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Empfänger Intermodulation 3

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Im ersten und zweiten Teil (CQ-DL 6/02, S. 436, und 7/02, S. 504) vermittelte der Autor Grundlagenwissen über die mathematischen Zusammenhänge von IM-Störungen, die Messausrüstung und den Messaufbau. Dieser abschließende Teil erklärt die Messverfahren und die Bewertung der Ercrebnisse.

Messverfahren

Bewertung der Messergebnisse

Messbandbreite

Die Leistung des Eigenrauschens eines Empfängers (nicht zu verwechseln mit dem Rauschmaß!) ist linear abhängig von der ZF-/NF-Bandbreite. Halbiert man die Bandbreite, ist auch das Eigenrauschen nur noch halb so groß. Dadurch sinkt - bei gleichem Signal/Störabstand - der untere Referenzpegel, und man erhält einen höheren Wert für den intermodulationsfreien Dynantikbereich, Um Werte vergleichbar zu machen, ist es somit unumgänglich, eine normierte Bandbreite zu definieren. Im Messkatalog der CQ DL-Testberichte, den Testberichten der RadCom, des ÖVSV, der USKA oder in den Tests von Peter Hart, G3SJX, wird daher immer eine SSB-Bandbreite von 2,4 ... 2,7 kHz als Standard-Messbandbreite verwendet.

Diese Bandbreite wurde früher auch von de ARRL-Messcrew geschaltet, vor eimgen Jahren jedoch zu Gunsten einer 500 Hz CW Bandbreite reduziert. Das ist schade, denn nicht alle Amateurempfänger oder Transceiver sind standardmäßig mit einem CW-Filter ausgestattet. Und der Leser muss sich klar machen, dass seit dieser Zeit die Tester der ARRL messtechnisch höhere Werte für die Dynamik-Bereiche und bessere Werte für Eigenrauschen und Empfindlichkeit ermitteln! Zum Vergleich muss man die QST-Test-Werte um einen Bandbreite-Faktor "zurecht rücken". Dieser beträgt rund FB = 10 x log (2500 Hz/500 Hz) = 7 dB. Da die kubische Relation zwischen IM-Produkt und Störträger erhalten bleibt, liefert auch eine Messung des IM-freien Dynamikbereichs mit unterschiedlicher Bandbreite rechnerisch zumindest immer denselben IP.


Bild 8 - Zweiton-Schwebung; a) unbegrenzt, b) begrenzt.


Bild 9 - Intermodulationsentstehung durch Begrenzung. Aus dem DSB-Signal, moduliert mit Δf, entstehen alle ungeradzahligen Harmonischen von Δf; a) Signal unbegrenzt, b) Signal begrenzt.

Messträger-Abstand

Ein Zweitonsignal, erzeugt von unseren beiden Störträgern, entspricht - im Zeitbereich betrachtet - einer Schwebung, die man sich als DSB-Signal mit unterdrücktem Träger (Bild 8a) vorstellen kann. Der (unterdrückte) Träger ist mit einem Signal moduliert, das dem halben Frequenzab stand Af der beiden Störträger entspricht (Bild 9a). Wird dieses Signal begrenzt, wie es in Bild 8b prinzipiell dargestellt ist, so entstehen alle ungeraden Harmonischen dieser halben Differenzfrequenz Δf und hieraus die symmetrisch zum Träger liegenden, uns bekannten IM-Produkte (Bild 9b). Dieser Begrenzungseffekt der Schwebung kommt dem realen Entstehungsprozess von Intermodulation 3. Ordnung bedeutend nher als das mathematische Modell aus Summe und Differenz der Signale mit den Signalharmonischen.

Der Beweis ist naheliegend: Schließt man z.B. an einem Kleinsignalverstärker Basis und Emitter - über eine Drossel für HF entkoppelt - für diese niedrige Differenzfrequenz mit einem großen Kondensator kurz, so kann man das Intermodulationsverhalten der Stufe bei kleinen Störträgerabständen um bis zu 10 dB verbessern. Die Ausprägung der Differenzfrequenz der Störträger spielt bei der Intermodulationsentstehung im realen Fall also eine entscheidende Rolle. Da selbst sehr breitbandige HF-Schaltungen meist nicht in der Lage sind, auch NF-Signale sehr viel kleiner 20 kHz zu verarbeiten, wird der IP3 mit sehr gering werdenden Störträgerabständen üblicherweise signifikant schlechter. Dies ist z.B. an Verstärkern oder Mischern jederzeit messtechnisch nachweisbar.

Es wäre wünschenswert, den Einfluss sehr nahe beieinander liegender Störträger auch auf unseren Empfänger zu untersuchen, vor allem unter dem weiteren Aspekt der meist recht großen Bandbreite der Filter in der ersten ZF-Lage. DL1BU hat bereits 1981/82 dieses Thema ausführlich beleuchtet (5), Solche Messungen erfordern jedoch eine Messausstattung mit extrem rauscharmen Generatoren, hoch aussteuerfähigen Nachverstärkem und Leistungssuminierern. Und in der überwiegenden Zahl der Fälle wird das Messergebnis durch reziprokes Mischen mit dem internen Oszillator verfälscht. Auf die Intermodulationsmessung mit sehr kleinen Störträger-Abständen wird daher verzichtet.

Selektion

Trotz suboktaver Bandfilter in den meisten unserer modernen Amateurempfänger stellen wir auf Summen- und Differenzfrequenzen oft erhebliche IM2-Stärungen fest. Das ist fast ausschließlich auf defizitäre Schaltungsauslegung, manchmal aber auch auf die Verwendung ungeeigneter Bauelemente, erzwungen durch Trends zu extremer Miniaturisierung, zurückzuführen (6). Hier hilft nur der Druck auf die Hersteller zu gewissenhafterer Schaltungsentwicklung. Kurzfristig kann beispielsweise eine Erhöhung des Schaltstroms durch die PIN-Dioden zur Filterselektion verbessernd wirken der der Einbau einer zusätzlichen relaisgeschalteten Hochpass-Bank.

Die Forderung nach schmalbandiger Eingangsselektion hinkt jedoch dem Trend der Zeit hinterher und kann lediglich im Einfachstschaltungen praktizierenden QRP-Bereich zu einer gewissen Entlastung führen. Messtechnisch muss der Einfluss einer Breitband-Selektion auf die IM-Entstehung nicht unbedingt ermittelt werden, da erfahrungsgemäß bei sehr großen Störträgerabständen keine IM-Verschlechterungen zu erwarten sind Messungen mit Störträgern an Filterflanken ist jedoch mit größter Vorsicht zu begegnen. Nur bei hinreichender Entkopplung der Messgeneratoren mit höhen ohmschen Anteil ist den Ergebnissen zu trauen!

Unsymmetrie der IM-Pegel

Intermodulation tritt in unseren Empfängern nur in kaskadierten Schaltungketten auf. Diese bestehen z.B. aus den Stufen Vorselektion, Vorverstärker, Mischer, Mischerabschluss mit Filter und erste ZF-Stufe. Der Gesamt-Interzeptpunkt einer solchen Kette ist von den Interzeptpunkten der einzelnen Module abhängig und von ihrer Verstärkung bzw. Dämpfung. Eine solche Kette ist in ihren Eigenschaften niemals ideal. Jede - auch noch so breitbandige - Schaltung hat selbst innerhalb einer begrenzten Bandbreite Lineartätseinschränkungen bezüglich Frequenzgang, Phasenverlauf und Scnittstellen-Impedanzen. Zwangsläufig machen sich diese Beschränkungen erst recht bei der Hintereinanderschaltung bemerkbar. Daher ist zu erwarten, dass auch die Intermodulationsentstehung solchen Einflüssen - zusätzlich und unabhängig von der rein rechnerisch ermittelten Größenordnung - unterworfen ist.

Am deutlichsten zeigt sich dies an unterschiedlichen Pegeln der auf der Frequenzachse symmetrisch zu den Störträgern liegenden Interinodulationsprodukte. Kaum ein kaskadiertes System zeigt immer ein perfektes Bild symmetrisch ausgeprägter IM-Produkte mit gleichen Pegeln. Selbst das einfache System aus einem eingeschränkt breitbandigen Leistungssummierer und einem Dioden-Ringmischer produziert diese Pegelunsymmetrie (Bild 10).


Bild 10 - Unterschiedliche Pegel der IM3-Produkte durch Kompensationseffekte in kaskadierten Schaltungen.

Geringe Veränderungen in der Frequenzlage oder dem Störträgerabstand können die Konstellation ändern und plötzlich das weniger ausgeprägte IM-Produkt gleich groß oder stärker als das andere hervortreten lassen. Die exakte Ursache solcher, oft mit Kompensationseffekten verstandenen Pegelunsynimetrie ist sehr komplex. Nach neuesten theoretischen Erkenntnissen soll sie thermischen Ursprungs und mit der "Amplitudenmodulation" der Schwebung ursächlich verknüpft sein. Konsequent bedeutet dies, dass IM-Produkte in der Praxis immer - mit entsprechend höherem Aufwand - auf beiden Seiten der Störträger gemessen werden müssen. In den Testberichten der CQ-DL wird der "worst case" aus beiden Messungen tabellarisch erfasst.

Messpegel (Empfänger-Untersuchung)

Es gilt zwar die Regel, dass die Störsenderpegel im Messprozess so niedrig wie möglich gewählt werden sollen, um den Einfluss von IM5- bzw. IM7-Produkten auf die Kübischen gering zu halten, dennoch spielt zumindest bei Empfängermessungen im Amateurfunk dieser Einfluss grundsätzlich eine untergeordnete Rolle. Für den Funkamateur ist es nämlich absolut belanglos, ob sich IM3-Produkte über dem Eigenrauschen des Empfängers in streng kubischer Abhängigkeit vom Pegel der Störer bewegen oder nicht. Für ihn ist zu Vergleichs- und Beurteilungszwecken nur wirklich wichtig, ab welchem Störträgerpegel diese IM-Produkte überhaupt erst in Erscheinung treten, also die Schwelle des Empfänger-Eigenrauschens überschreiten!

Dennoch wählen wir auch bei der Empfängeruntersuchung das IM-Produkt so klein wie möglich. Dann kann man davon ausgehen, dass einerseits das Messergebnis nicht durch IM-Anteile höherer Ordnung verfälscht und damit wenig anfechtbar ist und andererseits die Pegelentwicklung der IM-Produkte kubisch verläuft und eine weitere Vorhersage möglich wird. Also wird ein IM-Produkt so klein wie eben noch messtechnisch erfassbar eingestellt. Man wählt es gerade so groß wie das Eigenrauschen oder den Noise Floor des Empfängers. Dann sind auch die Störträger so klein wie möglich. Achtung: Das geht so natürlich nur bei einem "Linearen" Empfänger, also in AM oder SSB/CW!

Auch aus gerätetechnischer Sicht ist die Messung eines IM-Produkts äquivalent zum Eigenrauschpegel sinnvoll. Jede Einflussnahme einer - meist heute nicht abschaltbaren - automatischen Verstärkungsregelung auf die Intermodulationsentstehung kann so mit Sicherheit ausgeschlossen werden.

Bleiben bei der Messung des IM-freien Dynamikbereichs IMD, also bei der Messung mit, kleinstmöglichen Störträgerpegeln, diese deutlich genug unter dem Kompressionspunkt des Empfängers, so kann - natürlich in Grenzen - von einem vorhersagbaren Verhalten der IM-Produkte ausgegangen werden.

Ein Beispiel mag die Tauglichkeit dieser Uberlegung veranschaulichen:
Ein "guter" Empfänger habe einen Noise Floor von -130 dBm und einen IPE3 von 35 dBm. Daraus ergibt sich ein IM-freier Dynamikbereich von

Demnach liegen, wenn das IM3-Produkt gerade eben das Eigenrauschen bei -130 dBm erreicht hat, die Störträger um 110 dB höher; sie betragen also

Üblicherweise liegt der 1-dB-Kompressionspunkt einer aktiven Schaltung/eines Empfängers etwa 10 ... 15 dB unter dem IPE3. Angenommen, er würde nur 35 dBm - 15 dB = +20 dBm betragen, dann lägen die beiden Störträger bei der IMD3-Bestimmung immerhin 40 dB darunter. Das wäre ein ausreichender "Sicherheitsabstand", nicht nur für ein glaubwürdiges Messergebnis, sondern auch für die Gewähr, dass um mehr als 10 dB weiter ansteigende Störträger die IM3 -Produkte mit genau dreifacher Steigung anschwellen lassen.

Bei einem eher schlechten Empfänger mit IPE3 = 0 dBin und gleicher Empfindlichkeit liegen die Störträger immer noch knapp 30 dB unter dem 1-dB-Kompressionspunkt. Auch hier kann man noch von verlässlichen Messungen ausgehen.

Messfrequenzen

Die Signalpegel-Verhältnisse auf dem 40 m Band stellen die höchsten Anforderungen an einen Kurzwellenempfänger in Mitteleuropa. Aus diesem Grund wählte das Testteam der CQ DL bewusst den 7 MHz Bereich zur Ermittlung der IM3-Eigenschaften der Empfangsteile.

Zahllose Experimente zur Unterdrückung von IM2-Produkten in aktuell im Amateurfunk verwendeten Geräten, durch Umbau oder ergänzende Schaltungen, haben ergeben: Die vornehmlich an der IM2 Entstehung beteiligten Signale entstammen dem Mittelwellenbereich und den 6 MHz, 7 MHz, 9 MHz, 12 MHz und 17 MHz Rundfunkbereichen. Besonders ausgeprägte Signal-Kombinationen werden im Messkatalog unserer Testberichte untersucht, und der jeweils dominierende Fall wird dokumentiert.

Im akuten Fall unzulänglicher IM2-Unterdrückung ist die Summenbildung durch Beschaltung mit einfachen, allerdings relaisgeschalteten Hochpässen vollständig zu beseitigen. Dabei muss lediglich die Flankensteilheit, besonders für die 7 MHz, 10 MHz und 14MHz Hochpässe, ausreichend sein, während die Weitabselektion 40 dB nicht zu überschreiten braucht. Aber auch bei der Differenzbildung reicht es aus, durch sinnvoll bemessene Hochpassfilter das jeweils tieffrequentere - und meist auch stärkere - Signal zu unterdrücken. Das genügt, um die Ausprägung von IM2-Produkten zu vermeiden; das übrig gebliebene höherfrequente Signal kann höchstens noch als Blocking-Störer Einfluss auf den Empfang nehmen. Diese Gefahr ist jedoch weit geringer einzustufen.

Emplängerfaktor

Jeder kennt den Zusammenhang: Ein weniger empfindlicher Empfänger, sei die Unempfindlichkeit schaltungstechnisch bedingt oder durch ein Dämpfungsglied hervorderufen, ist üblicherweise intermodulationsfester als sein empfindliches Pendant und umgekehrt. Konkret: Der IPE3 eines Empfängers oder dessen Rauschmaß kann unmittelbar um den Dämpfungsbetrag eines vorgeschalteten Dämpfungsglieds erhöht werden, aber die Empfindlichkeit ist um denselben Betrag reduziert. Der IM freie Dynamikbereich bleibt dagegen konstant.

Hoch intermodulationsfeste Profi-Geräte führen die Empfangssignale grundsätzlich nach einer Vorselektion, die vielfach nur aus einem Spiegeltiefpass besteht, direkt auf den ersten Mischer - ohne Vorverstarkung. Nach diesem folgt eine aktive oder passive Zwischenstufe, an die ein erstes ZF-Filter angekoppelt ist. Diese wenigen Module bestimmen fast alle Parameter des Großsignalverhaltens. Solche Empfänger sind recht gut vergleichbar, da auch ihre Rauschmaße unisono innerhalb einer Spanne von 12 ... 16dB liegen. Diese Spannweite ist im Amateurgerätesektor deutlich größer. Außerdem unterscheiden sich Low-Cost-Geräte auch technisch, sprich im Aufwand zur Großsignalfestigkeit, deutlich von den kommerziellen Maschinen. Dann gelingt der Vergleich nicht mehr ganz so einfach.

Brauchbare Kriterien wären beispielsweise die IM-freien Dynamikbereiche, aber man erinnere sich an die unterschiedlichen Messbandbreiten, die den Vergleich ohne zusätzliches Rechnen nicht erlauben. In den USA wurde aus diesem Grund vor einigen Jahren der so genannte Empfängerfaktor EF diskutiert. Er ist die Differenz aus IPE3 und Rauschmaß NF, angegeben in dB:

Der Empfängerfaktor offenbart sofort: Ein vorgeschaltetes Dämpfungsglied hat keinerlei Einfluss auf den Zahlenwert. Somit ist die notwendige Verknüpfung zwischen IM-Festigkeit und Empfindlichkeit hergestellt, ohne Abhängigkeit von der Bandbreite - eine prima Sache! Jeder, der sich für die Großsignaleigenschaften von Empfängem interessiert, kann sich diesen Weit errechnen und auflisten und erhält ein recht unbestechliches Vergleichskriterium. Bedauerlicherweise hat sich der Empfängerfaktor noch nicht in das Bewusstsein der Empfängerfreaks eingeschlichen. Da hilft auch eine Begriffsänderung, wie in (7) vorgeschlagen, kaum weiter.

In der Amateurpraxis ist dem Empfänger der Vorzug zu geben, der einen hohen Empfängerfaktor bei gleichzeitig geringem Rauschmaß aufweist. Er bietet die größten Freiheitsgrade bei der Anpassung der Großsignalfestigkeit an die aktuell benötigte Empfindlichkeit durch die Aktivierung eines Dämpfungsglieds. Beachtenswert ist allerdings die, Tatsache, dass - trotz der im kommerziellen Sektor verwendeten breitbandigen und leistungsfähigen Antennen - Empfänger keine schaltbaren Dämpfungsglieder haben und auch nicht brauchen (!). Was Amateurgeräte noch "aufzuholen" haben, ist bereits in (8) ausführlich behandelt worden.

Zusammenhang zwischen IP2 und IP3

Die Entstehung der IM3 in einem Mischer hat ursächlich mit der Geschwindigkeit der Umpolung des Signalpfads HF > ZF durch das Oszillatorsignal zu tun. Nimmt dessen Flankensteilheit zu, reduzieren sich die IM3-Produkte. Ein ideales LO-Signal müsste daher Rechteckform besitzen. Die Breitbandigkeit der Intermodulationseigenschaften eines Mischers wird durch die Wahl der Ferritmaterialien für die Breitband-Transformatoren und deren Wickeltechnik, die Konstanz der LO-Amplitude und die Schalteigenschaften (Trägheit der Ladungsträger - Schaltgeschwindigkeit) der Dioden bestimmt. In der Praxis werden sehr schnelle Schottky Dioden durch ein Sinus LO Signal ausreichender und geregelter Amplitude geschaltet. Das Sinussignal sorgt auch bei großer Frequenzvariation für eine konstante Relation zwischen LO-Frequenz und Schalt-Flankensteilheit für die Dioden und somit für einen in weiten Grenzen von der Frequenz unabhängigen IP3. Der Breitbandmischer des FT-817 von Yaesu ist ein schönes Beispiel aus dieser Kategorie (9). Er ist so dirnensioniert, dass er von Langwelle bis über 450 MHz mit nahezu konstanten Daten arbeitet.

Im Gegensatz dazu ist die Entstehung der IM2 essentiell von der Symmetrie eines (symmetrischen) Mischers abhängig, Diese kann - in Grenzen - unabhängig von der IM3-Ausprägung sein. Man kann daher nur bedingt auf einen Zusammenhang von IP2 und IP3 schließen. Aber da selbst mit einem Spitzenempfänger wie dem E1800 von Telefunken/DASA ohne Preselektor an einer 40 m langen Breitbandantenne IM2-Phänomene nachgewiesen werden können, kommt der Entwickler eines (preiswerteren!) Amateurfunkgeräts um den Einsatz von suboktaver Vorselektion in keinem Fall herum.

AR-7030 klargestellt

Im Zusammenhang mit unseren IM-Messungen wurde darauf hingewiesen, dass der QST-Test (10) dem IPE3 des AOR Empfängers AR-7030 einen weitaus besseren Wert als in unserem Test (11) zugestanden hätte. Die Analyse der dort ermittelten Werte zeigt aber unter anderem:

Zur Bestätigung haben sich die seit langer Zeit ausgerechnet für den AR-7030 "herumgeisternden" Werte eines sehr hohen IPE3, die aus einer Veröffentlichung von Radio Netherlands (12) stammen, als Ergebnis einer Fehlmessung herausgestellt. Daher wurden in (7) sicher unsere und andere Testergebnisse falsch interpretiert und die Ergebnisse für den Vergleich nicht korrekt umgerechnet.

Bedauerlicherweise unterliegen Daten der Amateurfunkgeräte wie IPE2, IPE3, reziprokes Mischen/Blocking u.a., die nicht in den üblichen Verkaufsprospekten auftauchen, nicht vernachlässigbaren Fertigungsstreuungen.

Derjenige, der sich Messergebnisse zur Kaufentscheidung heranzieht, muss sich vergegenwärtigen, dass die Werte unterschiedlicher Geräte, selbst der gleichen Serie, durchaus um 3 ... 6 dB und mehr auseinander liegen können. Es gibt keine Instanz, die solche Werte vorschreibt oder kontrolliert! Behördliche Grenzen gibt es lediglich bei Beeinträchtigungen anderer Funkdienste (Leistung, Frequenzbereiche, Nebenwellen, Oberwellen) oder des Betreibers selbst (Produkthaftung).

Schlussbemerkung

Bei der objektiven Beurteilung der Großsignaleigenschaften eines Kurzwellenempfängers kommt man um solide und professionell durchgeführte Hochfrequenzmessungen nicht herum. Schwankende Signalstärken, abhängig von der verwendeten Antenne, der Tages- und Jahreszeit sowie dem Wetter, lassen es zwar zu, durch bloßes Hören Intermodulationsphänomene zu entdecken; die glaubhafte Quantifizierung zum Vergleich gelingt so allerdings in keinem Fäll, selbst wenn das zu untersuchende Gerät und ein Vergleichsgerät direkt nebeneinander stehen. Auch eine vielfarbige Audio-Analyse kann das nicht leisten.

Es wird keinem übel genommen, wenn er die exakten HF-Parameter eines Geräts nicht messen kann oder den Messungen nicht das gebührende Gewicht zugestehen will. Der Leser von Testberichten ist aber kompetent und in der Lage zu entscheiden, ob Messungen nicht doch einer auf Hörversuchen beruhenden Einschätzung der Empfangstauglichkeit vorzuziehen sind, selbst wenn die Randbedingungen einer Messung nicht alle möglichen Eventualitäten der Empfangspraxis widerspiegeln können. Ein wünschenswert hohes Maß an Funkspaß, den der Betreiber, eines neuen Geräts erleben mochte, wird durch einen Katalog objektiv erläuterter, sorgfäl-tiger Messungen nicht gemindert, im Gegenteil. Ein bewusst (auch ) nach messtechnischen Kriterien ausgewählter Empfänger/Transceiver überzeugt den Benutzer eher von der Richtigkeit seiner Auswahl. Die Verfasser der CQ DL-Testberichte werden auch in Zukunft Objektivität und Gewissenhaftigkeit bei ihrer Arbeit walten lassen.

Literatur

  1. Thomas Moliere, DL7AV. "Das Großsignalverhalten von Kurzwellenempfängern", Es stand in der CQ DL, Band 1, S. 56
  2. Ulrich Graf, DK4SX, Hans Hellmuth Cuno, DL7AV "Messung von FM-Geräten", CQ DL 7/00, S. 499
  3. George, Wood: Ideal Limiting, Part 1, 3. W., Washington DC, US Naval Research Laboratory AD266069
  4. Ulrich Graf, DK4SX, Hans Hellmuth Cuno, DL7AV "Warum so messen?", CQ DL 11/98, S. 861
  5. Günter Schwarzbeck: "Großsignalverhalten von Kurzwellenempfängem". CQ DL 3/81, 11/81 und 1/82
  6. Ulrich Graf, DK4SX: "Intermodulation an passiven Schaltungsteilen", CQ DL 3/96
  7. Frank Sichla: "Messung wichtiger Empfängerkenngrößen",FUNK 9, 10 11/2001
  8. Ulrich Graf, DK4SX: "Was sollen gute Empfänger können?", CQ DL 12/97 und 1, 2, 3, 4/98
  9. Gerätetest "Yaesu FT-817", CQ DL 7/01, S. 505
  10. QST June 1997, "AOR AR-7030 Communications Receiver"
  11. Gerätetest "AOR AR-7030", CQ DL 2/2001, S. 101

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