Groot signaal gedrag 2
Het derde orde intercept punt
Het is mogelijk om van b.v. een versterker een grafiek op te nemen, waarbij het uigangsvermogen van een tweetoon-signaal wordt bepaald als functie van het vermogen van het ingangssignaal. Neemt men b.v. aan dat de vermogensversterking 10 dB bedraagt, dan wordt de grafiek als getekend in figuur 8.
Fig 8
Zo te zien is dit een keurig lineaire versterker. Bij een bepaald ingangsvermogen wordt keurig een 10 dB hoger uitgangsvermogen gevonden.
Nu is het mogelijk in dezelfde grafiek het vermogen aan te geven dat zit in de derde orde intermodulatie produkten. Dan ontstaat figuur 9.
Fig 9
Direct is te zien dat beide lijnen elkaar ergens moeten snijden. Dit snijpunt nu wordt aangeduid met de uitdrukking "derde orde intercept punt". Het zal duidelijk zijn dat dit snijpunt in de praktijk nooit wordt bereikt; immers ruim voor dit punt wordt bereikt is de versterker hopeloos overstuurd. De lijnen zullen voor dit punt dan ook krom gaan lopen.
Een veel realistischer voorbeeld wordt gegeven in figuur 10. Overigens is in deze grafiek ook het 1 dB compressiepunt te vinden. Dit is nl, die waarde van het ingangssignaalvermogen, waarbij de grafiek 1 dB onder de stippellijn komt.
Fig 10
Een blik op de grafiek leert verder, dat bij het derde orde int. punt zowel een ingangsvermogen als een uitgangsvermogen hoort. Dit verschil is uiteraard precies gelijk aan de vermogensversterking.
Bij opgave van een derde orde int, punt moet dus ook steeds vermeld worden of dit betrekking heeft op de ingang of de uitgang. Hetzelfde geldt voor het 1 dB compressiepunt. Meer algemeen uitgedrukt, het derde orde int. punt en 1 dB compressiepunt (evenals ruisgetal e.d.) zijn afhankelijk van de plaats in het systeem waar deze gemeten worden.
Wanneer de ingangssignalen, wat betreft hun vermogen, een stuk (b.v. 20 dB) onder het derde orde int. punt blijven, zal meestal het vermogen van de vijfde en hogere intermodulatie produkten aanzienlijk kleiner zijn dan het vermogen van de derde orde intermodulatie produkten.
Deze derde orde produkten zijn het meest hinderlijk en we zullen ons daarmee voornamelijk bezighouden. Optimalisatie ten aanzien van deze derde orde 1M-produkten geeft dan tevens goede bescherming tegen hogere orde IM-produkten.
Het dynamisch bereik
Met name voor ontvangers is het dynamisch bereik belangrijk. Dit geldt zeker voor kortegolf ontvangers en in toenemende mate (met toename van de bindbezetting) voor twee meter ontvangers. In de toekomst zal dit wellicht ook voor hogere banden gaan spelen. Essentieel voor het begrip dynamisch bereik zijn de volgende twee opmerkingen:
- Een afname van A dB van het ingangssignaal vermogen heeft een afname van 3 x A dB van het vermogen in de derde orde IM-produkten tot gevolg.
- Wanneer een signaalvermogen beneden een bepaalde waarde komt (de ruisvloer) kan het niet meer gedetecteerd worden.
Uitgaande van het derde orde int. punt kunnen we nu uit gaan knobbelen tot welk vermogen de ingangssignalen moeten worden teruggenomen om de derde orde IM-produkten niet meer waarneembaar te maken. Zie hiervoor figuur 11.
Fig 11
Uit de grafiek is snel te zien dat de vermogens afname aan de uitgang voor het gewenste signaal moet zijn van het derde orde int. punt (output), naar Pm, ofwel een afname van A dB, ofwel 1/3 van P dB. De derde orde IM-produkten nemen dan drie keer zoveel af, ofwel 3 x 1/3 P = P en vallen precies op de ruisvloer.
Piet blijkt dus, dat zolang de ingangssignalen een vermogen hebben, kleiner dan Pm (dus in het dynamisch bereik vallen), de derde orde IM-produkten kleiner zijn dan de ruisvloer, en dus niet worden waargenomen.
Het dynamisch bereik geeft aan, het verschil tussen Pm en Pr, dus dynamisch bereik (dyn. ber.) = 2/3 (derde orde int. punt - ruisvloer)
Zowel intercept punt als ruisvloer moeten weer op dezelfde plaats in het systeem worden bepaald. Men krijgt dan ook het dynamisch bereik voor dat punt in het systeem. De ruisvloer van een tweepoort hangt af van de gevoeligheid. De gevoeligheid is weer afhankelijk van het ruisgetal, het absolute ruilniveau en de bandbreedte.
Bij kamertemperatuur levert een weerstand een reisvermogen van -174 dBm/Hz. Wanneer er een vermogensmeter aangesloten wordt aan een weerstand en er wordt gemeten met een bandbreedte van 1 Hz, zal de vermogensmeter -174 dBm aangeven.
Wanneer niet met een bandbreedte van 1 Hz, maar b.v. 10 Hz wordt gemeten, zal 10 x zoveel energie de vermogensmeter bereiken en dus geeft de vermogensmeter nu -164 dBm aan. De theoretische ruisvloer is dus -174 dBm + de omrekeningsfactor voor de bandbreedte. Voor een SSB-ontvanger is de ruisvloer (theoretisch) ongeveer -140 dBm. Tellen we hierbij het ruisgetal (in dB's) op, dan vinden we de werkelijke ruisvloer.
De ruisvloer is dus bandbreedte afhankelijk. Dit impliceert dat ook het dynamisch bereik bandbreedte-afhankelijk zou zijn. Dit is te ondervangen door b.v. een standaard bandbreedte te gebruiken of i.p.v. de ruisvloer het ruisgetal te nemen.
Omdat er door de auteur echter vaak met SSB-ontvangers wordt gewerkt is deze mogelijkheid niet benut en wordt verder uitgegaan van een theoretische ruisvloer (SSB!) van -140 dBM. liet dynamisch bereik kan dan als volgt worden gedefinieerd: dynamisch bereik = 2/3 (derde orde int. punt + 140 - ruisgetal) dB.
Reciprocal
De term "reciprocal mixing" is uiteraard uit het Engels afkomstig en wordt nog al moeizaam vertaald als "wederkerige menging". Een vlotte vertaling is nog niet door de auteur gesignaleerd (misschien ruismenging?). In dit artikel wordt "wederkerige menging" aangehouden.
Dit begrip houdt verband met het feit dat een oscillator zelf ook een ruisbijdrage heeft. In de oscillator wordt deze ruis op het oscillatorsignaal gemoduleerd en het gevolg is, dat er niet een scherpe piek in het spectrum van de oscillator zit maar meer een bandje, waarbinnen meer of minder vermogen is terug te vinden. Dit is geïllustreerd in figuur 12.
Fig 12
Wanneer er een scherp en smal filter, met een doorlaatfrequentie net naast de oscillatorfrequentie, achter een oscillator wordt geplaatst, dan vinden we aan de uitgang van dat filter een hoeveelheid ruis.
Echter, dit is een situatie die zich bij een superheterodyne ontvanger vaak voordoet. Zie hier voor het blokschema van figuur 13.
Fig 13
Het spectrum op punt A in de ontvanger is het resultaat van de vermenigvuldiging (algebraisch) van de twee ingangssignalen van de mixer. Dit betekent, dat alle spectrum eigenschappen van het oscillatorsignaal worden toegevoegd aan alle spectrum componenten die afkomstig zijn uit liet RF-gedeelte. Uit deze wirwar van signalen vist het MF-filter dan het gewenste signaal. Dit is in figuur 14 nader geillustreerd.
Fig 14
Het lijkt wel alsof niet alleen het oscillatorsignaal het RF-spectrum naar de middenfrequentie mengt maar ook dat de RF-signalen het oscillatorsignaal-spectrum naar de MF mengen. Hieruit blijkt de reden voor de term "wederkerige menging".
Wat heeft dit nu voor praktische consequenties? Stel, dat er een sterk signaal hoorbaar is, b.v. een draaggolf. Draaien we nu aan de afstemming, dan zal eerst het signaal aan de rand van het MF-filter terechtkomen en vervolgens verzwakt worden door het MF-filter. We horen dus nog wel een hoeveelheid ruis ... Hoewel we dus "over het signaal heen" hebben gedraaid hebben we er nog wel last van, d.w.z. van de ruiszijbanden uit de oscillator. Deze situatie is getekend in figuur 15 en is het spectrum zoals gevonden kan worden op punt A in het blokschema.
Fig 15
Wanneer er dus een zwak signaal naast een sterk signaal zit, kan wederkerige menging er voor zorgen dat we dat zwakke station niet horen.
Tot zover een toelichting op enkele begrippen die verbandhouden met het grootsignaal gedrag van telecommunicatie-systemen.
Praktische opmerkingen bij een kortegolf-ontvanger
Om de theoretische begrippen inhoud te geven voor de praktijk, wordt er een kortegolfontvanger beschreven en een aantal praktische overwegingen gemaakt. Zie allereerst het blokschema getekend in figuur 16.
Fig 16
De zwakste schakel in de keten is met de huidige stand van de techniek, wat betreft grootsignaal-gedrag, de mixer. Er zijn echter de laatste jaren mixers te koop, die een dermate grote dynamiek bezitten, dat nu gelet moet worden op de eigenschappen van het MF-filter. Eerst nu een aantal praktische getallen, waarden die in de praktijk doorgaans haalbaar zijn:
| input int. 3e | output int. 3e | ruisgetal | dyn. ber. | osc. verm. | |
|---|---|---|---|---|---|
| dual gate mosfet b.v. BF900 | -5 dBm | +10 dBm | 3 dB | 88 dB | klein (10 dBm) |
| transistor mixer SO42p, SL640 | -15 dBm | + 5 dBm | 4 dB | 80 dB | klein (10 dBm) |
| dubbel gebalanceerde scottkey mixerb.v. MD 108, IE500 e.a. | +12 dBm | +20 dBm | 8 dB | 101 dB | +15 dBm |
| SL1640 (Plessey) | +28 dBm | +35 dBm | 6 dB | 108 dB | +10 dBm |
| FET mixer 2 x U310 | +32 dBm | +33 dBm | 8 dB | 109 dB | +12 dBm |
| X-tal filter XF-9B | +35 dBm | +37 dBm | 2 dB | 115 dB | - |
Er zijn nog betere mixers, de zgn. parametrische mixers. De complexiteit van deze mixers in gebruik maakt ze echter voor de amateur minder geschikt.
Een op het moment in zwang zijnde mixer is de dubbelgebalanceerde scottkey mixer, zoals de MD108 en IE500. Met +15 dBm oscillatorsignaal (ca 30 mW) levert dit een derde orde interceptpunt aan de ingang van de mixer van ca +20 dBm. Op punt D van figuur 16 vinden we dus een derde orde int. punt van ca +20 dBm. Het ruisgetal daar, zal gelijk zijn aan het ruisgetal achter de mixer (punt E) plus de verliezen in de mixer. Deze bedragen ca 8 dB (een conservatieve aanname, meestal zijn de verliezen 1 à 2 dB gunstiger).
De ingang van de versterker op punt E zullen we een ruisgetal van 4 dB toekennen, eveneens een veilige aanname. Aan de ingang van de mixer vinden we nu: 3e orde inp. int. punt = +20 dBm, ruisgetal +12 dB (= ruisvloer = -128 dBm), dynamisch bereik = 2/3 (-128 + 20) = 98,67 dB.
Aan de uitgang van de mixer zijn ruisgetal en derde orde int. punt 8 dB naar beneden verschoven, omdat de mixer zelf weinig ruis produceert. Het verschil tussen ruisvloer en derde orde int. punt zal dus aan de uitgang (punt E) hetzelfde zijn als aan de ingang (punt D).
Het dynamisch bereik zal dus ook op beide punten hetzelfde zijn.
PA0WOW, M. Kuijlman