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PLL-SSB in den UHF- und SHF-Bändern

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Vor einigen Jahren wurde ein Verfahren bekannt, bei dem auf der ZF-Seite eines Überlagerungssenders ein amplituden-freies SSB-Signal erzeugt und anschliessend in das gewünschte Band hochgemischt wird: Phase-locked loop SSB(1). Damit sollten vor allem Störungen in benachbarten Rundfunk- und Fernsehgeräten vermieden werden. Davon ausgehend wurde ein Verfahren ausprobiert, das es ermöglicht, mit einem Sender SSB zu erzeugen, der Frequenzvervielfacherstufen enthält. Es wird hier in seinen Grundzügen beschrieben.

Um ein Sendesignal in den UHF- und SHF-Bändern (70 cm, 23 cm, 13 cm, 9 cm, 6 und 3 cm) zu erzeugen, gibt es grundsätzlich drei Möglichkeiten:

  1. Überlagerungssender
  2. Vervielfachersender
  3. Freischwinger

Beim Überlagerungssender sind alle Modulationsarten möglich, beim Vervielfacher FM und Telegrafie, beim Freischwinger (beispielsweise die im 3-cm-Band verwendeten Gunn-Element-Oszillatoren) nur FM.

Es scheint sich also der Überlagerungssender anzubieten. Allerdings erweisen sich die erforderlichen Leistungs-Linearverstärker für Mikrowellen als zu teuer für den Amateur. Auch der als Alternative, beispielsweise in(2) vorgeschlagene Parametrische Aufwärtsmischer hat Nachteile - nämlich die erforderlichen teuren Leistungsvaraktoren (2 Stück !), die unvermeidlichen Mischverluste und seine Neigung zu wilden Schwingungen.

Für kleine bis mittlere Streckendämpfungen zwischen den Funkstationen bietet sich FM an, wofür ein quarzgesteuerter Sender mit Frequenzvervielfachern ausreicht: Er könnte bei geringen Felstärken getastet werden. Will man allerdings auch bei hohen Streckendämpfungen (Troposcatter!), das heißt bei kleinen Feldstärken, in Telefonie arbeiten, dann ist SSB nötig. Diese Tatsache wurde durch eine interessante Vorführung(3) wieder einmal deutlich gemacht.

1. PLL-SSB

Das schon einleitend erwähnte Phase-locked loop SSB wurde hauptsächlich zum Verhindern von BCI und TVI eingesetzt. Es klingt wie ein 100%ig geclipptes SSB-Signal und beansprucht mehr Bandbreite. In den Sprechpausen wird der ansonsten um ca. 30 dB unterdrückte Restträger abgestrahlt - somit bleibt die Amplitude des PLL-SSB-Signals stets konstant.

Bild 1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes, wie man auf einfache Weise ein derartiges Signal erzeugen kann. Es wird anschließend in der üblichen Weise durch Mischen und Linearverstärken weiterverarbeitet.

Bild 1
Bild 1: Blockschaltung zum Erzeugen von PLL-SSB nach PA0EPS

2. Vervielfachte PLL-SSB

Von der Grundschaltung (Bild 1) ausgehend wurde ein Verfahren ausprobiert, das es ermöglicht, mit einem Vervielfachersender ein SSB-Signal zu erzeugen. Vervielfachung erschien möglich, weil das Signal amplitudenfrei ist, die Information also in Form von Frequenzmodulation vorliegt.

Weil mit der Vervielfachung auch der Hub größer wird, muß der Phasenvergleich auf der "Grundfrequenz" erfolgen, damit das vom Sender schließlich abgestrahle Signal verständlich bleibt. Das geschieht durch Rückmischen über den Empfangskonverter. Bild 2 zeigt eine von mehreren Möglichkeiten.

Bild 2
Bild 2: PLL-SSB im 9-cm-Band, ausgehend vom 10-m-Band

Es wird also in jedem Fall zuerst ein Empfangskonverter für das gewünschte Band (hier: 9-cm-Band) benötigt, der auf eine durchstimmbare Zwischenfrequenz (hier: 28 bis 30 MHz) umsetzt. Ob das direkt oder über eine erste, höhere ZF (beim Verfasser: 106 bis 108 MHz) geschieht, ist für das PLL-Verfahren zunächst belanglos. Allerdings muß man sich vergewissern, ob Gleichlage- oder Kehrlage-Mischung vorliegt, damit der Phasenvergleicher richtig angesteuert und die Seitenbänder schließlich in der richtigen Lage abgestrahlt werden.

Im Sendebetrieb gelangt durch die endliche Übersprechdämpfung ein wenig HF-Leistung über das Koaxialrelais an den Empfangskonverter und somit an den empfangsseitigen FM-ZF-Baustein CA 3089. Das Signal wird dort verstärkt, begrenzt und dem Phasenvergleicher zugeführt. An den sendeseitigen CA 3089 gelangt gleichzeitig das SSB-Signal eines 10-m-Senders, das ebenfalls verstärkt, begrenzt und dem Phasenvergleicher zugeführt wird. Die Trägerunterdrückung des Senders sollte nicht zu groß sein, damit die Phasenregel-schleife in den Sprechpausen einrasten kann.

Die Regelspannung aus dem Phasenvergleicher gelangt über einen Tiefpaß an die Kapazitätsdiode des VCXO (spannungsgesteuerter Quarzoszillator).

Die Sprachfrequenz wird also nicht wie bei PLL-FM-Sendern der Regelspannung als Störung überlagert, vielmehr verändert sich die Regelspannung im Rhythmus der Modulation. Der Tiefpaß dient demnach nur dazu Störspitzen abzuschwächen, die durch Phasensprünge im Phasenvergleicher bei SSB-Ansteuerung entstehen.

Wie man sehen kann, hängt die Sendefrequenz im SHF-Band (hier: 3456 MHz) von der Frequenz des 10-m-Senders und von der des Überlagerungsoszillators (LO) im Empfangskonverter ab. Dazu 2 Beispiele:

1.

LO stimmt, TX auf 28,2 MHz:
TX = 28,2
LO = 2428

SHF = LO + TX = 3428 + 28,2 = 3456,2
RX = SHF - LO = 3456,2 - 3428 = 28,2
VCXO = SHF : 72 = 3456,2: 72 = 48,002777

2.

LO hat Ablage, TX auf 28,2 MHz:
TX = 28,2 (Δ LO = 0,1 MHz)
LO = 3428,1 (Δ LO = 0,1 MHz)

SHF = LO + TX = 3456,3
RX = SHF = LO = 28,2
VCXO = SHF : 72 = 48,004166

Das Sendesignal erscheint also im Empfänger weiterhin mit der Frequenz des Senders, obwohl der LO eine Ablage von 100 kHz hat. Allerdings ist die SHF um eben diese 100 kHz falsch.

Wenn also TX und RX auf 28,0 MHz abgestimmt sind, muß der Quarz im VCXO mit 48,00000 MHz schwingen. Das muß mit einem entsprechend genauen Zähler kontrolliert werden. Einer Verstimmung des TX um beispielsweise 500 kHz und damit einer Frequenzänderung im 9-cm-Band um 500 kHz entspricht eine Änderung der Frequenz des ziehbaren Oszillators um 500 : 72 = 6,94444 kHz. Diese Zahlen im Bereich unter 1 Hz bedeuten, daß die Frequenzaufbereitung hinsichtlich Frequenzkonstanz und -Genauigkeit hohen Anforderungen genügen muß.

3. Betriebs- und Aufbau-Hinweise

Weil eine modifizierte DJ4LB 003-Schaltung mit einem 96-MHz-Quarz einen zu geringen Ziehbereich hatte (nur 10 kHz im 13cm-Band!), wurde die recht betagte Schaltung nach DJ9ZR(4) gewählt. Es wurde ein 48,015-MHz-Quarz eingesetzt und dann die Frequenz verdoppelt, so daß die üblichen, von 96 MHz ausgehenden Frequenzaufbereitungen verwendet werden konnten. Gemäß Abgleichanweisung in (4) wurde der Ziehbereich eingestellt, was auf 48 MHz × 3 = 144 MHz ganz bequem abgehört werden konnte. Mit der AFC-Spannung aus dem CA3089 wurde dann ein Ziehbereich von 250 kHz im 13-cm-Band beziehungsweise von 375 kHz im 9-cm-Band erzielt. Übrigens gibt dieser VCXO - mit einwandfreier Gleichspannung versorgt - im 13-cm-Band noch einen sehr klaren, stabilen Ton ab!

Man schaltet die Bausteine entsprechend Bild 2 zusammen, versorgt aber den AFC-Eingang des VCXO zunächst noch mit einer zwischen 2 und 10 V einstellbaren Gleichspannung. Sowohl SRX als auch STX sollten Werte über S9 anzeigen, wobei die Anzeige des Sende-S-Meters STX beim Modulieren um 20 bis 30 dB ansteigen sollte. Wenn STX zu wenig anzeigt, muß eventuell die Steuerleistung im 10-m-Band erhöht werden. Das heißt unter Umständen, daß die Trägerunterdrückung bei SSB verringert werden muß.

Wenn man den Sender auf "FM" schaltet, sollte STX den gleichen Wert wie bei SSB mit Modulation anzeigen. Telegrafie wird in der Betriebsart SSB durch Tasten eines Tongenerators möglich.

Wie erwähnt, darf der Restträger bei SSB nicht zu stark unterdrückt sein, weil sonst die PLL in den Sprech- beziehungsweise Tastpausen ausrastet. Andererseits dart der Restträger nicht zu stark sein, weil sonst zu viel Sendeleistung im Träger verbleibt. Hier muß man durch Probieren einen Kompromiß finden. Zeigt SRX zu wenig, so hat eventuell das Koaxialrelais eine zu hohe Übersprechdämpfung. Dann kann man mit einem Richtkoppler etwas mehr Leistung an den Konverter bringen. Man kann aber auch eine zusätzliche, nicht zu selektive Verstärkerstufe vor dem 28-MHz-Empfänger vorsehen.

Zeigen beide S-Meter die richtigen Pegel, kontrolliert man ob ein Verändern der Abstimmspannung am VCXO zwischen 2 und 10 V den gewünschten Abstimmbereich im SHF-Band ergibt. Und zwar kontrolliert man das am RX.

Dann wird der Empfänger auf die Sendefrequenz eingestellt, die durch unerwünschte Verkopplung und mangelnde Übersprechdämpfung im PLL-Baustein mehr oder weniger stark im RX zu hören ist. Nun wird die AFC-Spannung aus dem PLL-Baustein auf den VCXO gegeben: Liegt die Sendefrequenz im Ziehbereich des VCXO und außerdem im Fangbereich des Phasenvergleichers, wird der VCXO auf die richtige Frequenz gezogen. Gleichzeitig steigt die angezeigte Feldstärke an SRX sehr stark an.

Wie die Regelspannung im ungerasteten, im gerasteten und schließlich im gerasteten und modulierten Zustand aussieht, ist in Bild 3 skizziert. Rastet die PLL nicht ein, so wird die Sendefrequenz verstimmt, bis ein Fangen erfolgt - dann kann wieder auf die gewünschte Frequenz (innerhalb des AFC-Spannungsbereiches von 2 bis 10 V) abgestimmt werden.

Bild 3
Bild 3: Oszilloskop-Bilder der Regelspannung; links: ungerastet, Mitte: eingerastet, rechts eingerastet und moduliert

Hier werden einige Nachteile dieser recht einfachen Schaltung deutlich:

Man kann allerdings - und sollte es auch tun - den Betrag der Regelspannung mit einem hochohmigen Voltmeter überwachen. Besser noch ist es, wenn man Betrag und Zustand an einem gleichspannungsgekoppelten Oszilloskop sichtbar macht. Bei einigermaßen stabilem Aufbau der Baugruppen und nach Einarbeitung mit diesem System genügen eine Kontrolle über den Empfänger und den Betrag der Regelspannung. Auf jeden Fall ist der Aufwand für diese PLL-Schaltung so gering im Vergleich zu dem Vorteil, mit einem Vervielfachersender SSB übertragen zu können, daß sich ein Versuch lohnt.

4. Die ZF-Methode

Von der Schaltung in Bild 2 ausgehend wurde eine weitere Variante erprobt, die Bild 4 zeigt. Hier erfolgt der Phasenvergleich auf der niedrigen, festen ZF des Empfängers. Allerdings muß die ZF vor dem Quarzfilter angezapft werden, was einen Eingriff in den Empfänger bedeutet.

Bild 4
Bild 4: PLL-SSB im 9-cm-Band, ausgehend von der (9-MHz-) ZF

Diese Schaltung erfordert nur eine SSB-Aufbereitung mit der gleichen Frequenz wie die Empfänger-ZF, also meistens 9 MHz; die Variation der Ausgangsfrequenz im SHF-Band erfolgt nämlich durch den VFO des Empfängers.

Hier ist es möglich, integrierte MOS-Schaltungen (niedriger Betriebsstrom!) einzusetzen, was bei der vorher vorgestellten "28-MHz-Methode" ein nochmaliges Mischen beider Frequenzen auf Frequenzen unter 5 MHz erfordern würde.

Wie aus den Blockbildern hervorgeht, ist der Vervielfachungsfaktor beliebig; wenn man von 1152 MHz ausgeht, braucht man für die Bänder bei 13 cm, 9 cm, 6 cm und 3 cm lediglich Antennen, Konverter und Sendevervielfacher zu wechseln!

5. SSB mit einem Gunn-oszillator

Nachdem die Versuche mit Vervielfachersendern - abgesehen von zu geringen Wirkungsgraden - erfolgreich verlaufen waren, wurde versucht, einen Gunn-Oszillator zu "rasten". Es erwies sich nämlich als zu umständlich, zu verabredeten 10-GHz-Verbindungen die gesamte Steueranlage zum Portabel-Standort mitzunehmen.

Es wurde der Gunn-Oszillator nach DL6MH(5) aufgebaut und zusätzlich mit einem GaAs-Varaktor zur elektronischen Abstimmung versehen. Mit der Teflonschraube bringt man die Frequenz in den Fangbereich der PLL; nach dem Fangen ist die Gunn-Frequenz ebenso stabil wie die des Überlagerungsoszillators im Konverter beziehungsweise wie die des SSB-Senders. Mit entsprechenden Gunn-Elementen lassen sich so einige hundert mW im 3-cm-Band erzeugen. Bild 5 zeigt die 10-GHzStation des Verfassers in Blockform.

Bild 5
Bild 5: PLL-SSB mit einem Gunn-Oszillator für 10368 MHz

6. Abschliessende Bemerkungen

PLL-SSB erscheint "breiter" als herkömmlich gemischte SSB. Das sollte aber in den kaum belegten SHF-Bändern nicht stören, zumal auch ein nicht exakt, das heißt mit Hilfe eines Spektrum-Analysators abgeglichener Varaktor-Aufwärtsmischer ein sehr häßliches Signal erzeugen kann! Außerdem sei angemerkt, daß auch das hier vorgestellte Verfahren nicht frei von Tücken ist. Die angegebenen Schaltungen sind mehr als Anregungen für eigene Überlegungen und Versuche, denn als durchentwickelte Nachbau-Anleitungen gedacht.

7. Literatur

  1. Lentz, R., DL3WR: SSB mit konstanter Amplitude - Zur Diskussion gestellt, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 4, Seite 244 - 249
  2. Heidemann, R., DC3QS: SSB-Sendemischer für die SHF-Bereiche, UKW-Berichte 18 (1978) Heft 2, Seite 105-115 und Heft 3, Seite 154-160
  3. Baier, P., DJ3YB: Hörvergleich zwischen Frequenz- und amplitudenmodulierten Betriebsarten, cq-DL 7/1980, Seite 306
  4. Timmann, K.P., DJ9ZR: Gezogener Quarzoszillator für 136, MHz UKW-Berichte 8 (1968) Heft 1, Seite 21 - 28
  5. Reithofer, S., DL6MH: Sende-Empfänger für das 10-GHz-Band, UKW-Berichte 19 (1979) Heft 2, Seite 88 - 95

DF7OF, Otto Frosinn.