Rob's web

Detectie

In CQ-PA van 3 september 1982 stond een verhandeling over een PLL FM-detector, die een aanzienlijke signaal-ruis verhouding (verder als SIN aan te duiden) verbetering zou geven. De (Duitse) auteur had dit zelfs gemeten' en gaf er een populaire verklaring bij. Zelfs een eenvoudige beschouwing laat zien, dat de gevolgde redenatie onjuist is. Als op de aangegeven wijze een aanzienlijke winst in S/N zou optreden, dan zou een aantal malen modulatie demodulatie een steeds betere S/N geven. Dit is uiteraard onmogelijk!

Modulatie en demodulatie (detectie) wordt gebruikt om een bepaalde hoeveelheid informatie per tijdseenheid over te dragen. Er zijn een aantal systemen ingeburgerd geraakt, zoals AM, FM, DSB, SSB en digitale technieken.

De digitale systemen blijven hier buiten beschouwing, hoewel in de toekomst de digitale informatie-overdracht de analoge geheel zal overvleugelen.

Er zijn twee factoren van belang, n.l.:

  1. De S/N aan de ingang van de detector.
  2. De S/N aan de uitgang van de detector.

De S/N aan de ingang van de detector is afhankelijk van de bandbreedte, die het gemoduleerde signaal in beslag neemt. Een grotere bandbreedte betekent een verslechtering van de S/N aan de ingang. Dit is als volgt in te zien.

De energie van de zender wordt over een bepaald spectrum 'uitgesmeerd' door modulatie. Het MF-filter van de ontvanger is precies even breed als het spectrum van de zender. (Bij b.v. FM is het spectrum oneindig breed in theorie, praktisch kiest men voor de breedte van het MF-filter de spectrumbreedte, waarbinnen b.v. 99% van de uitgezonden energie valt.) De detector krijgt echter ook een ruisvermogen aangeboden, dat van de trappen voor het MF-filter afkomstig is. Verbreding van het spectrum aan zendzijde, en verbreding van het MF-filter doet evenveel ontvangen zendenergie in de detector terechtkomen, echter meer ruis, aangezien een breder MF-filter meer ruis de detector laat bereiken. De S/N verslechtert. dus.

Fig. 1
Fig. 1. Demodulatie-eigenschappen van enkele modulatie methoden.

De signaal-ruis verhouding na de detector is van een aantal factoren afhankelijk, n.l. de S/N aan de ingang en de gevolgde modulatietechniek. B.v. een topdetector als AM detector geeft een andere S/N aan de uitgang dan een coherente AM detector.

Het belangrijkste onderscheid is echter enerzijds amplitude gemoduleerde signalen en anderzijds FM of PM signalen. Een FM detector is n.l. in staat om, in samenwerking met een laagdoorlaatfilter na de detector, een grote hoeveelheid ruis uit het MF spectrum te onderdrukken. Dit werkt effectiever, naarmate het MF-filter en dus ook het uitgezonden spectrum breder is.

Dit betekent, dat voor een vaste S/N aan de ingang van de detector, een FM signaal met grote bandbreedte een beter gedetecteerd signaal geeft. Dit effect is bekend als de 'FM verbetering' (Eng. FM improvement).

Het belangrijkste punt is echter, dat deze FM verbetering alleen kan worden gerealiseerd als de S/N aan de ingang van de detector at een zekere minimale S/N heeft. Bij slechte S/N blijkt de verhouding tussen S/N aan de uitgang van de detector n.1. niet meer lineair of te hangen van de S/N aan de ingang. Er is sprake van een zekere drempelwaarde. En dus is het bij slechte S/N onverstandig om FM toe te passen! Iedere 2 meter amateur die iets aan DXing doet zal dit kunnen bevestigen.

Om te zien hoe een en ander ten opzichte van elkaar ligt zie de figuur op de volgende pagina. Uit de figuur blijkt, dat er een drempelwaarde is te definieren, waarboven FM modulatie de voorkeur verdient boven amplitude modulatie.

Aangezien DSB en SSB zelf al een winst t.o.v. AM hebben, ligt deze drempel verschillend voor FM t.o.v. AM of FM t.o.v. SSB. Verder is te zien, dat een grotere modulatie-index (groter zwaai) inderdaad leidt tot een betere S/N aan de uitgang van de detector, echter de drempelwaarde stijgt eveneens.

Dit betekent, dat bij grote zwaai de FM verbetering alleen kan worden verkregen bij een nog betere S/N aan de ingang van de detector, dan voor kleinere zwaai. Anders uitgedrukt, de FM verbetering komt voor grote zwaai pas tot zijn recht, als de S/N aan de ingang van de detector al heel goed is. Echter, bij grote zwaai hoort een grote bandbreedte, en dus slechte S/N, dus om de winst voor breedband FM te benutten, is een grote veldsterkte nodig. Kortom, in een gegeven situatie, van zendvermogen, afstand tussen zender en ontvanger, en ontvanger gevoeligheid kan de S/N na de detector d.m.v. breedband FM alleen worden verbeterd, wanneer aan de ingang van de detector voldoende signaal aanwezig is. Sterker nog, wanneer de zwaai steeds groter wordt gekozen, zal op een gegeven moment de S/N aan de ingang van de detector niet meer voldoende groot zijn, zodat de S/N aan de uitgang zelfs slechter wordt.

Op grond van het voorgaande kan de conclusie worden getrokken, dat wanneer de ontvangen signalen zeer zwak zijn een zo smalbandig mogelijke modulatie moet worden gekozen, en dus geen FM, maar SSB of CW. Ook deze uitspraak is het intrappen van een open deur, maar het is aardig om te zien dat met een theoretische benadering gekomen kan worden tot dezelfde conclusies die in de praktijk allang bewezen zijn!

Nu wat betreft het verhaal over de PLL-FM detector van Rudy Tellert, DC3NT, in CQ-PA van 3 september 1982. Er wordt door Rudy verteld, dat een PLL detector met kleine bandbreedte betere filterende eigenschappen zou hebben dan een gewone FM detector (ratio flank - kwarts of andere FM detector).

Dit is ten enen male onjuist. Op regeltechnische gronden kan worden bewezen, dat een PLL alleen stabiel is, wanneer het L.P.F. bestaat uit een enkel RC netwerk. Dit is ook het geval voor de Meteosat ontvanger van Rudy. Een RC-filter van le orde heeft echter een flanksteilheid van slechts 6 dB/okt. Past men echter een klassieke FM detector toe, dan kan na de detector een laagdoorlaatfilter geplaatst worden van willekeurig hoge orde.

Verder wordt er een verhaal opgehangen over het verschil in bandbreedte tussen een PLL en de MF bandbreedte. De grap is nu, dat dit verschil in bandbreedte nu juist de grondslag is van de FM verbetering. Dat er een PLL als detector wordt toegepast, of een `gewone' FM detector, is geheel niet ter zake doende.

Een gewone FM detector met L.P.F. heeft precies dezelfde eigenschap, zodat het lijkt, alsof er een `verschuifbaar' filter gevormd wordt, die het gewenste signaal uit het FM-signaal filtert. (Voor de meer ingewijden: de ruiscomponenten (fase!) die op grotere afstand van de momentane signaalfrequentie liggen, worden gedetecteerd als hogere LF componenten. Het L.P.F. verwijdert deze, zodat effectief de detector ongevoelig is voor ruiscomponenten (fase!), verder verwijderd van de momentane signaalfrequentie dan het L.P.F. kantelpunt. De amplitude ruin wordt met de clipper verwijderd.)

Wat is er dan gemeten? Er wordt door Rudy immers een S/N verbetering aangegeven van 11 dB .. Dit is precies de FM verbetering geweest!

Een eerlijker mening zou zijn, om aan een PLL FM detector en aan een gewone FM detector hetzelfde MF signaal toe te voeren en dan de beide LF-signalen met elkaar te vergelijken. De theorie, die PLL FM detectoren vergelijkt met gewone FM detectoren, is nog niet ontwikkeld. Uit experimenten blijkt echter, dat een PLL FM detector voor grote S/N geen verbetering geeft, echter de drempelwaarde van het FM signaal komt een paar dB (2 à 3) gunstiger te liggen.

Dit is ook wel aan te voelen, aangezien een PLL FM detector een coherent detectiesysteem is en coherente detectie heeft wat betere eigenschappen. Tot zover het verhaal over detectie. Wellicht geeft dit artikel aanleiding tot een experiment, of stof voor een volgend QSO.

Literatuur

Symposium on Phase Locked Loops, Jan. 18th 1980. Department of Electrical Engeneering, Delft. Signal Processing, Modulation and Noise. J.A. Betts, Unibooks.

PA0WOW