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SSB mit Konstanter Amplitude zur Diskusion gestellt

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Die Vorteile von Modulationsarten bei denen die Amplitude des Sendesignals konstant bleibt, sind allgemein bekannt: Schmalband- Frequenzmodulation (NBFM) oder Frequenzumtastung (FSK) zum Beispiel verursachen grundsätzlich seltener Störungen in Radio- und Fernsehempfängern und in NF-Geräten als EinseitenbandSendungen (SSB), Zweiseitenband- (AM) oder Telegrafiesignale. Da aber SSB für Weitverkehr-Sprechfunk die überlegene Modulationsart ist, wurde nach einem Verfahren gesucht, das die Probleme durch Hüllkurven-Demodulation von Amplitudenänderungen vermeidet - im Idealfall also eine Form von SSB mit konstanter Amplitude.

1. PL-SSB

Im Jahr 1972 wurde eine praktische Entwicklung von Hanno Scheps, PA0EPS, bekannt (1), bei der das SSB-Signal theoretisch unendlich weit begrenzt und in einen phasengeregelten Kreis (PLL) eingeführt wird. Dieses kurz "Phase-locked Single Sideband" (PL-SSB) genannte Verfahren arbeitet folgendermaßen:

Ein (9-MHz-) SSB-Signal wird so stark begrenzt, daß es konstante Amplitude bekommt, und zwar auch während der Sprechpausen, in denen der Restträger auf den vollen Pegel gebracht wird. Wie man erwarten muß, entsteht durch das Clippen ein sehr breites Frequenzspektrum. Würde man nun der normalen HF-Begrenzertechnik folgen(5), so müßte ein zweiten Seitenbandfilter die unerwünschten Außerband-Frequenzenunterdrücken. Dadurchjedoch würde ein gewisser Grad von Amplitudenschwankungen wieder eingeführt werden.

Stattdessen wird ein weiterer Oszillator phasenstarr an das begrenzte SSB-Signal angebunden. Dieser Oszillator gibt ein Signal konstanter Amplitude ab, doch bleibt es ein theoretisches Problem, das Spektrum des phasengeregelten Oszillators so schmal wie möglich zu machen. Experimentell hat PA0EPS für das Schleifen-filter im Phasenregelkreis Dimensionierungswerte gefunden, die einen brauchbaren Kompromiß zwischen Bandbreite und Lesbarkeit des Signals ergeben. Bild 1 zeigt eine Blockschaltung zur PL-SSB-Aufbereitung.

Bild 1
Bild 1: Blockschaltung einer PL-SSB-Aufbereitung

Während H. Scheps, PA0EPS, seine ursprüngliche Schaltung mit diskreten Bauelementen realisierte, gibt Harry Grimbergen, PA0LQ, eine elegantere Version an, in welcher die preiswerte integrierte Schaltung TBA120 eingesetzt ist (Bild 2). Die IS arbeitet hier als Begrenzerverstärker und Phasendetektor. Der Begrenzer arbeitet mit Eingangsspannungen von größer als etwa 200 µV; bei etwa 5 mV wird bereits eine AM-Unterdrückung von über 40 dB erreicht. Der Eingang dieser Schaltung kann deshalb unmittelbar auf das SSB-Filter folgen.

Bild 2
Bild 2: Schaltung zum Umwandeln eines SSB-Signals in ein PL-SSB-Signal

Anschluß 8 liefert eine Regelspannung, die bei 12 V Betriebsspannung zwischen 3 und 9 V variiert; sie liegt über das durch Versuch zu bestimmende phasenkorrigierende Netzwerk an der Kapazitätsdiode im spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). Die Spule L1 ist mit den beiden l-nF-Kondensatoren auf die VCOFrequenz abgestimmt; sie kann für diese Schaltung ohne weiteres zwischen 3 und 12 MHz liegen. Der Kondensator C1 wird so bemessen, daß an der Spule L1 eine HF-Spannung von etwa 200 bis 400 mV (Spitze-Spitze-Wert) steht.

Durch sorgfältiges Dimensionieren der Zeitkonstanten im Schleifenfilter läßt sich ein einigermaßen sauberes und gut klingendes Signal erzeugen, das eine hohe Verständlichkeit bei geringen Feldstärken, aber kein zu breites Spektrum aufweist. Das nach der Schaltung in Bild 2 erzeugte Signal kann in das gewünschte KW-oder UKW-Band hochgemischt und dort verstärkt werden. Im Gegensatz zu konventioneller SSB läßt sich bei PL-SSB ein Verstärker im C-Betrieb einsetzen.

2. CA-SSB

In einer neueren dreiteiligen Veröffentlichung(3) kommt Jan Flint, PA0KT, zu dem Schluß, daß das Spektrum eines PL-SSB-Signals auch nach sorgfältiger Optimierung breiter als erwünscht ist. Dies fällt besonders dann auf, wennmehrere PL-SSB-Stationen an einem VHF-/UHF-Kontest teilnehmen. Ursache dürften vor allem die großen, abrupten Phasenänderungen in den Nulldurchgängen des begrenzten HF-Signals sein. Er beschreibt anschließend zwei andere Methoden zum Erzeugen eines SSB-Signals mit konstanter Amplitude (CA-SSB), die keine Verbreiterung des Spektrums mit sich bringen.

Bild 3 zeigt das erste System von PA0KT. Es verwendet einen schnellregelnden NF-Kompressor. Dieser regelt zwar die Amplitudenänderungen aus, ist aber natürlich nicht in der Lage, in den Sprechpausen den unterdrückten HF-Träger auf den vollen Pegel hochzuregeln. Deshalb wird das NF-Signal zunächst in der üblichen Weise in ein SSB-Signal umgewandelt, wobei der Balancemodulator so eingestellt wird, daß ein Restträger von etwa - 30 dB erhalten bleibt. Das SSBSignal wird nun in einem zweiten Ringmischer wieder in die NF-Lage zurückgemischt. Der Überlagerungsoszillator hierfür F. chwingt jedoch mit einer um 1 kHz niedrigeren Frequenz als der Trägeroszillator. Dadurch erscheint der ursprüngliche Restträger als 1-kHz-Ton und das ganze NF-Spektrum ist um 1 kHz zu höheren Frequenzen hin verschoben. Dieses Signal wird nun in einem NF-Kompressor mit sehr kurzen Zeitkonstanten auf konstante Amplitude gebracht. Der Kompressor sollte einen Dynamikumfang von wenigstens 30 dB besitzen. Bild 4 gibt einen Schaltungsvorschlag, in welchem die Verstärkung eines integrierten Operationsverstärkers vom Typ 741 über zwei Feldeffekt-Transistoren geregelt wird. Die Ausgangsspannung dieser Schaltung beträgt konstant 4 V - bei Eingangsspannungen zwischen 5 mV und 2 V (Spitze-Spitze-Werte).

Bild 3
Bild 3: Blockschaltung einer CA-SSB-Aufbereitung mit schnellem NF-Kompressor

Bild 4
Bild 4: Schaltung eines schnellen NF-Kompressors für ein CA-SSB-System

Dieses Signal konstanter Amplitude (mit 1-kHz-Ton in den Sprechpausen) wird nun in einen normalen SSB-Exciter eingespeist. Für die hörende Gegenstation bleibt die Tatsache, daß das gesendete Signal um 1 kHz verschoben ist unbemerkt, weil einfach ganz normal auf Träger-Null abgestimmt und so das originale NF-Spektrum zurückerhalten wird. Wichtig ist allerdings, daß der zweite Ringmodulator eine sehr hohe Trägerunterdrückung haben sollte, weil sonst ein 1-kHz-Ton hörbar wird.

PA0KT benutzte dieses System mehrere Monate lang und erhielt bessere Berichte als mit PL-SSB. Die schwache Stelle bleibt jedoch der NF-Kompressor. Die Zeitkonstanten im Regelkreis müssen so kurz sein, daß sie in die Größenordnung der Periodendauer der tieferen NF-Töne kommen. Macht man die Zeitkonstanten zu kurz, so werden die tieferen Töne ausgeregelt und es treten Sprünge in der Signalamplitude auf. Es wurde deshalb ein System entworfen, das mit einem HF-Kompressor arbeitet. Es ist nicht nur im Betrieb besser, sondern auch einfacher zu realisieren.

2.1. CA-SSB MIT HF-KOMPRESSOR

Bild 5 zeigt in einer Blockschaltung wie das SSB-Signal mit konstanter Amplitude durch einen HF-Kompressor aufbereitet wird (3),(4). Es wird zunächst wieder ein normales SSB-Signal mit teilunterdrücktem Träger erzeugt, welches dann jedoch einem Kompressor zugeführt wird, der unmittelbar das hochfrequente Signal verarbeitet. Der Kompressor kann mit einer Zeitkonstanten von etwa 100 µs ohne weiteres allen Amplitudenänderungen der Hüllkurve folgen und diese aus-regeln. Gegenüber der Periodendauer des Trägersignals (0,1 µs bei 10 MHz) ist die Zeitkonstante jedoch unendlich groß.

Bild 5
Bild 5: Blockschaltung einer CA-SSB-Aufbereitung mit HF-Kompressor

Das Schaltbild eines solchen HF-Kompressors (Bild 6) läßt drei Feldeffekt-Transistoren erkennen, welche als veränderbare Widerstände in den Emitterzuleitungen von drei zugehörigen Verstärkerstufen arbeiten. Am Potentiometer P1 läßt sich die Referenzspannung des Regelkreises und damit der Ausgangspegel einstellen. Die FETs steuert ein Operationsverstärker mit einer Spannungsverstärkung von 100 an. Die Zeitkonstante bestimmt der Kondensator C1 zusammen mit dem Parallelwiderstand von 5,6 M. Für C1 sind Werte zwischen 10 und 100 pF angebracht. Obwohl die Schaltung im Prinzip breitbandig bis etwa 10 MHz arbeitet, ist doch eine Resonanzüberhöhung der gewünschten Ausgangsspannung durch die Spule L1 zusammen mit der Schaltungskapazität (bei etwa 8 MHz) günstig. Da die Eigenschaften von FETs beträchtlich streuen, kann eine Selektion erforderlich werden. Im übrigen läßt sich der Source-Spannungsteiler (470 Ω/1,8 kΩ) an die im Einzelfall verwendeten FETs anpassen.

Bild 6
Bild 6: Schaltung eines HF-Kompressors

In der Praxis beträgt der Regelbereich dieser Schaltung etwa 40 dB. Die maximale Ausgangsspannung ist etwa 4 V, bei Eingangsspannungen zwischen 10 mV und 1 V (Spitze-Spitze-Werte). Die Eingangs-HF-Spannung wird so eingestellt, daß der Restträger mit etwa 30 mV auftritt. Die Spitzenspannungen des SSB-Signals sollten dann 1 V nicht übersteigen.

Diese Forn von SSB mit konstanter Amplitude ist sehr wirkungsvoll; einige holländische Amateure haben jedoch eingewendet, daß das Signal zusammenbrechen muß, wenn der Eingangspegel - 40 dB unterschreitet. Dies kann am Beispiel eines Zweiton-Testsignals bei spektraler Reinheit und bei gleicher Amplitude nachgewiesen werden. Bei Sprachaussteuerung dürften diese Bedingungen jedoch kaum zusammentreffen.

Essollim übrigen festgehalten werden, daß dieses Signal noch geringe Amplitudenvariationen aufweist. Trotzdem können nach Untersuchungen von PA0KT mit dieser Form von CA-SSB die meisten Störfälle in (Hi-Fi) Tongeräten, die ja ihre Ursache in einer Hüllkurven-Demodulation haben, beseitigt werden. In ein paar ganz hartnäckigen Fällen sind die Störungen geblieben; hierfür scheint die ursprüngliche PL-SSB die einzige Antwort zu sein.

3. Anmerkungen

Dick Rollema, PA0SE, bemerkt, daß der HF-Kompressor auch ein gutes Mittel zum Anheben des mittleren Sprachpegels in SSB-Sendern ist, da er eigentlich fast das gleiche bewirkt wie ein HF-Clipper (5). Im Gegensatz zu diesem benötigt er jedoch kein zweites Seitenbandfilter, wenn auch eine gewisse Verbreiterung des Spektrums unvermeidbar ist.

Arie Dogterom, TJ1EZ (früher PA0EZ), sagt hierzu, daß im Prinzip kein Unterschied zwischen Kompression und Begrenzung besteht, da sich beide nur in der Länge der Zeitkonstanten unterscheiden. Man kann Kompressor und Clipper als Amplitudenmodulatoren ansehen, mit dem Sprachsignal am einen Eingang und dem Steuersignal am anderen Eingang. Wie in jedem Modulator entstehen auch hier Summen- und Differenzfrequenzen, die dem Originalsignal zugefügt werden. Je schneller die Steuerspannung variiert, desto breiter ist das Frequenzspektrum und desto stärker sind die Verzerrungsprodukte, welche die Bandbreite des ursprünglichen Signals verbreitern.

Der Clipper stellt hierin den Extremfall dar, weil das "Steuersignal" sehr komplex und extrem breitbandig ist; dem entspricht das Spektrum, das ein Clipper erzeugt. Dagegen ist die Verbreiterung des Spektrums beim HF-Kompressor nach PA0KT verhältnismäßig klein und daher akzeptabel. Es muß kaum betont werden, daß die Schaltungseinzelheiten des HF-Kompressors ziemlich unwichtig sind, und daß auch andere Schaltungen verwendet werden können. Das Kriterium des PA0KT-Systems ist, daß ein Kompressor bei HF eingesetzt wird.

4. Literatur

  1. Rollema, D. W.: Fazelus-enkelzijband met de IC TBA120 van Siemens, Electron 27 (1972) Nr. 8, S. 330
  2. Hawker, Pat: Infinitely-clipped phase-locked ssb, Radio Communication 48 (1972) Nr. 3, p.153
  3. Flint, J. H.: Enkelzijband-signaal met constante amplitude, Electron 29 (1974) Nr. 7, S. 311 - 313, Nr. 8, S.350 - 353, Nr. 9, S.390
  4. Hawker, Pat: Constant-amplitude ssb, Radio Communication 50 (1974) No.11, p.762 - 764
  5. Kestler, J.: SSB-Exciter mit HF-Clipper, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 3, S.155 - 167

DL3WR, Robert Lentz.