UHF ontvangers met hoog dynamisch bereik, en de bijbehorende

UHF ontvangers met hoog
dynamisch bereik, en de
bijbehorende zenders.
Waarom deze lezing
Je hoort of leest regelmatig de vraag, zijn er
nog goede filters want ik heb storing. Zoals
een zendamateur bij Rotterdam dat last had
van een zender op 5km afstand, en dat
werkte op 425MHz.
2012: ontwikkeling hf systemen
Dutchview MBS wilde moderniseren.
Hadden 4x motorola in 3HE 19” rack,
ontvangers en breedband repeater enz
in een half 3HE 19” rack. Na
modernisering slechts ruimte voor 1
rack terwijl er twee mobilofoons bij
moesten.
Problemen huidige apparatuur
Overspraak tussen de mobilofoons.
slechte selectiviteit ontvangers.
Warmte stuwing bij continu gebruik.
Slechte audio kwaliteit (smalband)
Gebruik in de praktijk:
Vliegend repeaterstation in Helicopter of vliegtuig:
Zeer beperkte ruimte, zeker voor de antennes,
vrijwel alles wordt gecombineerd naar zo min mogelijk
antennes.
Complete station heeft namelijk het volgende aan boord.
3x (4x) 2,3 GHz video ontvanger en na multiplexing een 7
GHz zender.
6x Mobilofoon, meestal op zenden, TI op PTT,
8x UHF ontvanger
1x breedband ontvanger (diversity) en breedband zender.
Soms in vliegtuig samenwerking met radio. Dan extra
breedband ontvangers en UHF retourzenders die continu
aan staan.
Foto repeater rack
Ontwerpfase:
Zenders met zo min mogelijk breedband ruis /
faseruis uit oscillator
Ontvangers met hoog dynamisch
bereik en lage faseruis uit oscillator
Audio kwaliteit en signaal ruis voor smalband,
EIS is 40 dB volgens CCITT kromme, gevraagd
45 a50dB en recht van 200Hz-3kHz
Audio:
In de praktijk werken standaard mobilofoons
met een kromme audio karakteristiek.
Dit is soms een afgevlakte CCITT karakteristiek,
meestal recht tussen 800 Hz – 2 kHz.
300 Hz rond een -6 dB, 2550 Hz -3dB.
(betere verstaanbaarheid bij zwak signaal)
Deze curve klinkt schel, en geeft zeker
bij mannen een vertekend beeld
waardoor met het audio in volume
gaat opdraaien tot ver boven de
maximale toegestane waarde (arbo),
reden, men compenseert de afval
richting 200 a 300Hz.
(Grondfrequentie mannelijke stem)
Oplossing
De echte oplossing zou breedband zijn, echter
daar is geen frequentieruimte voor. Maar we
vonden toch een oplossing:
Minder zwaai en van 200 Hz naar 3 kHz recht !!
signaal ruis met CCITT rond de 55dB,
ongewogen 45 a 48dB.
Praktijk, gebruiker zet het volume rond de 10dB
zachter voor goede verstaanbaarheid
Ontwerpfase zender
Als eerste pakte ik de zender aan, hier
kon ik putten uit een eerdere ervaring.
Het belangrijkste was de HF immuniteit.
Ik had eerder een zender laten maken
die op de testbank goed werkte maar in
de praktijk slecht fungeerde,
reden, gevoelig voor HF terugwerking.
Dat was een zender waar je geen
antenne aan mocht hangen. !!
Na het debacle van iets laten maken had ik reeds een
zender module gemaakt met interne controller en met
16 preset kanalen, nu voor Dutchview moest alles
extern worden gedaan.
Tevens moest er een ontvanger ingezet worden.
(mobilofoon)
Aardingen in de zender unit goed onder de loep
nemen. Hoe beter de aarde, hoe minder HF straling,
des te minder gevoelig voor andere straling,
bijvoorbeeld eigen straling via bewegende metalen
delen gereflecteerd. (kraak).
Ontwerp koud op aluminium bodem.
De ontvanger:
Het IF verhaal is eigenlijk een standaard verhaal.
Eerst 45 MHz, daarna 455 kHz. Ga je van 430 MHz uit,
IF 45 MHz zit je spiegel op 90 MHz afstand, de SAW
filters onderdrukken dat per filter 50 dB of meer. (2x)
maar er is een andere spiegel. 45 – 2x 455 kHz is 910
kHz. Dat is een inband dus moet je een goed IF filter
nemen.
Gekozen is voor een dubbel filter 45F12B.
910k spiegel beter dan 80dB.
Dit soort schakelingen heb ik vroeger vaker
gemaakt, dus een IF print opgebouwd en gekeken
wat de gevoeligheid is. De mixer, een medium
level diode ring mixer is 50 Ohm uit, het filter 910
Ohm in, dus een dubbel fet driver (2x J310
parallel) dat 50 Ohm in is, rond de 1k uit.
Gevoeligheid was iets beter dan 1 uV (-107 dBm)
voor 20 dB sinad.
Dat is dus de gevoeligheid van de IF strip
achter de mixer.
Frontend:
Voor het maken van een goed frontend waren enkele
gegevens bekend. Gevoeligheid IF, demping mixer,
gewenste gevoeligheid. -115 – 107 – 7 maakt 15dB.
Een SAW filter doet bij benadering 2,5 dB demping. Het
filter voor de preamp is verslechtering ruisgetal, het
filter er na niet mits niet te veel.
Ik had een versterker nodig die het liefst 3dB meer
verstekt dan het verschil 107-115 (=8)
en de mixer (=7) en filter (=3) dus 8+7+3 = 18dB
Maar dan ook het liefst een component met lage ruis
en groot dynamisch bereik.
mixer
Ik had ervaring met de SPF5043 op 13cm.
Gevoelig, en een groot dynamisch bereik. Op
430 MHz blijkt de MMIC een ruisgetal van 0,6dB
te hebben, een gain van 21 dB en een uitgangs
interceptpoint van 33 dBm te hebben.
Optimaal, lage ruis, goede gain en hoog
dynamisch bereik.
De mixer zelf heeft 50 mWatt LO drive nodig en
een ingangs IP van 24.5 dBm. Ondanks dat de
mixer een medium level is, is dit de beperkende
factor in het hele ontwerp geworden.
Interceptpunt ontvanger
Het intercept punt van de ontvanger
is in mijn geval 24.5 dBm minus de
gain van het frontend en SAW filters.
Dit komt op 24,5 dBm -21 (gain) + 5
(2x SAW) = 8.5 dBm
Maar er is meer dan alleen IP3
LO Drive
De LO drive is een verhaal apart.
Gewenste frequentie afwijking 500 Hz.
Veraf selectiviteit van de ontvanger zo hoog
mogelijk.
Dit heeft gevolgen voor de ruis uit de
oscillator. Die moet zo laag mogelijk liggen.
Een leuk component zoals de SI570 serie
voldoet bij lange na niet. Reden !!
Stabiliteit standaard 20PPM, de duurdere
modellen 7 ppm vast
Kijken we naar de faseruis van de alom
bekende SI571
Wat doet dat in 12,5 kHz bandbreedte
• In een 12,5 kHz bandbreedte (IF 10kHz)
mogen we bij die faseruis 40dB optellen. De
fase ruis wordt namelijk in 1 Hz bandbreedte
gegeven.
• Op 1 MHz afstand is de faseruis -135 dB + 40 =
95dB ruisvloer afstand door de oscillator.
En een gewoon VCO
• Zetten we dit af t.o.v. een conventioneel VCO,
dan is de frequentie afwijking via een TCXO in
te stellen, 2,5 PPM zal dan voldoen. Maar het
grote verschil zit hem in de faseruis, die ruim
21 dB per decade frequentiestap verbeterd.
• (1 MHz naar 10 MHz is 21dB)
Ruisplaatsje van een minicircuits VCO
Wat betekend dit voor sterke
signalen op afstand
De ontvanger met VCO in 12,5 kHz bandbreedte, is omgerekend 40dB/Hz
dus -161 op 1MHz betekend een ruisvloer van – 121 dB.
Voor normaal gebruik bruikbaar, want in dit geval kan er een zender vlak
naast de ontvanger staan.
Zeker als je weet dat normaal men werkt op 417, 419, 427 en of 429 MHz
Uiteindelijk is er voor een VCO gekozen. De output versterkt met een
MMIC, ABA53643 welke 21 dB versterking geeft, 17.5 dBm output
(55mWatt) en een hoge isolatie. (Terugvloeien van signaal.)
De PLL is een ADF4118 met als referentie een 2,5ppm VCXO.
Deze schakeling is redelijk compact op te bouwen, en dat wordt later
belangrijk.
Nu waren de zender en ontvanger opgebouwd, tijd om eens te meten.
Zender, 5 Watt of 1 Watt uit. Voeding 12.5V (uit 28V boordspanning)
Signaal ruis smalband > 48 dB ongewogen.
Spurious < 0,25 uWatt (-36 dBm)
Kanaalraster 12,5 kHz
Bereik 412 – 430 of 440 – 470 MHz
Ontvanger gevoeligheid 0,4 uV 20dB sinad (is ongeveer 0,2uV voor 12 dB sinad)
Kanaalraster 12,5 kHz
Spiegel beter dan 90 dB
Intermodulatie 3e orde op 4 en 8 MHz 80 dB voor 20dB sinad.
Blocking, beter dan 111 dB, kon niet meer signaal maken, generator ruist te veel.
Blocking was zender 5 Watt via 20dB verzwakker en 20dB coupler direct op de
ontvanger ingang. Komt overeen met 10 meter afstand tussen zender en ontvanger
met 0dB antennes.
Deel 2 (4 UHF ontvangers in één module)
Het meest lastige moest nog komen. 4
ontvangers in één module. Het oude
systeem waren 4 losse blikjes samen
gebouwd met externe spitters enz.
Door de slechte overspraak veel last van
storingen. Effect als volgt. Ontvanger 1
ontvangt een sterk signaal, ontvanger 2
staat op standbij maar door de LO
overspraak gaat RX 2 toch open, en
wel het signaal van 1. Overspraak lag
rond de 40 a 50dB
Door van alle PLL’s de data en clock parallel te zetten, maar de enable
te schakelen kan je de verschillende PLL’s besturen.
De unit is opgebouwd uit een mainboard met verdeler, pre-amp en
processor.
Eerst geprobeerd om meerdere ontvangers op de main print te krijgen,
maar had al snel door dat de overspraak niet haalbaar was.
Toen voor een duurdere oplossing gekozen, een blok aluminium met 4
kamers en hierin de ontvangers. In elke kamer een ontvanger.
Dit werkte goed en productie technisch eenvoudiger.
Wel is het zo omdat er voor de splitter (demping 7dB) een
voorversterker zit, dit wordt gecompenseerd met twee
verzwakkers, 3 en 6 dB.
Dit houdt de totale gain voor de mixer beperkt zonder de
gevoeligheid aan te tasten.
De intermodulatie zakt iets tot een 78 dB. (nog zeer acceptabel.)
De isolatie ligt rond de 35 a 40 dB als de behuizing open is, maar
gesloten boven de 80dB.
Ruisgetallen voor aardse
verbindingen.
Weet iemand mij het verschil te
noemen voor aardse verbindingen
tussen een voorversterker met 0,4 dB
ruis en één met 2,5 a 3 dB ruis.
Anders dan de prijs.
Zendamateurs willen het beste van het beste,
maar heeft het nut. In de tijd als amateur had ik
een groot antenne systeem voor 70cm, kon deze
eleveren enz. De pre-amp was een BFR93,
ruisgetal rond de 2,5 a 3dB. (slecht hè) en koste
een gulden of 2 aan componenten.
Een vriend van me had een MGF1400 versterker
gekocht, ruisgetal 0,4dB en koste dik 500 gulden.
Maar wat heeft dit voor aardse verbindingen
voor nut ??
Als referentie werd de koude hemel gekozen.
Antenne via relais in een A/B schakeling.
BFR93
MGF
Hemel zon
0
0
aarde
6.5
8.5
1
3
Het baken HB9F was altijd te ontvangen, meestal een mooi
constant signaal.
Kunnen jullie mij vertellen wat het verschil was tussen de
BFR93 en de MGF in ontvangst van HB9F ?
BFR93
MGF
5,5 dB boven de (aard)ruis
5,5 dB boven de (aard)ruis.