Messung wichtiger Empfängerkennwerte 3: IM = Irrtümer + Manipulationen?
Hier nun weitere neun (vermeintliche) Irrturner im Zusammenhang mit dem Thema "Intermodulation", bevor dieses schließlich auf den (Intercept-)Punkt gebracht wird!
Irrtum Nr. 9: Intercept-Punkte sind frequenzunabhangig
In (5) wird die Schaltung eines PrazisionsDiodenringmischers ftir einen HF-Messempfanger gezeigt und dazu bemerkt, dass der Ausgangs-Intermodulationspegel drifter Ordnung dieser Schaltung bei jeder Verdopplung der Oszillatorfrequenz um 12 dB zunimmt. In Bild 14 ist dies dargestellt.
Bild 14: Der Ausgangs-1P3 eines Diodenringmischers nimmt mit der Oszillatorfrequenz zu.
Auch die Begründung ündet man in (5): "In HF-Mischern tragt gewohnlich die endliche Umschaltzeit der Dioden unter dem Einfluss der Oszillatorspannung in einem gut konstruierten Ringmischer am meisten zu Intermodulationsstorungen bei.... Verallgemeinernd gesagt, konnen zwei Eingangssignale die Umschaltzeitpunkte phasenmodulieren und somit intermodulieren. ... Bei gegebenem Verhaltnis von Oszillator- zu Eingangssignalspannung bestimmt das Produkt von Oszillatorfrequenz und Anstiegszeit den IM-Ab stand. Bei Verdopplung der Oszillatorfrequenz, aber konstanter Anstiegszeit der Oszillatorspannung verringert sich der IM-Abstand auf ein Viertel."
Mit der Sperrkapazitat und der Krümmung der Durchlasskennlinie werden zwei weitere Ursachen für IM in passiven Diodenmischern genannt. Schließlich wird zusammengefasst: "Die drei beschriebenen Ursachen begrenzen unabhangig voneinander den IMA. Je nach Oszillatorpegel, Oszil1atorspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit und Eingangsfrequenz uberwiegen gewohnlich die IM-Produkte infolge einer bestimmten Ursache, und die übrigen Effekte sind zu vernachlassigen."
Dennoch kann die Moglichkeit der Frequenzabhangigkeit insbesondere des IP3 nicht von der Hand gewiesen werden. Daher scheint eine dritte Messbedingung sinnvoll: Der 1P3 ist mindestens im niedrigsten und im hochsten Amateurband, welches der Empfanger erfasst, zu bestimmen. Beim IP2 sind die Ausgangsfrequenzen fur den praktischen Wert der Angabe entscheidend: Der IP2 wird mit typischen Rundfunkfrequenzen in besonders betroffenen Amateurbandern ermittelt.
Irrtum Nr. 10: Ein IP ist bereits "an sich" aussagekraftig
Nun wird's ganz vernickt - wird doch hier nicht weniger als die ganze Intercept-PunktAngabe in Frage gestellt. Und so ist es auch, allerdings sei gleich vorausgeschickt, dass nach obigen Messbedingungen ermittelte Intercept-Punkte praktisch oft gendgend aussagekraftig und auch einigermaBen gut vergleichbar sind. Dennoch ist es prinzipiell shinlos, einen IP isoliert zu betrachten. Warum dies?
Bild 15 erklart uns dies recht einleuchtend. Weil man durch eine einfache Mal3nahme, namlich ein Dampfungsglied, IP3 and Empfmdlichkeit verandem kann, muss der IP3 eigentlich im Zusarnmenhang mit der Empfmdlichkeit gesehen werden. Dies erfolgt relativ mit dem Dynamikbereich drifter Ordnung(1), (5), (6), (7), (11), (12):
Bild 15: Ein Dampfungsglied am Empfungereingang mindert nicht nur die Gesamtempündlichkeit, sondern hebt auch den IP3.
Pera ist hierbei die duivalente Eingangsrauschleistung. Je holler der DR3 bei gegebener Bandbreite ist, umso intermodulationsfester ist der Empfanger tatsachlich. In Bild 16 sehen wir die Lage dieses Bereichs über der Frequenz ftir einen professionellen Kurzwellenempfanger(13). Die Empfmdlichkeit wurde dem Aul3enrauschen angepasst und so bei niedrigeren Frequenzen ein deutlich hüherer IP3 moglich als bei hohen. Zwischen 1,5 und 30 MHz andern sich Rauschmal3 und IP3 urn mehr als 20 dB, wahrend der entsprechende Dynamikbereich und also auch das Intermodulationsverhalten drifter Ordnung konstant bleiben. EM Dampfungsglied muss hier nur zum Mindern von Intermodulation bei deutlich über dem Empfangerrauschen liegendem Storsignal bemüht werden, und so ist es richtig.
Bild 16: Primare Dynamikmerkmale des RR-9203C im gesamten Empfangsbereich. Der IP3 betragt bei 1,5 MHz 49,5 und bei 30 MHz 24 dBm.
Daher halte ich die von DK4SX im "Pflichtenheft"(14) pauschal geforderte Empündlichkeit "ohne Vorverstarker 15 dB, mit Vorverstarker 10 dB" ftir einen AmateurfunkKurzwellenempfanger zumindest ftir interpretationsbedürftig.
Das wird auch an anderen Empfangern deutlich, z. B. am R&S EK890, far den Rudolf Wetzel, DK2AG, bei 30 MHz ein Rauschmal3 von nur 2 dB ermittelt hat. Man muss sich fragen, warum Rohde & Schwarz diesen Aufwand betrieben, wo doch das Aul3enrauschen selbst hier noch urn 15 dB liegt. Wirklich wichtig ist lediglich ein groDer Dynamikbereich, wenn das Empfangerrauschen nur deutlich unter dem AuBenrauschen liegt (mindestens 3 dB) und das reziproke Mischen sehr Bering bleibt. Letzte Forderung ist nicht zu unterschatzen, denn: "Im modernen Empfanger stellt reziprokes Mischen eM groBeres Problem als der begrenzte intermodulationsfreie Dynamikbereich dar."(5) Von daher muss man wohl auch die Feststellung "... gewohnlich wahlt man FRX = Fextern - 15 dB"(13) kritisch sehen, auch wenn ihr beim R&S EK890 weitgehend nachgekommen wurde.
"Ein besseres, weil von der Bandbreite unabhangiges Maß für die Leistungsfahigkeit des Empfangers als der Dynamikbereich ist der Empfdngerfaktor. Er ist deüniert als Eingangs-IM-Schnittpegel geteilt durch Rauschzahl."(5) Dem stimme ich prinzipiell zu, weise aber darauf hin, dass es sich um eine Leistungsangabe handelt.
Daher empfehle ich, vom effektiven IP3 zu sprechen: IP3eff = IP3 - F. Erst dieser beschreibt das IM-Verhalten drifter Ordnung vollstandig und wäre im Beispiel des RR-9203C fast frequenzunabhangig.
Irrtum Nr. 11: IM erfolgt im Frontend des Empüngers
"Grundsatzlich: Als Frontend bezeichnet man gewohnlich den Empfangssignalzug von der Antennenbuchse bis zur letzten defmitiv dynamikbestimmenden Funktion. Hierin ist im konkreten Fall die ohnehin unbedingt weft vom anzulegende Kanal-Hauptselektion eingeschlossen."(13) Hier, insbesondere im ersten Mischer und einem eventuell vorgeschalteten Verstarker, sieht man allgemein die Intennodulations-Ursache.
Jedoch kann Intermodulation such in der Antennenanlage und im eventuell vorgeschalteten Preselektor oder auch im Produktdetektor/NF-Teil erfolgen.
Uber durch Witterungseinfluss beeintrachtigte Kontakte in Antennenanlagen als Quelle von Intermodulation wurde ja schon gelegentlich berichtet.
Der Funkamateur baut Preselektoren, urn die Vorselektion zu erhahen and Intermodulation einzudammen. Diese sind allemal natzlich, jedoch ist zu beachten: "Ferritkeme soli-ten grundsatzlich einzig für Ubertrager herangezogen werden. In kritischen Fallen empfehlen sich Vorabmessungen sowie Untersuchungen bezüglich des Intercepts; dabei schneiden Ferrite hauüg relativ ungünstig ab."(7) Und "Ferrite werden hauptsachlich far Breitband-Ubertrager und HF-Drosseln verwendet; für HF-Selektoren in Empfangem sind sie nur eingeschrankt empfehlenswert (Intermodulations-Risiken bei Breitband-Ansteuerung durch vektorielle Sattigungseffekte; die Situation verscharft sich mit dem p-Wert".(14)
In letzter Zeit sind spezielle Quarzülter als besonders wirksame Preselektoren aufgekommen. Doch auch dort kommt es zu Intermodulation: "Liegen die beiden Eingangssignale ümerhalb des Durchlassbereichs des Quarzülters, so ist der IM-Pegel am Ausgang hoher als bei der Lage im Sperrbereich. Der IM-Pegel drifter Ordnung am Ausgang hangt irregular vom Eingangspegel ab und weist Hysterese auf."(5)
Ein Tipp aus (5): "Anfanger laten vom 50-Ohm-Antenneneingang ihres Empfangers antiparallel zwei Si-Dioden nach Masse, urn den Eingangsverstarker gegen aberhohte HF-Eingangsleistung beim Versagen der Sende-Empfangs-Umschaltung zu schützen. Es zeigt sich jedoch, dass diese Dioden eine schwer aufündbare Quelle von IM- und KM sind."
Den Produktdetektor zahlt man zwar nicht mit zum Frontend, jedoch kann auch er zur IM beitragen: "Im Unterschied zum HF-Schmalbandmischer rufen im Produktdetektor nur Krammungen gerader Ordnung der Ubertragungskennlinie IM-Starungen hervor. Bei großem IM-Gehalt klingt das Sprachsignal zerknautscht, zischelnd und undeutlich."(5)
Irrtum Nr. 12: Die Antenne hat wenig Einfluss auf die IM-Produkte
"Manche Empfanger mit breitbandiger Vorselektion brauchen an einer Trap-Yagi-Antenne (die schmalbandig ist) keinerlei IM-Storungen zu zeigen, wahrend abends am Dipol 'Bandsalat' entsteht."(5)
"Ich babe Situationen im Amateurfunkbetrieb erlebt, in denen die Leistungsfahigkeit des Empfangers bezuglich des IP drifter Ordnung durch den Einsatz einer weniger leistungsfahigen Antenne drastisch verbessert wurde. Der verstorbene J. H. Thome (K4NFU) demonstrierte mit diesen Effekt im VHF-Band unter Verwendung eines Spektrumanalyzers. Eine starke artliche Relaisfunkstelle im 2-m-Amateurfunkband sendete alle paar Sekunden, und man konnte die Intermodulationsprodukte zweiter und drifter Ordnung neben dem eigentlichen Relaissignal sehen.
Ein 6-dB-Abschwacher am Antenneneingang lieB die Intermodulationsprodukte verschwinden, so dass nur noch das eigentliche Signal zu sehen war. Auch das Verdrehen einer richtungsempündlichen Antenne aus der Richtung des starenden Signals kann in vielen Fallen dieses Problem Risen."(16)
Irrtum Nr. 13: Ein idealer Vonrerstarker andert den IP nicht
Stellen wir uns einen idealen Vorverstarker oder such eine ideate Aktivantenne oder einen idealen Konverter vor! Diese Komponenten kennen weder Eigenrauschen noch IM! Deshalb konnte man annehmen, sie warden z. B. den konventionellen IP3 nicht andem. Dies ware jedoch nur der Fall, wenn ihre Verstarkung 0 dB betragen wurde. Andernfalls war-de sich der IP3 urn die Verstarlcung vermindem - so, wie er sich bei Vorschalten eines Dampfungsglieds urn die Dampfung erhoht.
Bild 17 macht uns das beispielhaft deutlich.
Bild 17: Ein idealer Vorverstarker vor einem realen Empfanger - und die sich nun ergebenden Daten.
Hier wird ein gewisse Gegensatz zwischen Rauschen und Intermodulation deutlich: Wird einem stark rauschenden Empfanger ein rausch- und intermodulationsarmer Vorverstarker zugeschaltet, ist der Gesamtrauschfaktor besser als der Empfangerrauschfaktor, der IP3 jedoch schlechter.
Irrtum Nr. 14: Gegenlauüge Kennlinien kompensieren IM
Bild 18 zeigt zwei Verstarker, deren Kennlinien nichtlinear, aber gegenlauüg sind. Die resultierende Kennlinie sei deshalb exakt linear. Ware nun am Ausgang ein reiner Sinus zu erwarten?
Nein, denn schon am Ausgang der ersten Stufe treten Überwellen auf, welche die zweite Stufe nicht meter kompensieren kann. Im Gegenteil: Sie produziert noch viel kraftiger (wegen des hoheren Pegels) welche hinzu.
Und genauso verhalt es sich mit der Inter-modulation. Man kann also schlussfolgem, dass in einer Kettenschaltung von verstarkenden Baugruppen für geringste Intermodulation die hierfür anfalligste Stufe die erste und die am wenigsten intermodulierende Stufe die letzte sein muss. Dies sollte uns eigentlich nicht verwundern, dean auch ür das Zusammenschalten rauschender Vierpole gibt es ja eine analoge Vorschrift, allerdings quasi in umgekehrter Richtung (am wenigsten rauschender = erster Vierpol).
Bild 18: Zweistuüger Verstarker mit gegenlouügen Einzelkennlinien.
Doch wie errechnet sich der Gesamt-IP? Beschranken wir uns auf zwei Gerate, wie z. B. Vorverstarker und Empfanger: "Wenn zwei in Kette geschaltete Zweiports IM erzeugen, berechnet man den Gesamt-IP bei koharenter IM-Erzeugung (das ist der Normalfall) aus
Die IP-Werte müssen hier in (m)W angegeben werden, dean durch dBm darf man nicht teilen. Hierzu zeigt uns Bild 19 zwei Beispiele, welche die Richtigkeit des (in der Regel wegen der funktionellen Vorbestimmung des Platzes von Baugruppen in einer Kette praktisch nicht zu verwirklichenden) Konzepts, dass die Intercept-Punkte von vorn nach hinten steigen sollten, belegt.
Bild 19: Diese Rechnungen zeigen: Liegt die Baugruppe mit dem schlechteren 1P3 vorn, ist der Gesamt-IP besser als im anderen Fall.
Irrtum Nr. 15: Aktivantennen fordern deutlich IM
Nur wenn die Aktivantenne, der Konverter oder der Vorverstarker wesentlich intermodulationsfester als der Empfanger ist, wird die gesamte Neigung zu Intermodulation kaum beeinflusst- so lautet eine hauüg anzutreffende Meinung. Ein weiterer Irrtum, wie wir gleich sehen werden.
Betrachten wir Bild 20, das uns die Illusion vorgaukelt, stolzer Besitzer einer der am perfektesten konstruierten Breitband-Aktiv antenne, der ARA-60 von Dressler, und eines der in den 90er Jahren hochqualiüziertesten KW-Empfanger, dem schon erwalmten RR-9203C (hier im 17-m-Band, wo der IP3 bei 40 dBm liegt) zu sein. Da die ARA-60 fest auf 10 dB Verstarkung eingestellt ist, karm der Gesamt-IP3 nicht über 30 dBm (IP32 - Vp) liegen. Erstaunlich ist, dass er diesen Wert bei nur 10 dB besserem 1P3 der Aktivantenne praktisch von erreicht, wie die obere Rechnung beweist. Daher wurde in den Rechnungen weiter unten der IP3 der Antenne mit 40 dBm and 30 dBm, also gleich und 10 dB kleiner als der IP3 des Empfangers allein, angenommen. Die Ergebnisse verblüffen noch meter: Lediglich 0,5 dB und 3 dB vom theoretisch moglichen Maximum entfernt liegen die Gesamt-InterceptPtmkte.
Bild 20: Dieses Beispiel mit drei verschiedenen Intercept-Punkten dritter Ordnung deckt eine weitere Irritation auf.
Das Ganze lasst sich natürlich auf Vorverstarker und Konverter übertragen.
Der IP3 eines "elektronischen Empfangervorsatzes" muss also nicht überbewertet werden. Viel wichtiger als hohe Intermodulationsfestigkeit ist eine moglichst geringe Betriebsverstarkung dieser Baugruppen.
Irrtum Nr. 16: Kreuzmodulation ist eine Form von IM
Kreuzmodulation unterscheidet sich grundsatzlich von Intermodulation. Durch die Tatsache, dass beide Effekte in Verstarkern und Mischern auftreten konnen and die gemeinsame Bezeichnung mit "Modulation" wird dies manchmal verwischt. Dieser Begriff ist übrigens in beiden Fallen unzutreffend, wenn man unter Modulation Mischung mit einer Audiofrequenz versteht, was sinnvoll ist. Bei der Kreuzmodulation handelt es sich nicht mal urn Mischung, sondern um Modulationsübernahme (Bild 21).
Bild 21: Entstehung von Kreuzmodulation an der gekrümmten Ubertragungskennlinie eines Bipolartransistors. Ein starker Storsender verschiebt dauernd den Arbeitspunkt.
Diese geht allerdings mit IM einher: "Man lcann behaupten, dass der Intercept-Punkt dritter Ordnung die wichtigste einzelne Speziükation zu den dynamischen Eigenschaften darstellt, da sie die Leistungsfahigkeit bezüglich Intermodulation, Kreuzmodulation und Desensibilisierung durch Zustopfeffekte beinhaltet."(16) Dem mochte ich nur bezüglich der Kreuzmodulation zustimmen.
Irrtum Nr. 17: Die Wahl des IM-Produkts beeinflusst den Intercept-Punkt (nicht)
Na was dean nun, ja oder nein? Ja beim IP2, dean hier liegen die Intermodulationsprodukte Behr weft auseinander. Wenn der Empfanger auf diesen Frequenzen nennenswert verschieden verstarkt, dann bereits kommen verschiedene Intercept-Punkte zu Stande. Weitaus scharfer konnten Unterschiede in der Weitabselektion wirken. In der Regel werden jedoch, wie z. B. in den Testvorschriften der CQ DL(17) alle Frequenzen sinnvoll gewahlt und angegeben, sodass these Manipulationsmoglichkeit wohl nur eingeschrankt besteht.
Überhaupt nicht existiert sie praktisch hingegen beim IP3. Hintergrund: Stets ist das untere IM-Produkt urn die Frequenzdifferenz der Messsignale vom unteren Ton und das obere IM-Produkt urn die Frequenzdifferenz der Messsignale vom oberen Ton entfemt. Das Spektrum ist also stets symmetrisch, der Abstand zwischen den IM-Produkten ist dreimal so gro3 wie der Abstand zwischen den Messtonen.
Daher werden diese durch die üblicherweise ebenfalls symmetrische Vorselektion (wenn uberhaupt) gleich gedampft, egal auf welches IM-Produkt man den Empfanger einstellt.
Auf den (Intercept-)Punkt gebracht
Dieser Artikel will nicht unterstellen, class in den Messlabors der Hersteller und Geratetester and ureter den Technikern und Funkamateuren eine allgemeine Unkenntnis zum Problemkreis "Intermodulation" herrscht. Allerdings wurde er infolge der subjektiven Wahrnebmung des Autors gewisser Unsicherheiten bei Profs und Amateuren geschrieben.
In der Tat ist es doch so, dass der übliche Umgang mit IP-Angaben oft zu Irritationen Wihren muss.
Daher sollten Verbesserungsmoglichkeiten aufgezeigt werden. Diese sind allerdings mit erhohtem Aufwand und einem Lernpro zess verbunden. Ob the Messung bei drei Differenzfrequenzen und aufverschiedenen Bandern sowie die Angabe des effektiven IP3 sich durchsetzen wird, bleibt abzuwarten.
Es duffle deutlich geworden sein, dass bei der IP-Messung ein grof3er Manipulationsspielraum besteht and dass daniber hinaus auch unerkannte Faktoren IM-Messungen verfalschen konnen. Weiter wurde gezeigt, dass die Gefahr der Fehlinterpretation von IP-Werten besteht.
Eire weiteres Zitat aus der eingangs genannten Antwort Nils Schifthauers, der in den letzten 25 Jahren fast jedes emstzunehmende Gerat erprobt hat, scheint mir einen guten Abschluss dieser meiner Bemühung urn meter Transparenz beim Thema "IM" zu sein:
Ich denke allerdings ohnehin, dass Messdaten viel zu viel Aufmerksamkeit geschenkt wird. Für aktive Funkamateure ist es doch vor allem wichtig, was ein Receiver - im Vergleich zu anderen tatsachlich leistet! Daraus und aus der zeitnahen Presentation dieser Ergebnisse ergibt sich der Nutzen eines Praxisberichts für tatsachlich aktive Wirer und Funkamateure. Ich bilde mir ein, dass mein Antennenanlage mit logarithmisch-periodischer DLP-11 und frei hangender FD-4 eher am oberen Rand der Moglichkeiten eines durchschnittlichen Horers/Funkamateurs angesiedelt ist und ich daher schon recht tief in die Gerate hineinleuchten kann.
Was mich auch gegenüber Messdaten immer etwas skeptisch stimmt, ist das Starren auf isoliert dastehende Werte, wie den IP3. Der Wert ist zweifelsohne wichtig, und dennoch konnen zwei Gerate mit dem identischen IP3 in der Praxis ganz andere Ergebnisse liefern.
Entscheidend ist ür mich als aktiven DXer ja immer, wie diese Dinge beim Empfang denn tatsachlich zusammenspielen. In der 'funk' ünden die Leser genau darauf eine transparent nachvollziehbare Antwort.
Literatur
- R. Rudersdorfer: Wichtige Empfangerkennwerte verstandlich gemacht, "funk" 5/ 2001, S. 38ff
- George S. F and Wood: Ideal Limiting Part 1, 3. W., Washington D. C., US Naval Research Laboratory AD266069
- GEC Plessey: Professional Products, IC Handbook, May 1991 (P. E. Chadwick: Intermodulation, Phase Noise and Dynamic Range)
- G. Schwarzbeck: Grol3signalverhalten von KW-Empfangem, CQ DL 3/1981,S. 17ff, 11/ 1981, S. 536ff und 1/1982, S. 21f
- D. Lechner: Kurzwellenempfanger, 2. Auflage, Berlin 1985
- F. Sichla: Aktive Mischer in der Amateurfunkpraxis, Theuberger-Verlag Berlin 2000
- E. T. Red: Funkempfanger-Schaltungstechnik praxisorientiert, beam-Verlag Marburg 1993
- W. D. Schleifer: Hochfrequenz- und Mikrowellen-Messtechnik in der Praxis, HüthigVerlag Heidelberg 1981
- W. Hofmann: Nachrichtenmesstechnik, Verlag Technik Berlin 2000
- M. Martin: Verbesserung des Dynamikbereichs von Kurzwellen-Nachrichtenempfangem, Funk-Technik 12/1982, S. 512ff
- F. Sichla: Dezibel & Co., VTH Baden-Baden 2000
- F. Sichla, M. Pemer: Das grof3e Amateurfunk-Lexikon, VTH Baden-Baden 2001
- W. A. Jenkins, E. T. Red: Moderne Kurzwellenempfanger, Beispiel: Rockwell RR-9203C, beam 7/1993 S. 25 ff und 8/1993, S. 23ff
- U. Graf: (Ein) Pflichtenheft, CQ DL 12/ 1997 und 4/1989
- E. T. Red: HF-Arbeitsbuch, beam-Verlag Marburg 1993
- J. J. Can: Geheimnisse des HF-Schaltungsentwurfs, Teil 1, Elektor-Verlag Aachen 1997
- H. H. Cuno, U. Graf: Warum so messen? CQ-DL 11/98, Seite 861ff
DL7VFS, Frank Sichla.