FM-techniek voor niet fm-ers 1
Een inleiding tot VHF-FM
Ondanks de reeds Lang bekende voordelen is het nog pas sinds kort, dat frequentiemodulatie op de VHF en UHF-amateurbanden, opgang begint te waken. Reeds in 1941 werden deze voordelen van FM t.o.v. AM door Grammar en Crossby onderzocht.
Zij toonden aan, dat voor zwakke telefonie signalen srnalle -band-FM (NBFM = narrow band frequency modulation) een 6 dB zwakker signaalniveau langer neembaar bleef. Dat desondanks FM zo weinig wordt gebruikt vindt zijn oorzaak in de gevolgen van de Tweede Wereidoorlog. Aan het eind daarvan kwamen grote hoeveelheden surplusgoederen vrij. Ongelukkigerwijs was het meeste VHF-spul daarvan ingericht voor AM, bovendien werd de kristalgestuurde converter-kommunikatieontvanger-combinatie de geijkte manier voor de VHF-ontvangst en maar weinig ontvangers waren voorzien van een FM-detector. Het resultaat van deze en andere omstandigheden is, dat op de VHFbanden normaliter met "ancient modulation's wordt gewerkt.
Natuurlijk zijn de banden onder de twee meter al te druk bezet om er FM te werken. Op de VHF- en UHF -banden daarentegen is er nog ruimte in overvloed, waardoor we op die banden de voordelen van FM nog ten voile deelachtig kunnen worden. De pluspunten zijn onder meer:
Fig. 1.
- De eenvoud. Er is geen LF-versterker van groot-vermogen nodig. Een vermogen van een kilowatt kan met een tranaistor worden gemoduleerd. De FM-zenders kunnen zelfs eenvoudiger zijn dan CW-zenders (zie figuur 1).
- Geen laagfrequent inpraten, zoals bij AM en SSB.
- Geen terugkoppeling t.g.v. laagfrequent-gelijkrichting in de audioversterker van de zender.
- Geen kruismodulatie in naburige ontvangers.
- Superieur aan AM bij ontvangst van zwakke signalen, zelfs bij flankdetectie (zie onder).
- De eindtrap kan als een efficiente klasse C-versterker worden ingesteld, zonder zorgen over lineariteit.
- De piekspanningen in de eindtrap zijn slechts een kwart van de pieken bij AM, bij gelijk draaggolfvermogen.
- Een transistoreindtrap kan op tweemaal de collectorspanning werken zonder gevaar stuk te gaan, zoals bij AM het geval zou zijn. Het kan een verviervoudiging in vermogen opleveren.
- FM kan zonder vervorming in varactors in frequentie worden vermenigvuldigd.
- De extreme stabiliteitseisen van SSB worden vermeden.
- Geen AVC-problemen aan ontvangerzijde.
- Grotere ongevoeligheid voor impulsstoringen dan AM of SSB.
- Minder mobiel "flutter".
- Lichtere mobiele apparatuur.
Flankdetectie
Gedurende vele jaren heb ik zo of en toe met FM gewerkt. 1k ben tot voor kort steeds van mening geweest, dat het me aan neembaarheid van zwakke signalen te veel zou kosten om het ombouwen van de zender van AM naar FM te rechtvaardigen.
De meeste VHF-amateurs werken met de gebruikelijke communicatieontvangers zonder FM-adaptor. Om FM te kunnen ontvangen stemmen zij af op de zijband, deze techniek staat bekend als flankdetectie.
Hoeveel de signaal/ruis verhouding er bij overgang van AM naar FM op achteruit zou gaan wilt ik met. Sommige technici beweerden 6 dB, maar, alhoewel het een eenvoudig experiment zou zijn, nog nooit had iemand de moeite genomen om langs empirische weg uit te zoeken wat het verschil nu werkelijk was.
Dus werd er, om de neembaarheid van zwakke signalen te beproeven, een "on the air" experiment opgezet tussen K6JYO en mijn station. De afstand was hemelsbreed ongeveer 100 km. We vergeleken AM met flankgedetecteerde FM van eenzelfde draaggolfvermogen. We vonden, dat AM net even iets beter was. Dat beter zijn was niet meer dan 2 dB. Het experiment werd eerst uitgevoerd op 70 cm met een zender die van AM naar FM omschakelbaar was. Vervolgens probeerden we het op de twee meter band, in tegengestelde richting, met een andere ontvanger en een andere zender, welke eveneens van AM naar FM kon worden omgeschakeld, zonder dat de sterkte van de draaggolf veranderde. De resultaten waren nagenoeg identiek. Tussen de converters en de communicatieontvangers waren precisie -stappenverzwakkers opgenomen om het signal op de grens van de neembaarheid te brengen. (Deze techniek is nauwkeurig indien de totale verzwakking tussen converter en ontvanger groot is, m. a. w. de ontvangerruis overstemde de converter en antenneruis geheel).
Zowel op FM als AM werden in beide experimenten dezelfde behandeling van het laagfrequent (clippen en filteren) toegepast. Interessant was, dat we de beste resultaten verkregen met NBFM (max. zwaai 2 tot 3 kHz) ontvangen op een ontvanger met een steile MF doorlaat. In mijn ontvanger voldeed een 3 kHz mechanisch filter het beste. De afstemming was bijzonder kritisch, bijna als bij het afstemmen op SSB.
Natuurlijk is de benaming flankdetectie niet erg toepasselijk in het geval van een dergelijk filter met rechthoekige doorlaat, aangezien er in dat geval eigenlijk geen sprake is van een flank. Detectie vindt plaats doordat slechts de helft van het FM-signaal wordt doorgelaten. De halve draaggolf met zijbanden produceert een omhullende, die door de AM detector kan worden gedemoduleerd.
De nadruk moet er op worden gelegd, dat het 2 dB voordeel van AM ten opzichte van FM-flankdetectie gezien moet worden op basis van gelijk draaggolfvermogen. Aangezien de totale energie van een AM-signaal groter is dan dat van de ongemoduleerde draaggolf, doet een vergelijking op basis van de totale hoeveelheid aan energie, AM (= draaggolf + modulatie) er nog slechter afkomen.
Neem b. v. het geval van een 100 procent sinus-gemoduleerde draaggolf (AM). De som aan energie (draaggolf + zijbanden) is 50 procent meer dan de draaggolf alleen; een toe name van 1, 5 dB. Dat doet de 2 dB winst van AM inkrimpen tot een zuinige 0, 5 dB. In het geval van blokgolfmodulatie, een dichte benadering van zwaar geclipte spraak, is de toename in totale energieoutput 100 procent, ofwel 3 dB. Bij deze meer realistische vergelijking is FM superieur aan AM, zelfs bij flankdetectie!
Natuurlijk, als FM op de juiste wijze wordt gemoduleerd met een goede discriminator, zal het AM vele dB's overtreffen. In dit licht bezien lijkt het er op, dat de overgang van AM naar FM op onze banden allang had moeten gebeuren.
De laatste jaren is er een grote hoeveelheid verouderde en afgedankte commerciele FM-transceivers in de lucht gekomen. Helaas zijn de meeste sets voor de oude standaard van 15 kHz deviatie gebouwd, hetgeen niet zulke goede resultaten voor zwakke signalen geeft als bij 5 kHz deviatie. Wat de zender betreft kan die oude apparatuur op eenvoudige wijze in overeenstemming met de eisen voor NBFM worden gebracht door de deviatie te verminderen. Ook het terugdraaien van de audio gain of het verder van de microfoon af spreken kan de piekdeviatie verminderen.
De ontvangers zijn te breed voor een goede ontvangst van zwakke signalen en zijn bovendien slecht te gebruiken als gevoig van de vaste kanaal instellingen.
FM ten opzichte van SSB.
Vraag iedere serieuze VHF-liefhebber wat het ultimo op modulatiegebied voor telefonie communicatie is en onverrnijdelijk zal hij "enkelzijband" antwoorden. FM met SSB vergelijken lijkt bijna ketterij. Toch werd de vergelijking gemaakt, en wel door een Researchgroep van de Motorola Laboratories.
De resultaten van dit onderzoek werden in 1957 gepubliceerd in de I.R.E. Proceedings. De uitkomsten waren niet erg gunstig voor SSB. Zo bleek o.a. bij de vergelijking van een 135 Watt PEP output SSB-zender met een FM-zender met een 60 watt output, de waarneembare winst van SSB t.o.v. FM slechts 1 à 2 dB te bedragen. (Dit lijkt op een energie-outputverschil ten voordele van SSB. In werkelijkheid was de dissipatie van de eindtrap in beide gevallen gelijk, Als gevolg van het niet-continu karakter van spraak is het moeilijk SSB en FM op basis van energieoutput te vergelijken. Wanneer we de kosten, de ingewikkelde opzet en andere nadelen van SSB in aanmerking nemen is het de vraag of 1 à2 dB winst al die moeite waard is. In het bijzonder wanneer we bedenken, wat er met dezelfde moeite en kosten te bereiken is, wanneer we het besteden aan antennehoogte en -gain.
W6HPH, F.W.Brown Jr.