analoge transceiver weer jaren mee kan in het digitale tijdperk. Overzicht van de mogelijkheden Het blijkt goed mogelijk om met eenvoudige middelen ook bestaande analoge communicatie ontvangers geschikt te maken om het digitale tijdperk binnen te treden, door gebruik te maken van (een deel van) het bestaande filter en selectiesysteem van zo'n ontvanger. Hiermee omzeilen we meteen het 'probleem' van de ingangsfiltering van de QSD-kaart en de afstemming hiervan. In de betreffende hoofdstukken hebben we gezien dat hiervoor speciale aandacht nodig is om de goede eigenschappen van de QSD-kaart tot hun recht te laten komen. In de volgende paragrafen zullen we een methode beschrijven om de QSD-kaart direct aan te sluiten op een hoge middenfrequentie van de analoge ontvanger. De kaart krijgt hierbij een vaste oscillator frequentie en de ingangsfiltering en afstemming van de (nu) digitale ontvanger wordt verzorgd door de bestaande analoge ontvanger, die hiervoor nauwelijks hoeft te worden aangepast en daarmee steeds volledig functioneel blijft. Wanneer de ontvanger een deel was van een transceiver systeem, wordt hiermee een goede tussenstap gemaakt met de additionele mogelijkheid van een digitale ontvanger bij de analoge zend-ontvanger. Kijken we eerst naar figuur 1 voor enkele algemene zaken. Figuur 1: Algemene opbouw van een communicatie ontvanger Afhankelijk van het type ontvanger vinden we allereerst een vorm van ingangsfiltering, waarmee spiegels worden onderdrukt en waarmee tevens wordt voorkomen dat zeer sterke signalen uit de kortegolf omroep banden ongewenste mengproducten kunnen veroorzaken. Deze ingangsfilters kunnen bestaan uit een serie vaste filters die juist de gewenste (amateur-) band door laten of (band-)filters die meelopen met de afstemfrequentie. Hier zien we meteen een verschil met ontvangers die bedoeld zijn om een breed frequentie-gebied tegelijk te overzien en te reageren op signalen die ergens in dit gebied (kortstondig) optreden, de z.g. scanners. Om snel een breed gebied te kunnen overzien, ontbreekt hierbij doorgaans de ingangsfiltering, waardoor alle eerder genoemde 'ongerechtigheden' direct in de ontvanger kunnen doordringen. Dit type is daarom doorgaans minder geschikt voor communicatie doeleinden onder moeilijker omstandigheden. Na de ingangsfiltering vinden we de eerste oscillator en mengtrap, waar de afstemming van de ontvanger plaats vindt. Hiervan zijn verschillende uitvoeringen op de markt verkrijgbaar. Sommige typen communicatie ontvanger gaan uit van een hoge eerste middenfrequentie, die hoger ligt dan de hoogste ontvangstfrequentie. Dit type heeft doorgaans drie middenfrequenties, waarbij de eerste MF boven de hoogste ontvangstfrequentie ligt, de tweede binnen het gebied, maar buiten een gewenste ontvangstband, doorgaans juist onder of boven 10 MHz. De derde middenfrequentie ligt tenslotte lager dan de laagste gewenste ontvangstfrequentie, doorgaans rond 450 kHz., hoewel rond 100 kHz. ook voor komt. De bandbreedte van de middenfrequent filters wordt lager naarmate de frequentie lager is. Soms worden ook op de hogere middenfrequenties al kristalfilters toegepast, waardoor de totale ontvangst bandbreedte al vroeg in de keten sterk wordt beperkt. Andere, en meestal wat oudere ontvangers, gaan uit van twee middenfrequenties, wederom vaak rond 10 MHz. en rond 450 kHz. Ook hier komen verschillende typen bandfilters voor, al dan niet instelbaar en al dan niet uitgevoerd als kristal filter. Tenslotte is er nog het simpele type met maar een enkele middenfrequentie. Deze ligt doorgaans (maar niet uitsluitend) laag tot zeer laag, tot beneden 100 kHz. aan toe. Bij dit type ontvanger is het moeilijker om 'ongerechtigheden' buiten het gewenste ontvangstgebied te houden. De bandbreedte van de middenfrequentie is met 5 - 10 kHz. juist voldoende om het gewenste station te kunnen ontvangen. Deze z.g. enkel-super ontvangers worden doorgaans alleen als omroepontvanger ingezet omdat de signalen van deze stations over het algemeen sterk genoeg zijn om de genoemde ongerechtigheden te overstemmen. Toch vind je dit type nog wel eens in een communicatie uitvoering, waarbij het uiterlijk dan veel goed moet maken van de tekortkomingen van het innerlijk. Alle bovengenoemde ontvangertypen zijn echter in te zetten als 'voorzet systeem' voor een digitale ontvanger, wanneer we ons bewust zijn van de beperkingen en daarop onze overwegingen baseren. Praktische overwegingen bij de selectie van de bruikbare middenfrequentie Wanneer we zoveel mogelijk van alle mogelijkheden gebruik wensen te maken die de digitale achterzet ontvanger ons biedt, dienen we allereerst een geschikte uitgang te maken / vinden in het middenfrequent deel van de analoge ontvanger. Welke plaats hiervoor het meest geschikt is (a t/m d in figuur 1) hangt af van de mogelijkheden om een aftakking te maken en de beperkingen die op elke plaats weer iets anders liggen. Hoe laag kunnen we gaan? Hoe lager de middenfrequentie en dus hoe verder naar achter in het blokschema van figuur 1, hoe hoger het signaal niveau en hoe gemakkelijker het is om een aftakking te maken die de analoge ontvanger zo min mogelijk beïnvloedt. Helaas wordt de beschikbare bandbreedte ook steeds kleiner, zodat we een afweging moeten maken tussen de gewenste bandbreedte van de panorama ontvangst van de digitale ontvanger en de beschikbare middenfrequent bandbreedte. Bij een middenfrequentie lager dan 1 MHz. is de beschikbare bandbreedte doorgaans 10 kHz. of lager en beperkt dit de mogelijkheden van de panorama ontvanger. Dan maar zo hoog mogelijk? Bij de beschrijving van de QSD-kaart zagen we al dat de oscillatorfrequentie het liefst gegenereerd moest worden uit een kristal oscillator, omdat de faseruis hiervan vele malen beter is dan zelfs met de beste vrij-lopende of synthesized generator mogelijk is, zelfs bij professionele apparatuur. Verder weten we dat deze oscillator vier maal zo hoog moest zijn als de ontvangst frequentie, omdat hieruit twee quadratuur signalen moeten worden gevormd, met een nauwkeurige, onderlinge faseverhouding van negentig graden. Het is verder bekend dat een kristal voor een grondtoon oscillator goed verkrijgbaar is tot ca 30 MHz. Hiermee kunnen dan frequenties tot ca 7,5 MHz. (30 / 4 MHz.) worden ontvangen bij gebruik van de QSD-kaart. Helaas zijn eerste of tweede middenfrequenties met voldoende bandbreedte op 7,5 MHz. of lager weinig courant. Derde overtoon kristallen zijn goed te verkrijgen vanaf 20 MHz. tot 60 MHz., hetgeen bij gebruik in een derde overtoon oscillator een QSD-ontvangstfrequentie oplevert van 5 - 15 MHz. Een van de middenfrequenties van de analoge ontvanger moet dus in dit bereik liggen. Vijfde en hogere overtoon kristallen zijn ook mogelijk, waardoor in principe ook QSD ontvangst op de hoge middenfrequentie van een tripple-super mogelijk is. Helaas wordt de constructie van een hogere overtoon oscillator gecompliceerder naarmate de overtoon hoger is, omdat de marges voor selectie van de juiste overtoon steeds kleiner worden en de selectiviteit van het selectie-mechanisme dus steeds groter moet zijn. Voor de QSD ontvanger kiezen we dus het liefst uit een middenfrequentie waarvoor een oscillator te maken is met een kristal in de grondtoon of hoogstens in de derde overtoon, en waarvan de beschikbare bandbreedte voldoende is voor een aanvaardbaar frequentie overzicht als panorama ontvanger. Consequenties van de AGC regeling in de analoge ontvanger Bij de bespreking van de QSD-kaart kwam naar voren dat een digitale ontvanger zo goed lineair is, dat deze gebruikt kon worden als een meetsysteem met een nauwkeurigheid van een paar tienden van een decibel over het hele dynamische ingangsbereik, van Minimum Detectable Signal (MDS) tot aan de grens van oversturing toe (IP3-Limited Dynamic Range, ILDR). Dit grote, lineaire gebied wordt verkregen m.b.v. de enkele QSD kaart wanneer het antenne signaal direct wordt aangeboden op de ingangstransformator. In het geval van een analoge 'voorzet ontvanger', doorloopt het antenne signaal echter eerst een aantal analoge trappen, waarvan de kwaliteit (dynamische ruimte) wordt bepaald door deze ontvanger. Bij de betere ontvanger kan dit nog steeds een heel groot signaal bereik zijn, maar doorgaans toch wat kleiner dan dat van de enkele QSD-kaart. Een veel grotere beperking wordt echter gevormd door de automatische sterkte regeling (Automatic Gain Control, AGC) van de ontvanger. Omdat de AGC-regelspanning wordt afgeleid van een punt 'achteraan' in de analoge ontvanger, reageert de totale ontvanger op het signaal waarnaar op dat moment geluisterd wordt. Evenzo zal het signaal niveau van de panorama ontvanger variëren met de sterkte van het signaal waarnaar geluisterd wordt, dat echter op het panorama scherm maar een klein deel van het totale beeld beslaat. In figuur 1 zien we dat het meetpunt van deze regeling vrijwel aan het einde van de signaalweg in het laatste blokje is gelegd en dat de regelsignalen terug gevoerd worden naar de middenfrequent blokken en soms ook naar een HF-voorversterker. De versterking van deze trappen is dus afhankelijk van de absolute grote van het binnenkomende signaal. Wanneer de QSD-kaart wordt aangesloten op een geregelde versterker is dus er geen eenduidig verband meer met het ingangsignaal en is daarmee de functie van 'meetinstrument' vervallen, tenzij een punt wordt gekozen dat voor de regeling ligt, b.v. uitgang 'a' in figuur 1. Als remedie hiertegen zou gekozen kunnen worden voor b.v. uitgang 'b' (na de eerste geregelde MF trap), indien de eerste MF versterker wordt voorzien van een vaste i.p.v. een geregelde versterking. De rest van de AGC regeling blijft dan operationeel als voorheen, maar grijpt alleen in op het laatste deel van de ontvanger. De lineariteit en het dynamisch bereik op het aftakpunt wordt nu afhankelijk van de hier toegepaste versterker, op de vast ingestelde versterking. Binnen zekere grenzen zal dit voldoende zijn om toch de functie van digitale meetontvanger te kunnen benutten, maar het dynamisch bereik van de versterker zal opnieuw kleiner zijn dan van de 'kale' QSD-kaart. Ook het totale dynamische bereik van de analoge ontvanger wordt hierdoor enigszins beperkt. Een volgende beperking van de digitale ontvanger in deze opzet wordt gevormd door de beschikbare bandbreedte. De laatste hangt samen met het gekozen aftakpunt (a t/m d) en het type ontvanger. Ik heb enkele van mijn ontvangers op dit onderdeel gemeten en vond b.v. dat een Yaesu FT901, bij een (eerste) middenfrequentie van 8987,5 kHz., een bandbreedte van ca 150 kHz. laat zien tussen de - 3 dB punten (punt b in figuur 1). Bij een Kenwood TS440 is de (tweede) middenfrequentie 8830 kHz. en vertoont een bandbreedte ca 22 kHz. bij - 3 dB (punt c in figuur 1). Dat de laatste bandbreedte zo veel lager is, komt door de toepassing van een z.g. roofing-(kristal-)filter op de eerste middenfrequentie van 45,05 MHz. Hiermee is duidelijk dat de mogelijkheden van panorama ontvangst eenduidig bepaald worden door de beschikbare bandbreedte van de analoge 'voorzet'. Natuurlijk is het ook mogelijk bij de TS440 om een uitgang te maken vóór dit roofing filter. Voor de oscillator van de QSD-kaart, die vier maal zo hoog moet zijn als de ontvangstfrequentie, vragen we dan een kristaloscillator in het bereik van 180 MHz. We zagen al eerder dat we daarmee in het bereik van de hogere overtoon kristal-oscillatoren terecht kwamen, met de daarmee samenhangende constructie problemen. Voor een betrouwbare en stabiele digitale ontvanger willen we zo'n hoge (middenfrequent) ontvangstfrequentie daarom het liefst vermijden, en zijn we in de praktijk aangewezen op middenfrequenties rond 10 MHz. zoals hierboven is aangegeven, waarbij de kristal- oscillator kan werken op de grondtoon of hoogstens op de derde overtoon.
Sommige transceivers zijn reeds uitgevoerd met een mogelijkheid om aan de buitenzijde over het middenfrequent signaal te kunnen beschikken. De eerder genoemde FT901 kon worden uitgerust met een (analoge) panorama ontvanger, de z.g. band-scope. Hiervoor is een middenfrequent signaal op 8987,5 kHz. beschikbaar op een accesoire uitgang. De TS440 heeft helaas niet zo'n handige uitgang, maar de ontwerpers voorzagen dat dit toestel gebruikt zou gaan worden door inventieve knutselaars. Aan de buitenzijde werd daarom een extra, loze plug voorzien voor uitbreiding van de mogelijkheden. De inventieve knutselaar maakt daarom een eenvoudige bufferschakeling met een FET-transistor, waardoor het mogelijk is om het gewenste middenfrequent signaal naar buiten te brengen zonder dat hiervoor gaten in de kast geboord hoeven worden en zonder dat de ontvanger hierdoor belast of beïnvloedt wordt. Een schakeling van zo'n algemeen bruikbare buffer vinden we in figuur 2.
In de schakeling van figuur 2 wordt een FET transistor toegepast, die in deze instelling ca 5 mA. op neemt. De steilheid is ca 4 mS en de ingangscapaciteit is ca 4 pF, waarbij de voedingsspanning niet kritisch is tussen 8 en 20 V. De transistor is bruikbaar tot ca 500 MHz. Hoewel een BFW11 werd toegepast, zijn er veel FET's die aan deze specificaties voldoen waardoor het niet moeilijk moet zijn hiervoor een geschikte FET te vinden in de 'junkbox'. Door de niet te hoge ingangscapaciteit kan deze buffer op vele plaatsen in de middenfrequent circuit worden ingezet zonder dat de schakeling noemenswaardig wordt belast. Aan de uitgang kan een 50 Ohm coax kabeltje het signaalnaar buiten brengen, waarbij de schakeling stabiel blijft. In de beschrijving van de QSD-kaart wordt uitgebreid op de specificaties voor de oscillator ingegaan en wordt een schakeling gegeven voor toepassing van een grondtoon kristal. Deze schakeling levert met een uitgangssignaal tussen 0 en - 10 dBm. voldoende spanning voor directe aandrijving van de HF-versterker op de QSD-kaart. Bij een middenfrequentie van ca 10 MHz., moet de oscillator een frequentie leveren van ca 40 MHz. en hiervoor zijn minder gemakkelijk grondtoon kristallen te vinden. Een bruikbare schakeling voor een derde-overtoon kristal vinden we in figuur 3.
De schakeling in figuur 3 is in principe gelijk aan de Colpitts oscillator die we al eerder tegen kwamen bij de bespreking van de QSD-kaart en later opnieuw bij de IP3 metingen m.b.v. een dubbeltoon generator. De spoel met de condensatoren daar omheen vormt de oscillator op de gevraagde frequentie , die echter een te lage Q-factor vertoont door de serie weerstand van 560 Ohm en daardoor niet kan oscilleren. Het kristal heeft op zijn overtoon- frequentie, die precies op de gevraagde frequentie ligt, juist een heel lage serie weerstand, waardoor toch aan de oscillatie voorwaarde kan worden voldaan, met het kristal als frequentie-bepalend element. De juiste frequentie van dit overtoon kristal op vier maal de middenfrequentie wordt bepaald door de specifieke eisen van de analoge voorzet ontvanger. De schakeling werkt stabiel in een frequentiegebied van 24 - 44 MHz., met een voedingsspanning tussen 9 en 20 V., trekt ca 5 mA bij een voedingspanning van 12 V. en is daarmee geschikt voor middenfrequenties tussen 6 en 11 MHz. De sterke tegenkoppeling voor gelijkspanning zorgt er verder voor dat de instelling van de transistor in hoge mate onafhankelijk wordt van de voedingsspanning, terwijl de meervoudige HF-ontkoppeling van de voedingspanning zorgt voor lage fase-ruis. De uitgangspanning van de schakeling is weer voldoende voor uitsturing van de HF-versterker op de QSD-kaart. Voor de transistor werd een BFY90-type gekozen, die met een fT hoger dan 1 GHz. ruim voldoende versterking geeft op de gevraagde oscillatie frequentie. De feed-back capaciteit is met ca 0,5 pF mooi laag, waardoor de oscillatie-voorwaarde voornamelijk bepaald wordt door de componenten rondom de transistor. Opnieuw zijn er meerdere transistor-typen die vergelijkbare of betere specificaties laten zien zodat de 'junkbox' weer een bruikbare leverancier kan zijn. Om de spoel mooi klein te
houden werd gekozen voor een kleine De (overtoon) kristallen bestelde ik via internet bij de firma HM-International (voorheen Klove), die ze tegen een redelijke vergoeding bij mij thuis afleverde. Enige practische wenken Bij het maken van proefschakelingen kwam ik enkele zaken tegen die het vermelden waard zijn. Ten einde de schakeling onafhankelijk te maken van de voedingsspanningen in de verschillende transceivers, bouwde ik de voeding van de oscillator(en) en de QSD-kaart in hetzelfde doosje. Omdat de QSD-kaart de ontvangen frequentie omlaag mengt naar de audio-band, wordt het uitgangsignaal niet alleen beïnvloed door alle (ongewenste) mengproducten maar ook door ruis en brom bijdragen op LF niveau. De QSD-kaart werkt op een niveau van de zwakste radio-signalen en daarom zijn signalen van enkele tienden van een microvolt op de ontvangstfrequentie al belangrijk, en dus ook op LF niveau. In eerste instantie ontving ik een hele serie frequenties die direct gerelateerd bleken aan de netfrequentie. De oorzaak hiervan werd gevonden in de dioden van de gelijkricht schakeling. Zelfs een zeer algemeen type als de BAX18 bleek eigenlijk veel te goed (lees te snel) voor dit doel en schakelde zeer snel over van de geleidende naar de sperrende fase. Zo'n snelle omschakeling geeft een scherpe flank, waarvan we weten uit de Fourier-analyse dat dit een grote serie harmonischen zal produceren over een breed frequentiegebied. Deze snelle omschakeling was er dan ook de oorzaak van dat stoorfrequenties op het zeer gevoelige niveau van de QSD kaart over een breed gebied waren terug te vinden. Door elke diode te overbruggen met een capaciteit van 10 nF bleek dit snel euvel verholpen. Toch was ik nog niet van alle LF stoorsignalen verlost. De volgende oorzaak werd gevonden in de voedingstransformator, die ook in dezelfde behuizing was ondergebracht. Transformatoren verspreiden doorgaans een zeker magnetisch veld, waar gevoelige schakelingen op kunnen reageren. Voor speciale toepassingen worden dergelijke transformatoren dan ook 'ingepakt' in magnetisch 'zacht' materiaal, waarmee het magnetische veld wordt afgeschermd. Ook worden voor dit doel wel ring-kern transformatoren ingezet, omdat het veld hiervan maar weinig buiten deze gesloten magnetische weg zal treden. De voedingstransformator in de proefschakeling was echter ingepakt noch voorzien van een ringkern, zodat een zeker veld in de omgeving meetbaar was. In de QSD-schakeling en ook in de overtoon oscillator zijn op verschillende plaatsen ferriet-materialen toegepast, zoals in de antenne ingangstransformator, het ingangscompensatie netwerkje en de oscillator spoel. Omdat ferriet een magnetisch materiaal is wordt dit beïnvloed door het magnetische strooiveld van de transformator en wordt hierin een bromsignaal geïntroduceerd t.g.v. magnetostrictie. De enige remedie bleek te bestaan uit het verwijderen van de voedingstransformator uit de omgeving van deze materialen en dus uit de behuizing en deze onder te brengen in een aparte 'knobbel netstekker', waarna ook dit effect was overwonnen. Een transformator kent doorgaans naast een magnetische koppeling tussen de windingen, ook een (ongewenste) capacitieve koppeling. De storing op het (tegenwoordig zeer vervuilde) lichtnet kan daarom via deze capacitieve koppeling de zeer gevoelige QSD-kaart bereiken. De remedie hiertegen bestaat uit een netspanning ingangsfilter, zoals vaker in professionele en gevoelige apparatuur wordt toegepast. Doorgaans wordt zo'n filter toegepast aan de netspanningzijde, maar omdat hiervoor in de kleine 'knobbelsteker' geen ruimte meer was heb ik zo'n zelfde filter aan de laagspanningszijde ingezet, waarmee ook dit stooreffect werd geëlimineerd.
De opstelling van het digitale
proef-ontvanger systeem bestond uit in de eerste plaats uit een analoge
ontvanger, die in mijn geval werd gevormd
door beide eerder genoemde transceivers omdat ik de antenne-ingang en de overtoon oscillator van de digitale 'nazet'-ontvanger omschakelbaar had gemaakt voor beide systemen. De uitgang
van de digitale ontvanger gaat naar de geluidskaart in, of aan de PC, die
tenminste is aangesloten op het lichtnet, maar doorgaans ook nog op andere
zaken (printer, scanner, modem etc). Deze
combinatie geeft daarom aanleiding voor allerlei aardlus
problemen, die op hun beurt ongerechtigheden kunnen introduceren op de antenne
ingang. Deze aardlussen dienen per stuk te worden opgespoord en worden
onderbroken, b.v. door mantelstroom smoorspoelen. In mijn geval bleek het
voldoende om de PC te scheiden van de rest van het systeem d.m.v. een stevige
mantelstroomsmoorspoel bestaande uit 12 wdg. op een
Wellicht dat deze praktische ervaringen ook nuttig zijn voor eventuele nabouwers. Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl
|
|
