|
Trefwoorden |
Spiegelonderdrukking
in de QSD kaart Algemeen In een super heterodyne ontvanger ontstaat 'spiegelontvangst', omdat in de mengtrap steeds de som en verschil signalen worden geproduceerd van het ontvangen en oscillator signaal. Beide vallen binnen dezelfde (midden-) frequentie en worden door de ontvanger op dezelfde wijze ontvangen. Bij dit type ontvanger wordt daarom aan de antenne-ingang gefilterd om te zorgen dat de signalen die een ongewenst mengproduct zouden kunnen veroorzaken, niet op de mengtrap terecht kunnen komen. Dat dit zonder veel problemen mogelijk is komt o.a. omdat de beide spiegelsignalen zo ver uit elkaar liggen, n.l. op twee maal de afstand van de middenfrequentie. Wanneer deze niet al te laag wordt gekozen t.o.v. de ontvangstfrequentie, is verwijdering van de spiegel door filtering bij de antenne ingang goed mogelijk. In een SDR ontvanger gebaseerd op de Tayloe mengtrap (zie beschrijving van de QSD-kaart), worden de HF signalen meteen omgezet naar de audio-band. De gewenste signalen treden op als een mengproduct van frequentie '0' tot de maximale audiofrequentie. De ongewenste spiegel signalen vinden we aan de andere zijde van deze frequentie '0' tot aan de maximale audio-frequentie aan de negatieve zijde. Aan deze zijde ontvangen we echter ook de (gewenst) omgezette signalen tot aan de schakelfrequentie, zodat in een panoramische weergave een breed frequentie-gebied boven en onder de schakelfrequentie weergegeven kunnen worden, precies als in een spectrum analyser. Omdat deze positieve en 'negatieve' audio-frequenties zonder onderbreking op elkaar aansluiten, is het bijzonder moeilijk om één ervan te verwijderen en toch het gewenst deel over te houden totaan de schakelfrequentie. De SDR software is echter prima instaat dit karweitje voor zijn rekening te nemen door de I en Q signalen met grote precisie van elkaar af te trekken. Hierdoor is ook ontvangst van signalen aan de andere zijde van de frequentie '0' mogelijk, zonder dat hier spiegelsignalen voorkomen uit het 'positieve' audio gebied. Voorwaarde hiervoor is echter dat deze I en Q signalen precies aan elkaar gelijk zijn, in amplitude en in fase. Zodra er fouten optreden deze fase en amplitude relatie, heeft dit onmiddellijk zijn weerslag op de goede systeem- eigenschappen, die we b.v. terug vinden in een verminderde spiegel onderdrukking. Waarom die fouten (kunnen) optreden, wordt verderop in dit hoofdstuk uitgelegd, evenals oplossingen hiervoor. Oorzaken van ongelijkheid ingangstrap Als we naar de totale versterkerketens kijken in de beschrijving van de Taloe mengtrap, vanaf de ingang van de ontvanger, dan zien we na een gemeenschappelijke ingangstransformator de schakelende mengtrap, waarvan steeds twee schakelaars worden gebruikt per keten. Verschillen in de weerstanden van deze schakelaars geven een verschillend signaal op de integratie condensatoren en dus op de ingang van de navolgende instrumentatie versterkers. Deze schakelaars worden bediend door twee schakelsignalen, die ook weer een onderlinge fase verhouding hebben van 90 graden. Als er door een klein verschil in de interne vertraging van deze schakelsignalen en/of in de reactietijden van de schakelaars een klein verschil ontstaat in de 90 graden fase relatie, ontstaat hierdoor ook een ongewenst verschil in de I en Q signalen. instrumentatie versterkers Na de integratie condensatoren volgen de instrumentatie versterkers. De eigenschappen van deze INA163 zijn voortreffelijk, zowel in fase als in amplitude. De versterking wordt voornamelijk bepaald door externe componenten (weerstanden); zelfs nauwkeurige weerstanden hebben echter een zekere tolerantie en daarom kunnen ook hierdoor verschillen in de kanaalversterking ontstaan. Verder wordt op de QSD-kaart de versterking omgeschakeld m.b.v. een elektronische schakelaar, die ook weer een beperkte gelijkheid heeft tussen de schakelende takken. geluidskaart Na de instrumentatie versterkers komt de geluidskaart. Deze heeft doorgaans aan de ingang een variabele versterker en/of verzwakker. De versterking per kanaal hoeft daarom niet perfect gelijk te zijn, zeker niet als er aan de ingang een handmatige instelling aanwezig is om deze kanaalversterking te kunnen instellen. Zo'n (stereo-)potentiometer is nooit helemaal gelijk voor ieder kanaal en bovendien niet voor elke stand van deze potentiometer. Ook de looptijd per kanaal hoeft niet helemaal gelijk te zijn, hetgeen aanleiding kan zijn tot verschillende vertragingen en dus van fase fouten. A/D omzetter Aan het einde van de keten vinden we de Analoog naar Digitaal omzetter. Ook hier kunnen kanaalverschillen optreden maar omdat deze A/D omzetters gemaakt zijn voor een herhaalbare, hoge resolutie, hoeven we ons daar in de praktijk niet zo veel zorgen over te maken. Totale SDR-systeem Verder kan het totale SDR systeem van ingang tot de display, een bron zijn van derde-orde intermodulatie producten. Deze producten ontstaan als de versterking niet stikt lineair is en afhankelijk van de uitsturing. De karakteristiek die het verband aangeeft van het gedrag van de uitgangspanning als functie van de ingangspanning heeft dan de vorm: Vuit = A + B.Vin
+ C.Vin2 + D.Vin3 + ..... Bij een ingangsignaal van Vin = v1.cos ω1t + v2cosω2t, veroorzaakt de term: C. Vin2 hierin het product: C.v1.v2.cos(ω1 - ω2)t, de term die we herkennen uit een mengtrap en die zorgt dat we het verschil tussen de oscillator- en ontvangst frequentie terug vinden als de gewenste MF ontvangstband.
De term: D.Vin3 veroorzaakt echter de producten: D.v1.v2.cos(ω1 - 2ω2)t en D. v1.v2.cos(2ω1 - ω2)t, die we opnieuw terugzien in het audio-gebied van de SDR ontvanger als ongewenste mengproducten. Voor een totale versterking die bedoeld is om lineair te werken zijn de termen A (offset) en verder C + D + .... natuurlijk ongewenst. Dat ze niettemin aanwezig zijn blijkt uit metingen aan het SDR systeem en worden zichtbaar op de basislijn wanneer de ingangsignalen een hoge sterkte bereiken. De termen A, C, D, enz. zijn niet door de ontwerper in het systeem ingebouwd maar 'ontstaan' als een bijkomstigheid van niet-ideale componenten. Omdat deze min of meer toevallig ontstaan, hoeven ze ook niet aan elkaar gelijk te zijn in het I en Q kanaal, en dit kan opnieuw een bron zijn van kanaalverschil, afhankelijk van grootte van het ingangsignaal. Nu we hebben vastgesteld dat er verschillen kunnen optreden in de versterking en de fase van de I en de Q kanalen, verheugt het ons om meteen vast te stellen dat de makers van PowerSDR al rekening hebben gehouden met deze niet perfecte wereld en een mogelijkheid hebben ingebouwd om deze kanaalverschillen te kunnen compenseren. Deze compensatie kan plaats vinden in amplitude en in fase, zodat alle kanaalverschillen die we hierboven tegen kwamen, keurig kunnen worden gecompenseerd. fase effecten Compensatie kan perfect worden
uitgevoerd, zolang de kanaalverschillen een statisch karakter vertonen. Van
de I en Q ketens wordt dan verwacht dat een eenmalig gecompenseerd systeem
verder geen verschillen mag (gaan) vertonen bij andere frequenties en/of
amplitudes dan waarbij het systeem werd afgeregeld. Helaas is de wereld ook
hier minder ideaal dan gehoopt. Afhankelijk van de ingestelde
(ontvangst-)frequentie moet b.v. de mengtrap en aansturing daarvan harder
werken. Bij een ontvangstfrequentie op de amplitude effecten Het SDR systeem heeft bijzonder goede dynamische eigenschappen. Zo kunnen we b.v. signalen van een sterkte van een paar tienden van een microvolt prima ontvangen en heeft het systeem ook nog geen moeite met signalen van tien millivolt en meer. Dit is een reusachtig ingangsbereik, dat het SDR- systeem moeiteloos kan verwerken. Omdat dit bereik zo groot is, kunnen we ook verwachten dat er kanaalverschillen zullen optreden, afhankelijk van de sterkte van het signaal. Hiervoor zagen we al de gevolgen van niet-lineariteiten in het (audio)versterker kanaal. Daarnaast is de schakelende mengtrap een duidelijke kandidaat voor deze niveau-afhankelijke kanaalverschillen. In de specificaties van deze FET-schakelaar zien we dat de doorlaat weerstand in de aan-situatie gelijk is aan 4 ohm (typ.) bij een ingangspanning van 0 V. en 8 Ohm (typ) bij een ingangspanning van 2,5 V. Een groot ingangsignaal zal deze FET-doorlaat weerstand dus een beetje moduleren, waardoor de gemiddelde waarde van deze weerstand een beetje anders zal zijn bij grote signalen dan bij heel kleine signalen. Omdat het hier over 'typische waarden' gaat, hoeft deze gemiddelde kanaal weerstand niet voor elk kanaal precies gelijk te zijn en dit is opnieuw een bron van verschillen tussen de I en Q signalen. In het ontwerp van de QSD-kaart worden daarom de ingangschakelaars op een voorspanning van ca 1 volt gebracht. Op deze wijze blijven de FET-weerstand over een zo groot mogelijk dynamisch bereik onveranderd. Een deel van dit 'modulatie effect' zijn we daarom bij voorbaat al kwijt. Al deze zaken 'vertalen' naar amplitude verschillen tussen het I en Q kanaal, waarvoor eveneens voorzieningen aanwezig zijn ter compensatie. amplitude afhankelijkheid Bij de metingen aan het SDR systeem blijkt dat een spiegel die bij een bepaalde sterkte van het ingangssignaal werd weggeregeld, toch weer zichtbaar werd bij andere ingangsignalen, zowel groter als kleiner dan die waarbij de 'spiegel' werd weggeregeld. Als voorbeeld geldt de volgende tabel, waarbij in de stand 100x van de QSD-kaart de spiegel werd weggeregeld bij een signaal, juist onder het maximale niveau voor deze instelling (0 dBFS). De volgende tabel werd gemeten:
Het is duidelijk dat de spiegel die bij -18,8 dBm was weggeregeld, weer terug komt bij kleinere signalen. Hoewel deze getallen er verontrustend uit zien, valt het in de praktijk toch wel mee wanneer we bedenken dat b.v. een waarde van -70,4 dBc onder een ingangsignaal van -48,8 dBm een waarde vertegenwoordigt van -119,2 dBm., en dat is juist boven het ruisniveau van het SDR-systeem op ca -125 dBm. Toch kan deze spiegel nog aanleiding geven tot 'fluitjes' bij de ontvangst. schakelaar of versterker Vervolgens werd een meting uitgevoerd om te onderzoeken of deze spiegelsignalen afkomstig zijn van het niet-lineaire gedrag van de versterkers of van de schakelaars aan de ingang. Daartoe werd de kaart-versterking omgeschakeld van 100x naar 10x, zonder het systeem opnieuw te kalibreren. Bij hetzelfde ingangsignaal werkt de versterker keten dan op een niveau dat 20 dB lager ligt en daarmee zou het spiegelsignaal kleiner moeten worden als het inderdaad door de niet-lineariteiten in deze keten wordt veroorzaakt. Als het daarentegen niet kleiner wordt, vindt het zijn oorsprong in het ingangcircuit, i.c. de FET-schakelaars. De volgende tabel kon worden gemeten:
Bij een signaal van 18,8 dBm op de ingang krijgt de versterker nog maar een tiende deel van het signaal uit de vorige tabel. Het spiegel signaal is echter niet verdwenen, maar zelfs nog iets toegenomen. Hieruit blijkt dat niet de versterker keten maar de ingangstrap de veroorzaker is van het veranderde spiegelsignaal bij een veranderd ingangsignaal. Dat het spiegelsignaal bij dit ingangsniveau niet opnieuw tot nul is teruggevallen vindt zijn oorzaak in de instrumentatie versterkers. Het uitwendige circuit dat de versterking omschakelt (weerstanden en schakel circuit) hoeft maar een klein beetje ongelijk te zijn per kanaal om dit effect te veroorzaken. Bedenk dat een verschil in versterking van 0,1 % al een spiegel laat verschijnen op een niveau van - 60 dBc. afregeling Nu bekend is dat er een spiegel signaal kan ontstaan bij een andere ingangsniveau dan waarbij de dit signaal werd weggeregeld, en dat het de ingangsschakelaars zijn die (voornamelijk) dit gedrag veroorzaken, werd een aantal metingen uitgevoerd om vast te stellen bij welk ingangsignaal het SDR-systeem het best kon worden afgeregeld, teneinde bij andere ingangsniveaus zo weinig mogelijk last te krijgen van een opnieuw opduikend spiegel signaal. De resultaten zijn weergegeven in de volgende grafiek:
Uit deze grafiek blijkt dat indien de afregeling plaats vindt bij een ingangsniveau van - 30 dBm, het spiegelsignaal niet helemaal verdwijnt, maar toch op een zeer laag niveau blijft, ook wanner het ingangsignaal later toe neemt tot 0 dBm. Indien op een nog lager niveau wordt afgeregeld, wordt het signaal bij hogere ingangsniveaus juist weer groter, hetgeen al een beetje blijkt uit het omhoog lopen van de onderste, groene curve. Omdat het effect wordt veroorzaakt door het ingangcircuit voor de instrumentatie versterkers, maakt het niet uit hoe groot de QSD-versterking is bij wegregelen van het spiegel signaal, zolang het ingangsniveau maar gelijk is aan -30 dBm. Uit het bovenstaande is
duidelijk dat de wegregeling van het spiegelsignaal geen eenmalige
gebeurtenis kan zijn, zelfs niet als voor afregeling bij een optimaal
ingangsignaal wordt gekozen. De afregeling zal steeds opnieuw moeten gebeuren
wanneer een andere HF ontvangstband wordt ingeschakeld (frequentie effect).
Dit laatste zou toch al moeten gebeuren omdat alleen bij de Er is ook nog een variant, waarbij de ingangsgevoeligheid met een tussenstap wordt geregeld d.m.v een verzwakker aan de ingang. In dit geval bevind deze component zich in het gemeenschappelijke ingangcircuit en heeft geen invloed op de spiegel onderdrukking. Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl
|
|
