Rob's web

Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - CQ-QSO - Meting van het piekvermogen en 2-toonsgenerator


Française

1. Woord vooraf

De nieuwe reglementering maakt nu gebruik van het begrip hoogfrekwent uitgangsvermogen en bepaalt de meetmethode die moet aangewend worden.

Behalve wanneer wij het over het rendement van een schakeling hebben, mogen wij voortaan het begrip vermogen geleverd door de voeding gerust vergeten.

De methodes om het uitgangsvermogen te meten in telegrafie (A1A), in amplitudemodulatie (A3E), in frekwentiemodulatie (F3E), in ATV (C3F of F3F), in SSTV en in facsimile (F1C en F2C) en in RTTY (F1B en F2B) stellen geen problemen; de definities en de meetmethodes liggen voor de hand.

Dit is niet zo direkt het geval voor het meten van het vermogen van een enkelzijbandsignaal (SSB - R3E en J3E); inderdaad, het vermogen van een SSB-zender schommelt tussen 0 (geen modulatie) en een maximum, in funktie van de geluidssterkte van de stem.

Voor wat SSB betreft, verwijst de nieuwe reglementering naar het Advies 326-4 van de CCIR en het gebruik van een 2-toonsgenerator. Het leek mij aangewezen deze tekst nauwkeurig te onderzoeken en er trachten een synthese van te geven.

2. Definities

Een SSB-zender wordt gekenmerkt door zijn piekuitgangsvermogen; d.w.z. door het gemiddelde vermogen geleverd aan de voedingslijn van de antenne, door een normaal werkende zender, tijdens een hoogfrekwentcyclus die overeenstemt met de maximale amplitude van de modulatieomhullende (volgens het Advies 326-4 van de CCIR).

De term piekuitgangsvermogen stemt overeen met de term peak envelope power - PEP dat U in de Engelstalige literatuur zal vinden.

Het begrip piekvermogen van een zender moet niet verward worden met het begrip piekvermogen dat in de elektroniks gehanteerd wordt en dat het produkt is van de ogenblikkelijke maximale spanning en van de ogenblikkelijke maximale stroom.

In andere woorden, het piekvermogen is een effektief vermogen, gemeten tijdens een modulatiepiek.

Het begrip gemiddelde vermogen wordt anderzijds gehanteerd voor de klassen van uitzending A1A, A3E, F1B, F1C, F2B, F2C, F3E en F3F en het Advies 326-4 definieert dit gemiddelde vermogen als het gemiddelde van het vermogen geleverd aan de voedingslijn van de antenne, door een normaal werkende zender, beschouwd over een tijdspanne die betrekkelijk lang is in vergelijking met de periode van de komponente met de laagste modulatiefrekwentie.

Maar in SSB, wordt het vermogen tijdens modulatie-pieken beperkt door het toelaatbare niveau van de intermodulatievervormingen.

Inderdaad, wanneer men aan de audio-ingang twee modulerende tonen (f1 en f2) aansluit, waarvan de frekwenties dicht bij de grenzen van de doorlaatband in het akoestisch frekwentiegebied liggen, en wanneer men het signaal selektief meet (met een selektieve voltmeter of met een spectrum analyser) stelt men vast dat er andere komponenten bestaan dan F0 ± fl en F0 ± f2 (+ teken voor de upper side band en - teken voor de lower side band) en dan de harmonischen en spurious.

Deze komponenten worden intermodulatieprodukten genoemd. Zij nemen volgende vorm aan:

p (F0 ± f1) ± q (F0 ± f2)

In deze formule moet men de twee termen van de optelling zo kiezen dat de frekwentie positief is. De waarde (p + q) bepaalt de orde van de intermodulatieprodukten.

Indien men, bij voorbeeld, de onderste zijband kiest en F0 - 3700 kHz, f1 - 700 Hz en f2 = 1900 Hz, dan bekomt men twee signalen, op 3699,3 kHz (F0-f1) en 3698,1 kHz (F0-f2) (dit zijn de gewenste signalen!) en, indien het systeem niet lineair is, zal men eveneens volgende intermodulatieprodukten zien verschijnen:

tabel 1

enz... daar wij onze berekeningen beperkt hebben tot de eerste intermodulatieprodukten.

Men stelt dus vast dat de intermodulatieprodukten zich bij (p-q) = 1 of (q-p) = 1 dichtbij de uitgezonden frekwentieband bevinden en bijgevolg de grootste amplitude hebben en het meeste storen. De schikking van de tabel hierboven legt hierop de nadruk.

De amplitude van de intermodulatieprodukten is afhankelijk van de niet-lineariteit van het systeem en in bepaalde gevallen kan de uitrusting zo degelijk zijn dat de stoorprodukten niet met een selektieve voltmeter of met een spectrum analyser kunnen vastgesteld worden.

De amplitude van de produkten wordt geringer wanneer de orde stijgt.

Het CCIR-dokument bepaalt anderzijds dat de modulerende signalen zo moeten gekozen worden dat er geen onderling harmonisch verband bestaat en dat ze niet in de verhoudingen 2/3, 2/5, 2/7, 3/4, 3/5, 3/7, 4/5 ... tot elkaar zouden staan. Het dokument geeft als aanbeveling voor f1 een waarde rond 700 of 1100 Hz te kiezen en voor f2 een waarde rond 1700 of 2500 Hz.

Voor de J3E-mode, moeten de intermodulatieprodukten minstens 25 dB beneden het referentievermogen liggen (zie het Advies 326-4).

Om deze vervorming tegen te gaan zijn de meeste SSB-zenders uitgerust met een voorziening die automatisch het niveau van het aan de eindtrap aangevoerde signaal beperkt zodra het radiofrekwentiesignaal een bepaalde waarde overschrijdt: dit is de ALC (Automatic Level Control).

3. Meettoestellen

De aanduidingen die kunnen afgelezen worden van thermische meettoestellen (thermokoppels, bolometers, HF-kalorimeters en aanverwante toestellen) zijn proportioneel aan het effektief vermogen, ongeacht de vorm van het signaal. Spijtig genoeg, moeten wij voor het meten van het vermogen, over het algemeen, genoegen nemen met simpele meettoestellen zoals wattmeters van Heathkit of Daiwa, enz... of, indien men een nauwkeuriger (5 %) toestel wil, een Bird Model 43-wattmeter. De radioamateurs verkiezen inderdaad deze types van toestellen daar zij eveneens toelaten de staande golfverhouding van hun antenne-installatie te meten. Deze toestellen werken op basis van de detektie van een HF-spanning, deze gedetekteerde spanning doet een galvanometer uitwijken in verhouding met de gemiddelde waarde van de spanning van het signaal. Maar de ijking van dit toestel werd uitgevoerd in funktie van het effektieve vermogen en geldt bijgevolg slechts voor een sinusoïdaal signaal!

Men zou ook een detektorschakeling kunnen gebruiken die de spanning verdubbelt, met een kondensator van grote waarde; de spanning op de klemmen van deze kondensator zal nagenoeg gelijk zijn aan de peak-to-peak-spanning en men zal deze spanning met een gelijkstroom voltmeter kunnen meten, indien zijn inwendige weerstand groot genoeg is (zodat de tijds-konstante bekomen met de kondensator veel groter is dan de periode van het HF-signaal).

4. Methode voor het meten v. h. piekvermogen in SSB

Het Advies 326-4 van de CCIR beschrijft uitvoerig de meetmethode voor het piekvermogen en wij zouden ze als volgt kunnen samenvatten:

  1. men sluit de uitgang van de zender op de antenne of op een kunstantenne aan via een meettoestel dat het gemiddelde vermogen aanwijst;
  2. men sluit eveneens een selektief meettoestel (selektieve voltmeter of spectrum analyser) en een toestel om de piekamplitude van het gemoduleerde signaal (oscilloskoop b.v.) te meten aan;
  3. men stelt het niveau van de draaggolf zo in dat men de vereiste onderdrukking ten opzichte van het referentieniveau bekomt. Voor toestellen met onderdrukte draaggolf moet deze waarde minstens 40 dB onder het referentieniveau liggen.
  4. Dit referentieniveau wordt bekomen wanneer de draaggolf op 0 dB ingesteld wordt. Opmerking: in de praktijk kan men voor een amateur-station voortgaan op het niveau van de draaggolf in CW.
  5. Men sluit de 2-toonsgenerator aan;
  6. men regelt de generator zodat de niveaus van de twee tonen gelijk zijn;
  7. men drijft het niveau op zolang de intermodulatie-vervormingen binnen de perken van het toelaatbare blijven (-25 dB). Opmerking: Voor de radioamateur is het selektief meettoestel een zeer kostelijk ding; een vereenvoudigde methode bestaat erin na te gaan hoe groot de amplitude van het audiosignaal mag zijn voordat de ALC-schakeling in werking treedt.
  8. men tekent op dat ogenblik de waarde "A" van de piekamplitude op;
  9. het toestel dat de piek optekent moet in funktie van het piekvermogen geijkt worden. Dit gebeurt met een enkele toon. Indien wij nu de amplitude "B" aflezen of piekamplitude voor een gemiddeld vermogen "P", dan krijgen wij

eq a

5. Eigenschappen van de 1-toons- en 2-toonssignalen

Wanneer men een eenvoudig eentoonssignaal aan de audio-ingang van een SSB-zender aansluit, krijgt men aan de uitgang een hoogfrekwent-signaal dat er als op figuur 1a uitziet.

Fig 1
Fig 1

De verhouding tussen de peak-to-peak-spanning en de effektieve waarde is

eq 1

Het uitgangsvermogen is

eq 2

Indien wij nu een tweetoonssignaal op de audioingang van de SSB-zender aansluiten, dan verschijnt er aan de uitgang een signaal zoals op figuur 1d en indien de ene of de andere toon uitgeschakeld wordt, dan zal men de signalen van de figuren 1b of 1c zien verschijnen.

Per definitie is het vermogen tijdens een modulatiepiek het effektieve vermogen tijdens de gearceerde sinusoide (zie figuur 1d).

Wij zullen eerst het verband tussen het piekvermogen (2-toons) en hett vermogen van een eentoonssignaal bepalen : tijdens de sinusoide met maximale amplitude zijn de twee spanningsvektoren in fase en de resulterende effektieve hoogfrekwentspanning is gelijk aan de som van de effektieve spanningen van elke van de twee tonen, dus:

eq 3

en indien U1 = U2 dan U12 = 2 Ui en bijgevolg

eq 4

dus, het vermogen tijdens de modulatiepieken is het viervoud van het vermogen tijdens het zenden van een toon.

In andere woorden, indien een zender een piekvermogen van 100 watt geeft en dat men een van de twee tonen uitschakelt, dan zal het gemeten vermogen 25 watt bedragen.

Als wij nu even teruggaan naar het vorige voorbeeld, kunnen wij ons afvragen wat de wattmeter zal aanduiden met een zender van 100 Wpiek of in andere woorden welk het verband is tussen het piekvermogen en het gemiddelde vermogen.

Een wattmeter met een thermokoppel zal het gemiddelde vermogen van het tweetoonssignaal aanwijzen, d.w.z. het vermogen van de twee tonen, dus:

eq 5

uit de vergelijkingen (4) en (5) halen wij:

eq 6

Vele OM vertonen de neiging om het vermogen van een toon bij het gebruik van een tweetoonsgenerator te verwarren met het vermogen van een toon in het geval van een eentoonsmethode!

Er dient opgemerkt dat voor een welbepaalde zender, de piekspanning (Upp of Ui2pp) beperkt is, wat men ook moge doen; deze beperking wordt opgelegd door de aard van de eindtrap, van de gebruikte buis of transistor, van de antenneaanpassingskring, van de voedingsspanning, van het instelpunt en van het vermogen dat aan de eindtrap toegevoerd wordt.

De tweetoonsmethode laat dus toe metingen uit te voeren in omstandigheden die dichter bij de werkelijke gebruiksvoorwaarden van de zender liggen. Zo zal, inderdaad, het gemiddelde vermogen kleiner zijn, alhoewel de eindtrap de maximumamplitude van het signaal zal afleveren.

Er bestaat natuurlijk een drietoonsmethode... Er is ook een andere methode om het gemiddelde vermogen te verminderen: een audiosignaal wordt in een (b.v.) 1/2-verhouding onderbroken. Deze methode laat spijtig genoeg geen meting van de intermodulatievervormingen toe.

6. Praktisch voorbeeld

Wij zullen nu een konkreet voorbeeld behandelen, namelijk een traditionele dekametrische zender, uitgerust met 2 buizen van het type 6146B, gevoed met 840 volt. Men verwezenlijkt de meetopgestelling van fig. 2.

fig 2
Fig 2

a) Men zal eerst de tweetoonsgenerator nazien: elke toon moet dezelfde amplitude hebben (na te zien met een oscilloskoop);

b) men veronderstelt, wel te verstaan, dat de zender in goede staat verkeert, meer bepaald voor wat de onderdrukking van de draaggolf, neutrodyneren, ruststroom van de buizen, de afstemming (plate, tune en load...), enz. betreft;

c) men sluit de tweetoonsgenerator aan en men voert geleidelijk het audioniveau op, terwijl men de ALC-aflezing in het oog houdt. In onderhavig geval staat de ALC in normale toestand op 90% van de schaal en de wijzer zakt van zodra hij in werking treedt; bij andere toestellen leest men daarentegen 0 en komt de wijzer uit de hoek vanaf het ogenblik dat de ALC begint te werken... Zie dit na in de handleiding die bij uw toestel hoort!

d) Vanaf het ogenblik dat de ALC in werking treedt, raakt men het audioniveau niet meer aan en leest men de amplitude op de oscilloskoop af; in ons geval een amplitude van 4,2 schaalverdelingen (zie foto 1). Ter informatie vermelden wij dat wij eveneens een anodestroom van 175 mA opgetekend hebben en dat de Bird 53 watt aanduidde.

pic 1

e) Alleen bij wijze van proef werd het audiofrekwentniveau nog verder opgedreven: de ALC zakt nog meer en het signaal op de oscilloskoop wordt vervormd (de pieken worden vlakker) ; de amplitude komt niet hoger dan 4,4 verdelingen en de Bird duidt nu 59 watt aan... Deze waarden veranderen niet meer wanneer men het audiosignaal verder opvoert; dit stelt ons gerust: onze ALCschakeling werkt op degelijke wijze.

f) het audioniveau wordt terug korrekt ingesteld, de generator wordt op de stand "1 toon" ingesteld en het signaal wordt terug opgevoerd tot men op de oscilloskoop een aanduiding verkrijgt die ongeveer overeenstemt met deze verkregen bij punt d) hierboven. Op zichzelf heeft deze meting niet veel belang; wij zullen b.v. genoegen nemen met een amplitude van 3,4 schaalverdelingen (zie foto 2). Men meet dan op de Bird 85 watt en, ter informatie, noteren wij de anodestroom van 250 mA. De wattmeter duidt nu werkelijk het effektieve vermogen aan dat door de belasting opgeslorpt wordt. Noteert dat men willekeurig de ene of de andere toon mag gebruiken; het resultaat blijft ongewijzigd.

pic 2

g) Wij kunnen nu het piekvermogen volgens het Advies 326-4 van de CCIR berekenen:

eq b

h) Men zou zich kunnen afvragen wat de meting zou geven indien men slechts een toon zou gebruiken en indien men het maximum niveau zou instellen. De zender zou dan onder te zware omstandigheden werken en een dergelijke behandeling zal slechts gedurende enkele sekonden kunnen aangehouden worden, waarna hij moet kunnen afkoelen zodat de eindtrap en de voeding niet beschadigd raken. Wij hebben dit niettemin geprobeerd en de amplitude bereikte 4,8 schaalverdelingen op de oscilloskoop, de anodestroom was 275 mA en het vermogen was 140 watt.

i) Wat zou het vermogen zijn in CW (A1A)? Hier mag men ook niet langer dan enkele ogenblikken "key down" blijven. Er werd een amplitude van 4,7 schaalverdelingen gemeten; de anodestroom bedroeg 275 mA en het vermogen 135 watt.

De waarden van de amplitudes werden welbewust in "schaalverdelingen" gegeven om aan te tonen dat de absolute waarde van geen tel is. In feite stond de oscilloskoop op 50 volt/verdeling.

De verhouding tussen de waarden afgelezen op de Bird-wattmeter met het tweetoonssignaal en het berekende piekvermogen is 53/129,7 - 0,408 en niet 0,5 zoals men zou kunnen denken!

Dit komt doordat de meting op de Bird-wattmeter proportioneel is aan de gemiddelde waarde van het signaal en, daar de omhullende van dit signaal een sinusoïde is, zal de verhouding tussen het afgelezen vermogen en het piekvermogen gelijk zijn aan 0,405, d.w.z. (2/π)2 zoals in de handleiding van de Bird staat.

In andere woorden, indien men het vermogen van een tweetoonssignaal met een wattmeter zoals de Bird meet, volstaat het dat men de meting door 0,405 deelt om de waarde van het piekvermogen te vinden.

7. Tweetoonsgenerator

fig 3
Fig 3

De tweetoonsgenerator die ik gebruik, werd in het ARRL Handbook 1986 beschreven en figuur 3 geeft er het schema van.

De 700 Hz- en 1900 Hz-tonen worden door een oscillator met een Wienbrug gegenereerd (IC1 a en IC2a). Met de schakelaar S1 kan men een van de oscillatoren uitschakelen om metingen met een toon te kunnen uitvoeren. Men kan b.v. een tumbleromschakelaar met drie standen gebruiken waarbij alleen stand 2 (2 tonen) mechanisch stabiel is.

Om het verlopen tegen te gaan, moeten de kondensatoren C1 tot en met C4 van het styroflextype zijn (1 %), de weerstanden R1 tot en met R4 zijn metalfilmweerstanden tot op 1 % nauwkeurig. De weerstanden R1a tot R4a dienen om de frekwentie in te stellen.

Deze oscillatoren worden stabiel gehouden door weerstanden met positief temperatuurskoefficient, die hier 12 V/25mA-lampjes zijn (b.v. Tandy RS-272-1141), en meertoerenpotentiometers P1 en P2. Deze worden geregeld om 1,5 volt peak-to-peak te bekomen aan de uitgang van de operationele versterkers en, normaal, branden de lampjes niet!

Bij het aanzetten, duurt het enkele sekonden voordat het signaal stabiel wordt. Dit is te wijten aan de "PTC-weerstanden" (de lampjes dus) en is volkomen normaal.

Deze oscillatoren worden gevolgd door twee laagdoorlaatfilters (IC1b en IC2b) ten einde de harmonische komponenten te verzwakken. De waarden berekend voor C5, C6, C8 en C9 zijn geen standaardwaarden, daarom worden telkens twee kondensatoren (MKMtype) in parallel geschakeld, de vervorming die zo bekomen wordt ligt beneden de 0,3 %.

De twee tonen worden samengevoegd in IC3a, trap waar de amplitude van het geheel met P4 "Level" kan geregeld worden; maar men kan ook afzonderlijk het niveau van de 700 Hz met P3 "Balance" wijzigen. Zo kan men de dikwijls afwijkende doorlaatkurve van de mikrofoonversterker kompenseren.

Het signaal kan nog met 20 of 40 dB verzwakt worden door S2. In de 0 dB-stand is het maximum uitgangsniveau 0,6 volt peak-to-peak op 600 ohm (een toon).

De laatste operationele versterker, IC3b wordt als buffertrap gebruikt. C11 is een MKM-kondensator, maar hij kan eventueel vervangen worden door een elektrolytisch type van 10 microfarad.

De figuren 4 en 5 geven de lay-out van de gedrukte schakeling en de implanting van de onderdelen.

fig 4
Fig 4

fig 5
Fig 5

De schakeling wordt in een metalen behuizing gemonteerd en aangezien ze slechts 15 mA verbruikt, gebeurt de voeding met 2 x 4 staaf batterijen "R6" of "AA". Zo worden eveneens problemen vermeden met de HF-instraling.

"Meten is weten" (Lord Kelvin)... maar men moet weten hoe! (vertaling ON6IS)

ON7PC, Pierre Cornelis.