Dit is niet het verhaal van een oude PA0-er die terug wil naar 'de oude tijd. Een ontvanger is primair bedoeld om te ontvangen. Smakelijke displays leveren hier zelden een bijdrage aan. In mijn artikel in CQ-PA februari 2008 met titel Verjongingskuur voor de FRG-7 gaf ik al aan, dat menig nieuw type ontvanger het moest afleggen tegen die oude FRG-7. Hoe komt dit nu eigenlijk?
De tijd van de rechtuit ontvanger waarbij op de ontvangstfrequentie het ontvangen signaal werd verwerkt ligt ver achter ons. Goede selectiviteit en bandbreedtes waren moeilijk te garanderen. Op 1 frequentie, de z.g. middenfrequent, kan dit wel en hier wordt het ontvangen signaal op geprojecteerd. Het ontvangen signaal wordt hiertoe gemengd met een oscillator signaal waarbij de som of het verschil op de middenfrequent uit komt. Dit mengproduct bezit de eigenschappen van beide oorspronkelijke signalen. Een ruiserig oscillator signaal zal de ontvangst dus net zo hard verpesten.
In de vroegere (buizen)ontvangers had de mengtrap geen groot dynamisch bereik, wat echter met selectiviteit in de HF trappen werd goedgemaakt. Signalen die de mengtrap niet bereiken kunnen daar geen problemen veroorzaken. Bij de modern ontvangers is het sleutelwoord 'breedband' en wordt alles aan de mengtrap aangeboden. Veel aandacht wordt nu besteed aan dynamisch bereik van de mengschakeling.
Door het mengen ontstaat de zogenaamde spiegelfrequentie die een afstand heeft van twee maal de middenfrequent. In de oude ontvanger werd deze door selectiviteit in de HF trappen weggefilterd. Om deze re-den gebruikt men de vuistregel dat maximaal terug gemengd kan worden naar 1/10 van de oorspronkelijke frequentie. Dit heeft te maken met de te verwachten 'Q' factor van de kringen in de HF trap. Met een middenfrequent van 10,7 MHz is de hoogst te ontvangen frequentie iets van 100 MHz. Vandaar dat 2 meter ontvangers zelfs met helicalfilters aan de ingang problemen hebben met de semafoonzenders op ca. 153 MHz en 156 MHz, wat dus precies de spiegelfrequentie is. Een oude 2 meter converter van 25 jaar geleden (DL6HA) zonder helicalfilters, die terug mengt naar de 10 meterband, heeft nergens last van!
Door de eerste middenfrequent hoog te kiezen komt de spiegelfrequentie ook hoog te liggen. Bij een ontvanger van 100 kHz tot 30 MHz met een middenfrequent op 55 MHz of 70 MHz kan met een low-pass filter op 30 MHz de spiegelfrequentie worden onderdrukt. Dit vereist wel een hoge oscillatorfrequentie, wat stabiliteitsproblemen met zich mee brengt. Hier zijn diverse oplossingen voor bedacht, zoals het Barlow and Wadley systeem. Met de huidige PLL systemen vormt het uiteindelijk ook geen probleem meer.
Een spoel en een condensator zijn elkaars opponent. Bij parallel- of serieschakeling gaat men uit van wat zij gemeenschappelijk hebben. Bij parallelschakeling is dit de spanning en bij serieschakeling de stroom. Wanneer Xl = Xc ontstaat resonantie wat eigenlijk een uitzonderingssituatie is.
Hiervan is de resonantieformule afgeleid. In een zuivere spoel en condensator zal aanwezige energie niet verloren gaan. Een zuivere spoel en condensator bestaat niet, dus zal een gedeelte door de (ohmse) verliezen worden omgezet in warmte. Energie gaat niet verloren, maar wordt omgezet in een andere energievorm die hier niet meer bruikbaar is. De verliezen komen tot uitdrukking in de kwaliteitsfactor 'Q'. Q is dan ook Xl of Xc gedeeld door de ohmse verliesweerstand 'R'.
Tip: Wanneer je niet weet hoe iets te berekenen, vermenigvuldig of deel maar met of door de kwaliteitsfactor. Lijkt het antwoord ergens op dan klopt het meestal. Aileen bij omrekening van serie naar parallel weerstand of omgekeerd wordt het de kwaliteitsfactor in het kwadraat.
Strikt genomen gelden alle formules bij 1 frequentie (noemen we FO), echter dat wil men graag oprekken. We bepalen aan weerszijden van FO twee frequenties waar de amplitude nog 0,7 maal de amplitude van FO bedraagt. Dit is de bandbreedte (B 42). Het zal u niet verbazen dat deze gelijk is aan FO gedeeld door de kwaliteitsfactor Q.
Wat moeten we nu met dit verhaal. Ms nu de verliezen worden aangevuld zal een oneindig hoge 'Q' ontstaan met een oneindig kleine bandbreedte. Een frequentie gelijk aan FO wordt opgewekt. De rondgaande versterking moet dus 1 zijn. Deze oscillatorschakelingen zijn in het verleden door slimme mensen bedacht, die er allemaal een naam aan hebben gegeven.
Nu denkt u dat de verliezen er niet meer toe doen, want immers dat betekent gewoon "er wat meer instoppen". Dit is echter niet helemaal waar! Het versterkende element (transistor, fet, buis) heeft bij veranderende omstandigheden (temperatuur, stroom of spanning) wisselende eigenschappen. Aileen al door capaciteitsverandering zal fase- of frequentiemodulatie optreden. Ook wordt ruis toegevoegd. Door het vaster koppelen van het versterkende element zal dit effect worden versterkt.
De opgewekte frequentie FO heeft niet meer een oneindig kleine bandbreedte. Een hoge 'Q' heeft ook een filterende werking. Een kristal heeft van nature een hele hoge 'Q' en heeft dan ook, mits deze weer niet door een slecht ontworpen schakeling wordt verpest, het schoonste spectrum.
Bij metingen aan oscillators verbaasde men zich erover, dat bij kwalitatief goede oscillatorschakelingen minimale frequentieverandering optrad bij verdubbeling van de voedingsspanning. Uit bovenstaande begrijpt u al dat dit niet zo verwonderlijk is. Op dat moment heeft het versterkende element namelijk nog maar weinig invloed op de oscillatorkring.
Een hoge 'Q' van de oscillatorkring en een hoge kringspanning geeft het schoonste spectrum. Een schoon signaal wordt afgenomen van de kring en niet uit het versterkende element. Omdat de kring is ontdempt, zal deze gevoelig worden voor signalen van buiten a1 Een oscillatorkring moet dan ook goed zijn afgeschermd.
Door van een diode de aangelegde spanning in sperrichting te veranderen verandert de dikte van de PN overgang waardoor de capaciteit verandert. Iedere diode heeft deze eigenschap wat bij de varicapdioden bevoordeeld wordt door hun constructie. De temperatuur heeft er net als bij iedere diode ook invloed. De wisselspanning over de kring heeft invloed op de dikte van de PN overgang en heeft dus capaciteitsverandering tot gevolg.
Meestal wordt de regelspanning toegevoegd via een hoogohmige weerstand van iets van 100 kΩ. Iedere varicapdiode produceert ruis en kan hier door een hogere ruisspanning creeren in de oscillatorkring. Een weerstand van 3K3 of 4K7 is een betere keus. Ik heb nooit voordeel kunnen halen uit het gebruik van een smoorspoeltje in plaats van een weerstand.
De oscillatorschakeling volgens figuur 1 wordt veel gebruikt en is de meest rampzalige. Er kan met worden voldaan aan een hoge kringspanning daar anders de varicapdiode in geleiding komt. Beter is dan ook de schakeling volgens figuur 2. Ruis is onbepaald en kan dan ook iedere fase en amplitude hebben. Meerdere ruisbronnen parallel zal bij elkaar opgeteld een lagere ruis tot gevolg hebben. Door de varicapdiodes op een tap van de spoel te zetten kan beter aan de voorwaarde van hoge kringspanning worden voldaan. Figuur 3 heeft dan ook de voorkeur, echter varicapdiodes zullen altijd de eigenschappen van de oscillator verslechteren.
Fig. 1.
Fig. 2.
Fig. 3.
De conclusie van metingen door PAoKSB (zie literatuurlijst) is in [conclusie] weergegeven.
DDS werkt volgens de telmethode. Bij een getal wordt een constant getal opgeteld. Door deze getallenreeks naar een sinustabel te sturen ontstaat een uit stapjes opgebouwd sinusvormig signaal. Door het getal wat constant wordt bijgeteld te wijzigen verandert de frequentie. Door diverse factoren, onder andere de afronding van het getal worden er een heleboel rotsvaste 'paaltjes' gecreeerd, die in het spectrum heen en weer lopen. Dit spectrum wordt ook nog eens gespiegeld om de helft van de klokfrequentie.
Door nu een frequentie op te wekken, niet hoger dan de helft van de klokfrequentie, kan met een low-pass filter al de helft worden weggefilterd. Daarnaast zal met een PLL schakeling met een scherp lusfilter het nodige moeten worden schoon gemaakt.
Wil men een DDS systeem ontwerpen, kan het beste gebruik worden gemaakt van de aangeboden IC's daar met amateurmiddelen dit beslist niet schoon is te krijgen. Met het signaal afkomstig uit de DDS kan dus niet direct worden gemengd.
Een DDS is wel perfect met een microprocessor te besturen.
Blokdiagram Barlow and Wadley.
Dit principe wordt toegepast bij veel oudere ontvangers zoals de FRG-7 (zie blokdiagram).
Het is eigenlijk een converter die de kortegolf van 100 kHz tot 30 MHz in stappen van 1 MHz omzet naar een frequentie van 2-3 MHz. Een normale ontvanger van 2-3 MHz doet de rest.
Voor ontvangstgebied van 14-15 MHz zal de oscillator op een frequentie van 68,5 MHz moeten werken om op een middenfrequent van 54,5-55,5 MHz uit te komen. Vervolgens wordt deze 68,5MHz met de 16e harmonische van de 1MHz kristaloscillator gemengd naar 52,5 MHz. Deze 52,5 MHz gemengd met de eerste middenfrequent levert 2-3MHz op.
Door het omhoog mengen naar de hoge middenfrequent en het weer omlaag mengen met de zelfde oscillator, wordt het frequentieverloop van deze oscillator uitgemiddeld. Door gebruik van hoge middenfrequent kan de spiegelfrequentie eenvoudig met een low-pass filter op 32 MHz worden onderdrukt. De antenne preselectie beperkt de harde signalen buiten het ontvangstgebied voor de mengtrap.
De oscillator is uitgevoerd met een normale afstemcondensator. Deze heeft niet de eerder besproken nadelen van de varicapdiode. Ook een hoge kringspanning is geen probleem. Faseruis en andere onhebbelijkheden zijn minimaal aanwezig. Het systeem is zeer simpel van opzet, maar zeer doeltreffend. Hecht u veel waarde aan mooie displays en microprocessorbesturing, dan heeft u een probleem.
Als voorbeeld heb ik de Kenwood R-5000 ontvanger genomen; echter in de service manual wordt al verwezen naar de TS-830 en de TS-940. Feit is dat eigenlijk alle huidige zend-ontvangers met het zelfde was-water zijn gewassen. DDS vervangt vaak het PLL, wat de down mixer aanstuurt. Er zijn dus geen grote verschillen.
Figuur 4 toont de frequentie opbouw. Aangezien deze ontvanger ook VHF 108 - 174 MHz kan ontvangen is deze een beetje uitgebreid. Het gaat hier dan ook om .et onderste gedeelte van 30 kHz tot 30 MHz. Er wordt gebruik gemaakt van een hoge middenfrequent zodat er een oscillatorsignaal benodigd is van 58,1425 - 88,1125 MHz.
Fig. 4.
Figuur 5 is wat uitgebreider en wanner ontdaan van alle franje blijkt PLL3 verantwoordelijk voor het benodigde oscillator signaal.
Fig. 5.
Figuur 6 toont de werkelijke opbouw van het VCO. Deze blijkt uiteindelijk bier uit 4 VCO's te bestaan die ieder een frequentiegebied van 7MHz bestrijken. In sommige zend-ontvangers wordt dit gedaan met 3 VCO's, zodat 1 VCO dan 10 MHz moet doen.
Fig. 6.
Figuur 7 geeft een close-up van de gebruikte schakeling. D33 is de varicapdiode die via L73 de regelspanning krijgt toebedeeld. Het is niet moeilijk te zien dat deze schakeling overeenkomt met eerder besproken figuur 1 waar al de titel 'rampzalig' aan was gegeven.
Fig. 7. Close-up VCO in de R-5000.
Als vuistregel kan worden aangehouden dat de maximale regelspanning overeen komt met de helft van de voedingsspanning. Bij 12 volt voeding is de oscillator meestal gestabiliseerd op 10 volt zodat een maximale regelspanning van 5 volt overblijft .
1 mV rommel op de regellus geeft al een frequentieverloop van 1,4 kHz. Bij SSB is de bandbreedte 2,4 kHz. Natuurlijk heeft u al bedenkingen bij de uitkoppeling en ook zag u onmiddellijk het ontbreken van de diode van gate naar massa, zodat de ruis nog met een extra 10dB toe neemt. De rest mag u zelf bedenken. Besturing met een microprocessor is simpel.
Fabrikanten willen ons doen geloven dat dit DE oplossing is voor onze ontvangstproblemen. Toch moeten bier wat kanttekeningen bij worden geplaatst. Goed filteren doet men het beste in het hoogfrequent gedeelte. Een Noise Blanker is het meest effectief zo dicht mogelijk bij de antenne dus liefst in de HF trap. Door het in- en uitslingeren van filters wordt de stoorpiek uitgesmeerd.
Het dan naderhand verwijderen brengt veel meer schade toe aan het ontvangen signaal. Notch filters scoren het beste effect, wanneer deze werkzaam zijn in de middenfrequent. In het laagfrequent wordt het meer een soort toonregeling. Ruis is onbepaald m.b.t. amplitude, fase en frequentie en daardoor de nachtmerrie voor digitale schakelingen.
Het digitaal verwerken is misschien niet zo'n probleem, maar het digitaal worden! Een echt goed kristalfilter is niet over de rook' te krijgen. Nu zijn deze te duur en te groot dus zijn die in onze ontvangers ook al vervangen door keramische filters. Feit is dat DSP in serieproductie het goedkoopst is te fabriceren en het kan veel tekortkomingen maskeren. DSP is dan ook beslist geen toverwoord.
Bedenk dat digitate systemen vaak een verhoging van de ruisdrempel in de ontvanger tot gevolg heeft, wat niet direct behoeft op te vallen. Persoonlijk heb ik dit ondervonden met de geschakelde voeding van een Icom IC251. Vooral in SSB bleek deze een op het gehoor duidelijk merkbaar veel lagere ruisdrempel te hebben, wanner deze op een normale extern voeding werd aangesloten in plaats van op zijn eigen geschakelde voeding. Dit is iets wat je niet zou verwachten van een fabrikant als Icom.
De bedoeling van dit artikel is u aan het denken te zetten en niet alles zomaar te geloven wat fabrikanten ons klakkeloos voorspiegelen. De commercie moet verkopen, dus de prijs moet omlaag en de verkooppraatjes en frontjes mooier. DDS en DSP zijn in serieproductie goedkoop te fabriceren en het levert een goed verkoopverhaal op. Doordat er al minder door de zendamateur zelf wordt gebouwd, gaat kennis verloren. Als zendamateur behoren wij echter wel de kennis te hebben om te kunnen oordelen.
Piet Rens, PA0PRG.