|
Poznámky k článkům o problematice QRO na VKV II.díl požadavky na vysílače VKV z pohledu získání co nejlepší elektromagnetické slučitelnosti ve VKV závodech __________________________________________________________________________________________________ První díl tohoto článku najdete zde.
4) Fázový šum oscilátoru vysílače: Jak již bylo řečeno, každý obvodový prvek šumí. Tento šum může být amplitudový (nejčastější případ), nebo fázový, což nastává zejména u oscilátorů. Představme si VF oscilátor – jde vlastně o
zesilovač s kladnou zpětnou vazbou, který má ve větvi kladné zpětné vazby zařazen rezonanční obvod, na jehož kmitočtu se oscilátor rozkmitá. Ovšem
nezatížené Q rezonančního obvodu oscilátoru není nikdy nekonečné, tedy můžeme si ho představit jako náhradní obvod, složený z ideální bezeztrátové
indukčnosti (cívky) a kondenzátoru, zatížený paralelním odporem, který představuje ztráty rezonančního obvodu. Tento odpor pochopitelně šumí v souvislosti se svojí teplotou (podstatně vyšší, než teplota absolutní nuly) a
navíc šumí hodně, protože jeho hodnota je relativně vysoká (jednotky k?), a také protože provozní impedance rezonančního obvodu oscilátoru není nízká.
Další zdroj šumu představuje aktivní zesilovací prvek oscilátoru, který šumí, jako každý zesilovač. Tyto miniaturní „šumové generátory" jsou ovšem
zapojeny do laděného obvodu oscilátoru a ovlivňují nejenom okamžitou amplitudu jeho oscilací, ale také jeho fázi, protože jde o fázové vektorové
sčítání. Oscilátor je tedy fázově (a tedy vlastně také frekvenčně) modulován šumem v něm obsažených obvodových prvků. Výsledkem tedy je, že
kmitočtovým spektrem reálného oscilátoru nikdy není ideální jedna jediná spektrální čára, ale kmitočtové spektrum oscilátoru, které se parazitní šumovou
fázovou modulací „rozšiřuje". Toto šumové „kmitočtové rozšíření" signálu oscilátoru měříme obvykle v poměrových jednotkách dBC/Hz , což znamená
potlačení úrovně šumového signálu v dB oproti nosnému kmitočtu (C jako Carrier) s tím, že šířka postranního šumového spektra se přepočítává na šířku jednoho Hz. Protože výkon tohoto (nežádoucího) šumového okolí se vzdáleností od nosného kmitočtu oscilátoru klesá, vždy se pro údaj, kolik dBC/Hz fázového šumu daný oscilátor má, musí uvést, v jaké kmitočtové
vzdálenosti od nosného kmitočtu byl tento šumový výkon naměřen. V praktické situaci se lepší šumové parametry oscilátoru dosahují vyšším Q
rezonančního laděného obvodu a nízkým šumem navázaných aktivních prvků. Ty by navíc neměly rezonanční obvod zbytečně zatěžovat. Při konstruktérském
návrhu oscilátoru je zapotřebí dát pozor i na další faktory, které se mohou zdát neočekávané, jako je například (tzv. výstřelový nízkofrekvenční) šum
varikapů, ale také šum, které může do rezonančního obvodu vnášet nevhodně navržená smyčka fázového závěsu a třeba také parazitní magnetické pole, například od nějakého blízkého spínaného zdroje, či vnikání vf energie od antény… 126 –34 = 92 dB A proto ve vzdálenosti 10 km od vysílače (jehož signál je S9 + 87 dB) je fyzikálně zhola nemožné poslouchat 20 kHz od jeho kmitočtu, protože rušení na tomto kmitočtu bude ještě S9+. Při větší kmitočtové vzdálenosti se pochopitelně projev fázového šumu snižuje, protože výkon šumového pozadí oscilátoru se se vzdáleností od nosné zmenšuje. Je ovšem nutné si uvědomit, že „vyčištění" šumového pozadí oscilátoru vysílače ještě nemusí nic vyřešit, pokud přijímač protistanice má stejný (nebo ještě mnohem horší) šumové pozadí svého místního oscilátoru. Výsledek je totiž zcela obdobný: i pokud by vysílač byl ideální, bezšumový, přijímač si tento signál s pomocí šumového spektra vlastního oscilátoru přesměšuje tak, že „padne" do mezifrekvenčního filtru přijímače, ač je nosný kmitočet oscilátoru naladěn někde „jinde". Pro názornost, budou-li mít oba oscilátory (vysílače i přijímače) stejný výkon šumového pozadí, bude výsledný šumový výkon horší o 3 dB (dvojnásobek). Bude-li jeden z oscilátorů výrazně „čistší" , např. o 10 dB a více, je možno šumový příspěvek lepšího oscilátoru téměř zanedbat s ohledem na výkonové sčítání obou šumových spekter. Jak se šumové spektrum oscilátoru měří ? Poměrně špatně. K měření je nutné mít oscilátor s výrazně lepším (a známým) šumovým spektrem, než testovaný oscilátor, mezifrekvenční filtr měřicího přijímače o známé šířce a o stopbandu, který je výrazně větší, než odstup šumového spektra testovaného oscilátoru. Pochopitelně směšovač a ostatní vf obvody testovacího přijímače musí být schopny bez problémů zpracovat velmi vysokou dynamiku užitečné nosné vysílače. Následně změříme výkon šumového spektra, který prošel mezifrekvenčním filtrem a přepočítáme jej na jednotkovou šířku 1 Hz. Šumové pozadí oscilátoru nelze měřit spektrálním analyzátorem, protože ten má (s ohledem na požadované přeladění) prakticky vždy výrazně horší šumové spektrum vlastního konverzního oscilátoru, než je oscilátor testovaný. Jaký má fenomén fázového šumu oscilátorů praktické dopady na vzájemné rušení během závodů VKV ? Nutno říci, že mimořádně zásadní ! Jako transceivery se totiž dnes používají velmi často stroje, které lze (jako přijímač, ale to je pro tento účel totožné) přelaďovat nejenom přes pásmo 144-146 MHz, ale často 108 – 175 MHz. Jak asi bude vypadat v takovém případě Q laděného obvodu oscilátoru si lze představit…
Velmi jednoduchá orientační tabulka, ukazující přibližné hodnoty fázového šumu (pro odstup cca 20kHz od provozního kmitočtu) u některých zařízení, je zde: zařízení fázový šum dBC/Hz Tyto hodnoty jsou předpokládané na základě individuálních měření a údajů uvedených v literatuře. V budoucnu připravíme další měření, jehož výsledky zveřejníme. Máte-li zájem se dozvědět více, podívejte se na internet, například na stránky SM5BSZ http://www.sm5bsz.com/index.htm Předpokládané hodnoty rušení si pro Vaši konstelaci s využitím výše uvedených informací jistě dokážete spočítat sami. Fázový šum oscilátoru je vedle intermodulací vysílací cesty jedním z dominantních druhů vzájemného rušení, způsobených vysílačem, které lze na VKV pásmech vypozorovat. Jak odlišíme rušení způsobené fázovým šumem oscilátoru vysílače (a současně přijímače – pozor, sčítají se !) ? Existuje na to jednoduchý trik. Otestujme si vlastní přijímač tak, že si zhotovíme testovací krystalový oscilátor v pásmu 144 MHz s výstupním výkonem cca 1 mW (0 dBm). Připojíme-li ho na vstup našeho přijímače, uslyšíme inverzní směšování tohoto signálu s postranním šumem našeho oscilátoru. A pozor – moderní VKV transceivery s PLL mají obvykle v postranním šumovém spektru oscilátoru dominantní parazity (cca 1 až 2 dB nad postranním šumem), a to v kroku rastrovacího oscilátoru PLL (například 10 kHz). Při tomto testu se proto zaměříme na to, zda při příjmu silného a šumově čistého signálu uslyšíme zázněj s tímto parazitem. Pokud ano, narážíme již na fyzikální limity postranního šumu našeho vlastního oscilátoru přijímače. Při příjmu na pásmu potom snadno odlišíme, který druh rušení ze strany vysílače blízké silné stanicena pásmu dominuje. Pokud jsme schopni naladit parazitní zázněj ve stejném kroku, jako při testu s krystalovým oscilátorem, znamená to, že signál vysílače, který způsobuje rušení, je v pořádku, je čistý, jeho i postranní fázový šum oscilátoru a její intermodulace jsou nižší, než postranní fázový šum oscilátoru našeho zařízení. Potom si v případě, že nám tato stanice způsobuje obtížné rušení, můžeme nadávat jen sami sobě, že máme nevhodné zařízení. A opačně, pokud spletry, způsobené intermodulacemi vysílače výrazně překrývají projev postranního šumu oscilátoru našeho přijímače, zjištěné testem s krystalovým oscilátorem (hlavně v případě použití přebuzených tranzistorových budičů, napájených z malého napětí 12 V), máme do značné míry morální právo, žádat na protistanici, aby se nad svým zařízením hluboce zamyslela a zajistila potřebné zlepšení. Vždy však platí základní pravidlo – nejlepší je si toto všechno zjistit sami, nějaké druhé zařízení jistě máme a poslechnout si svůj vlastní vysílaný signál z protějšího kopce je nutno považovat za základní princip hamspiritu.
5) vf vazby – vnikání vf energie z antény do zesilovacího řetězce: Všichni tu situaci známe. Transceiver je umístěn ve stanu, nebo v plastovém karavanu, jen pár metrů nad transceiverem je anténa, do které pouštíme výkon stovek wattů… Co se může stát ? Vedle toho, že můžeme přijít o data v počítači a že náš organismus je vystavován elektromagnetickému poli, které vysoko přesahuje povolené hodnoty, je nejviditelnějším výsledkem to, že si okolní stanice stěžují na signál našeho vysílače. V čem je problém ? Silná vf energie indukuje v každém „kusu" drátu napětí v řádech voltů. Toto vf napětí proniká zpátky do transceiveru a ovlivňuje funkci jednotlivých obvodů. Vniká-li „jen" do modulačního zesilovače mikrofonu, je výsledkem horší srozumitelnost modulace, avšak mnohem horší (a obvyklejší) je, pokud se vf energie dostává do napájecích zdrojů, a to jak vně, tak i uvnitř transceiveru. To má za následek, že může dojít ke zpětné parazitní modulaci oscilátoru transceiveru, ovlivňování jeho PLL dolaďovací smyčky a výsledkem je vznik masivního rušení, způsobeného parazitní fázovou modulací oscilátoru vysílače. Situace je principiálně stejná, jako je popsáno v předcházejícím odstavci, avšak výsledek bývá v praxi mnohem horší. Pronikání vf energie do vnějšího stabilizovaného zdroje se budu věnovat dále.
6) Kliksy při CW provozu: Jsou nepříjemné až psychologicky zničující. Kliksy je možné rozdělit do dvou kategorií – jde o projev fázového šumu vysílače (a přijímače), čemuž jsem se již věnoval výše (či o nevhodné obvody AVC, či nesprávně pracující zapnutý vyklíčovač poruch na straně přijímače), nebo o „pravé kliksy" vzniklé nevhodnou konstrukcí transceiveru. Jen pár slov o tomto fenoménu. Zapínáme-li a vypínáme vf výkon v rytmu morseových značek, tedy klíčujeme-li nějaký obvod obdélníkovým signálem, výsledkem je podle pravidel Fourierovy transformace vznik teoreticky nekonečného množství harmonických kmitočtů (harmonické klíčovací frekvence), které rovněž modulují signál vysílače a způsobují rušení ostatním stanicím. Proto není možné jakýkoli obvod klíčovat přímo obdélníkovým signálem, ale je nutno používat v obvodu klíčování poměrně sofistikované filtry, nebo, a to je v amatérské konstruktérské praxi nejjednodušší, klíčovat takový stupeň, který je umístěn ještě před SSB filtrem vysílače, tedy často klíčovat nf oscilátor, který zpojíme do SSB modulátoru. Není to nejlepší, ale rozhodně to na pásmu napáchá méně paseky, než „ubastlený klíčovač" zapojený někam do obvodu mezifrekvence. V komerčních transceiverech jsou tyto obvody většinou vyřešeny velmi dobře, ale pozor! – pokud na pásmu uslyšíme vyvedené kliksy, nepůjde obvykle o projev nevhodného obvodu klíčovače, ale spíše o zpětné vnikání vf energie, popsané v předchozím odstavci, nebo o nějaký projev„hrubé chyby", diskutované výše.
7) spínané zdroje: Moderní spínané zdroje jsou příjemné, lehké, malé a účinné. Ale pozor - nejsou vhodné pro VKV závodění ! Proč ? Protože z principu činnosti obsahují obvody, které s velmi ostrými hranami spínají značné výkony, navíc s opakovacím kmitočtem desítek kHz, a jsou tedy obvykle zdrojem značného rušení. Výstupní napětí ze spínaného zdroje, které je například 13.8 V totiž obsahuje parazitní zbytkové střídavé napětí (jehlové impulsy) řádu desítek až stovek mV. Pokud takový zdroj přímo připojíme k transceiveru, pravděpodobně bude náš signál na pásmu trpět parazity s odstupem právě uvedených desítek kHz. Výkonový zesilovač v transceiveru je totiž obvykle připojený přímo k napájecímu napětí (v transceiveru není na nějaké filtrační obvody místo) což má za následek, že PA je parazitně amplitudově modulován zbytkovým střídavým napětím měniče. Dostane-li se na kolektor výkonového tranzistoru v PA jen napětí 1 mV bude výsledný parazitní kmitočtový produkt potlačen jen cca o produkt potlačen jen asi o 90 dB. Pokud nás protistanice na „druhém kopci" slyší
"jen" S9 + 60 dB, znamená to, že produkt způsobený spínaným zdrojem bude u ní cca S5, a to rozhodně rozčilí každého !
8) počítače na vysílacím stanovišti: Počítač, resp. jeho monitor s klasickou obrazovkou je vlastně také takovým spínaným zdrojem. Navíc ho nedáme „pod stůl". Monitor počítače je zdrojem mohutného rozptylového magnetického pole o kmitočtech cca 50 – 60 kHz z vychylovacích cívek obrazovky. Toto parazitní magnetické pole indukuje v okolních kabelech či kovových částech milivoltová napětí, která mohou způsobovat parazitní amplitudovou modulaci vysílaného signálu a tak vznik kmitočtových parazitů (při příjmu i vysílání).
Známé rčení „jez do polosyta, pij do polopita…" platí i pro užívání obvodů roger beepu. Známe to všichni – na SSB se nám stává, nejsme schopni přečíst velmi slabý signál vzdálené stanice, ale jediné, co od ní uslyšíme dokonale, je mohutný roger beep, který mnohokráte přesahuje úroveň hovorové modulace. Tato stanice v místním provozu ovšem své okolí mohutně ruší. Proč ? Není-li transceiver vybaven pravým vf modulačním omezovačem (vf kompresor), je zisk vysílacího řetězce počínaje mikrofonem a konče výstupem transceiveru regulován obvody ALC. Ty jsou ovšem optimalizovány pro hovorovou modulaci, nikoli pro roger beep. Pokud se tedy spolehneme na to, že signál roger beepu bude automaticky omezen obvody transceiveru a nemusíme tedy nastavovat jeho úroveň, opak je pravdou. Přebuzený transceiver je potom pochopitelně zdrojem masivního rušení v souladu s tím co je popsáno výše. Signál roger beepu by tedy měl být do modulačního vstupu navázán tak, že bude SLABŠÍ, než hovorová modulace (alespoň o 1). Teprve potom nebude náš pípací generátor zdrojem obtížného rušení pro ostatní místní stanice.
Jak by tedy mělo vypadat závodní vysílací zařízení pro VKV:
Mělo by začínat kvalitním transceiverem s kvalitním oscilátorem s malým fázovým šumem. Zařízení by mělo být vybaveno VF omezovačem (vf clipper). Transceiver by měl být nastaven tak, aby ALC obvody nebyly aktivovány. Výstupní výkon transceiveru by pro buzení následujícího zesilovače neměl přesáhnout 2/3 jmenovitého výstupního výkonu transceiveru. Transceiver by měl být napájen z klasického analogového stabilizovaného zdroje a chráněn proti vnikání VF energie od antény. Následující tranzistorový zesilovač (budič) by měl být nastaven tak, aby jeho vstupní PSV bylo menší, než 1,2 , měl by být pokud možno osazen tranzistory, které jsou provozovány při vyšším napájecím napětí, než 13.8 V, nejlépe V-MOSy. Pokud je osazen bipolárním tranzistorem, dbáme na to, aby měl zesilovač kvalitní zdroj předpětí báze s velmi malým výstupním odporem, který se při buzení nesmí „prolamovat" více, než o 0.05 V. Tranzistorový budič by měl být vždy napájen ze zdroje nominálního napětí (nikoli sníženého o jeden, či o dva volty), do kterého nevniká VF. Tento tranzistorový budič rovněž nevyužíváme pro buzení PA na více, než 2/3 jeho nominálního výstupního výkonu. Návazný „koncový" PA by měl pracovat do kvalitní antény s dobrým PSV (alespoň 1,3) a do antény by měl dodávat jen takový výkon, který při kontrole celého zesilovacího řetězce se od linearity vlivem komprese neodchyluje o více, než 1 dB. Výstupní výkon PA by měl být během celého závodu měřen pomocí wattmetru se špičkovým detektorem tak, aby bylo zajištěno, že zesilovací řetězec nebude v žádném režimu přebuzen. O způsobu správného nastavení zisku a maximálním povoleném lineárním výstupním výkonu (i když celá sestava může dát při buzení do limitace větší výstupní výkon !) musí být předem informováni všichni operátoři stanice. Před závodem nezapomeneme zkontrolovat, zda také předpětí první, případně druhé mřížky elektronky PA je stabilní a jeho úroveň není posouvána vnikáním VF energie. Také zkontrolujte, zdali všechny Zenerovy diody zdrojů předpětí v PA jsou řádně zablokovány elektrolytickými kondenzátory (protože jinak umí pěkně šumět). Na vysílacím pracovišti vedeme závodní deník v notebooku s LCD zobrazovačem a klasický monitor počítače raději ponecháme někde na druhém konci místnosti jen pro účely packet radio. Nakonec si vyjeďme s druhým, podobně kvalitním transceiverem asi 1 km daleko a zkusme si poslechnout vlastní signál. Na anténu typu dipól, nebo L/4 by náš signál neměl být širší, než cca ± 40 kHz , tedy v této kmitočtové vzdálenosti by již mělo být možno běžně navazovat spojení, i když šumové „dýchání" pásma vlivem fázového šumu oscilátoru vysílače (a současně přijímače) bude citelné do vzdálenosti cca ± 80 až 100 kHz. Ve vysílaném signálu nesmíme uslyšet žádné parazity o intenzitě vyšší, než cca 2 dB nad šumem. Pokud zajistíme všechny tyto předpoklady (nejlépe navzájem ve spolupráci s druhou lokální silnou stanicí), budeme překvapeni, jaké místo najednou na pásmu je a zjistíme, že mnohdy nás budou rušit více stanice ze vzdáleností několik desítek km, nebo stanice s výkonem řádu 10 W, které na tyto principy nedbají, než místní stanice s QRO, se kterou jsme měli až do této doby neustálé nepříjemnosti. Tolik poznámky k zajištění provozu QRO závodního vysílače podle principů technického hamspiritu. Příště se podíváme na problém vzájemného rušení z hlediska vhodnosti přijímačů. OK1VPZ
Část druhá – požadavky na přijímače: (bude zveřejněno na konci ledna 2002) 1) minimální rozeznatelný signál 2) stopband přijímače 3) blokování vf zesilovače přijímače 4) intermodulační odolnost přijímacího řetězce 5) fázový šum oscilátoru přijímače 6) obvody AVC 7) nízkofrekvenční zesilovač 8) „exotické" druhy rušení 9) konstruktérské doporučení _____________________________________________________________________________ David OK1RK na vysílacím pracovišti OK2KKW během VHF Contestu 2001: FT1000MP s transvertorem, vedle notebook se závodním logem, ovladač rotátoru a tranzistorový budič s V-MOSem
|
