Faseruis in oscillatoren 2
Faseruis en "reciprocal mixing"
In een omgeving, waarin grote verschillen bestaan tussen signaalamplitudes, kan "reciprocal mixing" problemen geven. Het verschijnsel "reciprocal mixing" werd beschreven in CQ-PA van 8 oktober 1982, nr. 31, onder "groot signaalgedrag, deel 2" (blz. 745 en 746). In het kort is het probleem, dat aan de uitgang van een mixer alle signalen het spectrum hebben gekregen (althans het "dichtbij" spectrum), afkomstig van het oorspronkelijke signaal in de oscillator.
Wanneer de oscillator dus een breed, ruisvormig spectrum heeft, wordt dit spectrum toegevoegd aan alle ingangssignalen. Hierdoor kan een sterk signaal na mixing zodanig breed worden, dat het een nabijgelegen zwak signaal versluiert. Een MF-filter helpt dan nets meer.
De vraag is nu, wanneer treedt deze versluiering op en welke eisen vloeien daaruit voort voor het ruisspectrum van de oscillator.
De eisen zullen strenger uitvallen naarmate de bandbreedte van de te ontvangen signalen kleiner is.
Om de praktijk in de gaten te houden, wordt uitgegaan van SSB ontvangst. Voor CW zouden de eisen veel strenger komen te liggen, echter, wanneer een ontvanger voldoet voor SSB, is CW meestal geen probleem.
Dynamiek van een ontvanger
Als eis kan men stellen, dat de dynamiek van een ontvanger niet wordt beinvloed door reciprocal mixing. De dynamiek kan worden gemeten met een zgn. dubbeltoon test. Meestal komt dit in de praktijk neer op zo'n 80-100 dB. Als uitgangspunt wordt nu 100 dB genomen.
Dit impliceert dat, wanneer in het naburige SSB kanaal (dus boven of onder het kanaal waar de ontvanger staat afgestemd) een 100 dB sterker signaal aanwezig is, dit nog net niet te horen is.
Als SSB kanaalraster neemt men b.v. 5 kHz. Dus op 5 kHz afstand van fo dient in een bandbreedte van 2,5 kHz (MF-filter!) een 100 dB kleiner vermogen te worden gemeten dan het oscillator vermogen. Teruggerekend naar 1 Hz bandbreedte is dit ±136 dB.
Het faseruisspectrum van de locale oscillator dient dus op 5 kHz afstand van fo op -136 dB/Hz te liggen. In fig. 8 is deze waarde met een horizontale stippellijn aangegeven. Het blijkt dat het daar getekende spectrum bij Lange na niet voldoet aan de gestelde eis t.a.v. de dynamiek. Zou echter het spectrum van een 3 MHz oscillator worden geconstrueerd, dan ontstaat opnieuw fig. 8, waarbij dan echter de waardes bij de horizontale as door 100 moeten worden gedeeld.
Fig. 8.
De stippellijn komt dan uit bij 105 / 100 = 1 kHz.
Dit voldoet wel.
De gevolgtrekking hieruit is, dat een oscillator met een gewone LC kring (QL ≈ 100), die als lokale oscillator wordt gebruikt, op een frequentie moet werken niet hoger dan b.v. 5 MHz.
Faseruisspectrum van een rasteroscillator
Bij rasteroscillatoren (synthesizers) dient men extra aandacht te besteden aan het faseruisspectrum. Voor VHF of hoger is dit meteen duidelijk. De toegepaste VCO's werken meestal zo rond de 136 MHz voor 2 m, of zelfs + 400 MHz voor 70 cm. Ook bij de huidige trend van korte golf ontvangers (transceivers) met hoge le MF treft men vaak een VCO aan die werkt tussen de 50 en 100 MHz.Vermenigvuldiging en deling
Het faseruisspectrum van een oscillator verandert door vermenigvuldiging of deling van de frequentie volgens PΔ = 20 log N, met:
N = vermenigvuldigtal
Pp = aantal dB's dat de grafiek stijgt of daalt.
Voor delingvult men eenvoudig 1/N in.
Dus:
× 2 geeft +3 dB
÷ 2 geeft -3 dB
× 10 geeft +20 dB
÷ 10 geeft - 20 dB
enz.
Hieruit blijkt meteen, waarom de transformatie van het spectrum van de 300 MHz oscillator naar dat van de 3 MHz oscillator is geoorloofd, zoals dat in het gedeelte "dynamiek van een ontvanger" werd toegepast.
Tevens is duidelijk dat frequentie vermenigvuldiging een linke zaak is. Het spectrum wordt snel breder.
PLL bandbreedte
Aangetoond kan worden dat het faseruisspectrum van een PLL als volgt kan worden beschreven:
- Buiten de PLL bandbreedte volgt het spectrum van de VCO de theoretische konstruktie zoals hierboven is aangegeven. (De PLL heeft geen invloed.)
- Binnen de PLL bandbreedte wordt het spectrum bepaald door het spectrum van de referentiefrequentie, vermenigvuldigd met het deeltal, ingesteld in de programmeerbare deler (zie fig. 9).
Fig. 9.
Bij deze beschouwing zijn ruisinvloeden van TTL of MOS delers buiten beschouwing gelaten. Deze delers geven weinig extra ruis. Verder is de ruisbijdrage door de fasevergelijker ook gering, mits men hiervoor een digitaal type neemt (CD 4046, MC 4044 o.i.d.) en geen TBA 120 of andere patente ruisgenerator.
Is er, om wat voor reden dan ook, toch een analoog type nodig, kies dan een dubbel gebalanceerde scottkey mixer, met als uitgang de middenaftakking.
VHF PLL's
Bij de meeste VHF rasteroscillatoren wordt er in de lus nog een keer gemengd, zie fig. 10. Wanneer de oscillator, waarmee wordt gemengd, van voldoende kwaliteit is (kristaloscillator) geeft dit geen extra ruisbijdrage. Het spectrum binnen de lusbandbreedte moet aan de gestelde eisen t.a.v. het faseruisspectrum voldoen.
Fig. 10.
Bepaling van de lusbandbreedte
Buiten de lusbandbreedte is geen invloed meer mogelijk op het faseruisspectrum van de VCO. De lusbandbreedte dient dus precies gelijk te zijn aan de frequentie, waarbij de VCO nog net aan de gestelde eisen voldoet. Zie fig. 11.
Fig. 11.
Hier is opnieuw het voorbeeld in kaart gebracht van de oscillator met de volgende eigenschappen:
fo = 300 MHz
QL = 100
Feff = 10
Het faseruisspectrum snijdt de lijn -135 dBm/Hz bij ±100 kHz. De lusbrandbreedte dient dus minimaal 100 kHz te zijn. Dit impliceert dat de stapgrootte van de PLL ook niet minder kan zijn dan ±500 kHz, omdat het laagdoorlaatfilter (LPF) het referentiesignaal voldoende moet kunnen onderdrukken.
Om toch met 25 kHz stappen of 100 Hz stappen of te kunnen stemmen, moet een multi-loop systeem worden gemaakt. De stapgrootte van de eerste PLL blijft echter minimaal 500 kHz.
Binnen de lusbandbreedte is fr van belang. Deze is echter doorgaans afkomstig van een kristaloscillator en ook nog gedeeld, zodat het spectrum dus voldoende schoon is.
Het meten van het ruisspectrum
Het bepalen van het PM spectrum van een oscillator is niet eenvoudig. Met "amateurmiddelen" althans niet. Toch is er wel een mogelijkheid om iets over het spectrum te weten te komen.
Daarvoor moet echter wel het een en ander gebouwd worden. Zie fig. 12.
Fig. 12.
De eis die aan de te onderzoeken oscillator moet worden gesteld is, dat deze binnen de tijd van de meting niet meer dan zo'n 500 Hz verloopt. Is dit toch het geval, deel dan de frequentie eerst.
Het kantelpunt van LPF I ligt op zo'n 500 kHz, dat van LPF II op 20 Hz. De DBM zit met z'n gelijkstroompoort (middenaftakking) aan LPF I. Eventueel moet nog een gelijkspanningsversterker worden geplaatst tussen LPF II en de VTXO (spanningsgestuurde kristaloscillator, dus een VXO met varicaps).
Het ruisspectrum is nu na het laten inlocken van de PLL beschikbaar, gewoon laagfrequent, na LPF I en kan dan worden versterkt. U0 zou nu eigenlijk een LF spectrumanalyser in moeten, maar met een aktief verstembaar filter en een scoop doe je een hoop. In feite is het PM spectrum gewoon naar 0 Hz gemengd.
PA0WOW.