Několik poznámek na téma předzesilovačů, šumového čísla, intermodulační odolnosti a provozu ve VKV závodech.

V české i zahraniční literatuře se v posledních několika letech vyrojila řada konstrukcí nízkošumových předzesilovačů s vysokým IP, které byly některými z jejich tvůrců (a možná ještě více jejich plagiátory) radioamatérské veřejnosti prezentovány jako nezbytná součást cesty k omezení vzájemného rušení QRO stanic ve VKV závodech při současném zachování, či ještě zvýšení citlivosti přijímacího zařízení, resp. snížení úrovně minimálně zpracovatelného signálu. Cílem tohoto příspěvku je pokusit se osvětlit tyto pověsti a mýty a vysvětlit, jaké efektivnější cesty mohou vést ke kýženému výsledku, kterým je méně rušení při více méně stejné reálné citlivosti contestového zařízení.       

V současnosti jsou "hitem" návody na "úžasné" předzesilovače se šumovým číslem pod 0.3 dB (někdy naměřená s přesností na setiny dB, hi) a vstupním IP například +8dBm a více. Nedosti na tom, že měření těchto předzesilovačů jsou často dost sporná, tyto konstrukce bývají čas od času rovněž prezentovány také jako "zaručeně dokonalá jednoduchá řešení", postavená na "nejposlednějších technologických výdobytcích", bez kterých se naprosto nemůžete obejít, abyste se zbavili rušení na pásmu a byli tzv. "in". Jak už to v praktickém životě bývá, není všechno zlato, co se třpytí... A tak přijímejte tyto informace raději se zdravou skepsí a sami se nad věcí samou hlouběji zamyslete. Přijímáte snad slabé signály jen na předzesilovač, nebo přitom používáte i transceiver?... Zkrátka - nejlepší odměnou vám bude pochopení širších souvislostí, úspora času a financí, jinak ztracených při opakování cizích omylů.

Opusťme nyní filosofování a podívejme se na věci na kloub:

1) Začněme od Adama: Co to je IP?

V případě, že se na vstupu jakéhokoli nelineárního prvku (například zesilovače) objeví směsice dvou a více signálů, začnou být tyto signály na této nelinearitě násobeny a směšovány. Jako výsledek se na výstupu takového nelineárního prvku objeví nové signály, které nebyly obsaženy ve vstupním kmitočtovém spektru. Typický příklad mechanismu vzniku takových produktů je zde:

Obrázek spektra a intermodulačních produktů 3 řádu:

(f1 x 3) - (f2 x 2) = f5    (f1 x 2) - f2 = f3                (f2 x 2) - f1 = f4    (f2 x 3) - (f1 x 2) = f6         atd, atd...

Energeticky nejvýznamnější jsou produkty 3. řádu (f3 a f4). Jejich energetická úroveň stoupá se směrnicí 3, pokud tedy zvedneme úroveň signálů f1 a f2 o 1 dB, zvýší se úroveň f3 o 3 dB, tedy o 2 dB více. Samozřejmě ty původní signály f1 a f2 jsou mnohem silnější, než produkty f3 a f4. Nicméně, protože se zvyšováním úrovně vstupních signálů roste úroveň těchto produktů rychleji, než přibývá úrovně f1 a f2, můžeme si představit teoretickou situaci, že úroveň signálů f3 a f4 někdy dosáhne úrovně f1 a f2. A právě tomuto imaginárnímu bodu se říká IP, neboli Intercept point, česky průsečík. V praxi ovšem k takové situaci nikdy nemůže dojít, protože dříve, než by úroveň produktů 3 řádu dosáhla úrovně užitečných signálů, bude zesilovací prvek brutálně přebuzen, vstupní signály zalimitovány a při jejich dalším zvyšování se jejich úrovně na výstupu již nebudou zvyšovat. Bod IP je tedy spíše jen teoretickou hodnotou, kterou dostaneme jako průsečík extrapolace směrnic nárůstu užitečných signálů a jejich intermodulačních produktů.

Obrázek směrnic užitečného signálu a intermodulačního produktu a jejich imaginární průsečík - bod IP.

Pochopitelně, na výstupu zesilovače se objeví i řada dalších intermodulačních produktů. Jsou to m.j. zejména sudé produkty druhého a vyšších řádů, které jsou vlastně součtovými a rozdílovými produkty, například podle obrázku výše f1 + f2 = f7 apod. Ovšem tyto produkty padají kmitočtově velmi daleko od vstupních signálů a proto mechanismus jejich působení je jiný.
 

2) jak to vypadá v praxi?

Jak zní staré přísloví: "šedá je každá teorie, zelený strom života". Radioamatéři si toto přísloví zvulgarizovali na "signál protistanice posloucháme na sluchátka, ne na IP". Jinak řečeno, výše uvedený teoretický příklad je opravdu teorie a v praxi se vlastně vždy setkáme se situací, která je samozřejmě mnohem komplikovanější. Uvedu jen několik nejpodstatnějších rozdílů:

• síla vstupních signálů od okolních protistanic v čase velice kolísá
   

• jejich úroveň je strmě závislá na směrování antén vlastních i protistanice
   

• na VKV pásmech je silných a zároveň natolik spektrálně čistých signálů nejbližších stanic, aby jejich intermodulační produkty skutečně   mohly způsobit rušení příjmu slabé protistanice (na rozdíl od KV) relativně velice málo, takže s ohledem na šířku DX pásma, kde se odehrává VKV contestový provoz, je pravděpodobnost vzniku takového rušení poměrně velmi malá - respektive rozhodně mnohem méně pravděpodobnější, než vznik jiného druhu vzájemného rušení od nejbližších stanic -viz např. zde, zde, zde a také zde a zde. 
   

• vznik a úroveň intermodulačních produktů vzniklých v přijímači jako výsledek působení dvou silných signálů blízkých stanic (rozpoznáme to podle charakteristického jevu, kterým je parazitní příjem, u kterého slyšíme jakoby smíchání modulací dvou různých stanic a který zmizí, pokud kterákoli z těchto dvou stanic přestane vysílat) v praxi  závisí nejenom na hodnotě IP vstupního předzesilovače, jak by se mohlo zdát z oslavných prezentací na téma nových konstrukcí předzesilovačů, ale je především výsledkem intermodulační odolnosti (prezentované hodnotou IP) celého řetězce přijímacího zařízení - tedy počínaje anténou a konče filtrem, obvykle mezifrekvenčním a krystalovým, který do dalších obvodů přijímače již silné signály blízkých stanic nepustí.

A tak, aby se dala porovnávat intermodulační odolnost zařízení různých výrobců, zavedl se parametr tzv. "intermodulačního blokovacího rozsahu", tedy "česky" IMD blocking range, což je vlastně odstup v dB od úrovně dvou silných signálů f1 a f2, které svým intermodulačním působením v zařízení vytvoří produkt (f3 a f4), který může "přikrýt" užitečný signál na hranici slyšitelnosti, či lépe "rozeznatelnosti (viz popis dále). Tato hodnota by proto měla být nadále mnohem efektivnějším měřítkem pro hodnocení zařízení a měla by nás mělo zajímat mnohem více, než ta poněkud  akademická hodnota vstupního IP. Je to totiž parametr, který z principu věci hodnotí celé přijímací zařízení a ne jen jeden zesilovací stupeň (předzesilovač), vytržený z kontextu.

3) Co z toho plyne?

Pokud si představíme (nadále budeme tuto problematiku sledovat na nejpopulárnějším pásmu 144MHz, ale na jiných pásmech je to totožné) přijímací řetězec, tedy anténu, koaxiální relé, předzesilovač s nějakým ziskem, kabel s konektory a transceiver, který obsahuje obvykle přepínací diody na vstupu přijímače, nějaký vstupní zesilovač, směšovač a první MF zesilovač, následovaný obvykle MF krystalovým filtrem, vidíme, že z hlediska vzniku intermodulačních produktů budou nejvíce podezřelé obvody v transceiveru, protože ty musí zpracovávat celé spektrum vstupních signálů, navíc zesílených předzesilovačem.

Pokud se pro názornost vrátíme k vyjádření intermodulační odolnosti celého přijímacího řetězce v hodnotách IP, zjistíme, že bude-li mít například samotný transceiver vstupní IP okolo -15dBm (např. TS2000) a před ním bude navíc zařazen nízkošumový předzesilovač se ziskem například 16 dB a vstupním IP alespoň o 10 a více dB lepším, než IP transceiveru (tedy například -6dBm), bude intermodulační příspěvek předzesilovače již energeticky zcela zanedbatelný a prakticky veškeré intermodulační produkty budou vznikat ve vstupních obvodech transceiveru, protože celkové vstupní IP takového přijímacího řetězce se bude pohybovat okolo -30 dBm a hůře.

Výsledkem tohoto fyzikálního faktu je to, že pokud máme na stole reálný komerční transceiver, jehož hodnota vstupního IP se může pohybovat třeba někde v rozmezí mezi -16 až - 6dBm a před něj zapojíme předzesilovač se ziskem například 16 dB, je z hlediska vzniku intermodulačního rušení od ostatních radioamatérských stanic na pásmu úplně jedno, jaká bude intermodulační odolnost tohoto předzesilovače, prezentovaná jeho vstupním IP. Tedy pokud ovšem nebude horší, než cca:

Požadované vstupní IP předzesilovače  ≥  (vstupní IP transceiveru) - (zisk předzesilovače) + 10 dB

Je zřejmé, že pro sestavu běžný transceiver a předzesilovač se ziskem 13 a více dB většinou zcela vystačíme se vstupním IP předzesilovače okolo 0dBm a to nám dnešní moderní tranzistory budou splňovat téměř všechny. Nebo ještě jinak: to, jestli má náš předzesilovač vstupní IP -3 nebo +9 dBm je pro praktický provoz ve VKV závodě (z pohledu rušení od intermodulačního rušení ze strany dalších soutěžících stanic) hodnota úplně lhostejná. Ostatně podívejme se na reálná měření:

Tabulka 1: minimální rozeznatelný signál, tzv. blokovací intermodulační rozsah a hodnota vstupního IP3 běžných transceiverů (na 144MHz):
 

Tabulka 2: hodnota vstupního IP  (+ zisku a šumového čísla) dvou samotných předzesilovačů s běžnými tranzistory: (KF910, MGF1302)

Tabulka 3: hodnota intermodulační odolnosti sestavy transceiver a předzesilovačů s různou hodnotou IP  (-4 a +5dBm):

Na údajích v tabulce 3 tedy vidíme velmi pěkně, že ačkoli jsou před transceiverem zařazeny předzesilovače s velmi různou hodnotou IP, na výslednou intermodulační odolnost celé sestavy předzesilovač a transceiver to má v rámci jednoho radioamatérského pásma zcela zanedbatelný vliv a případné odchylky jsou tak malé, že jejich případné rozdíly nejsou v rámci přesnosti měření rozpoznatelné. Asi rovněž překvapí zcela zanedbatelný rozdíl úrovně tzv. minimálně rozeznatelného vstupního signálu (MDS).

A tak je namístě otázka: stojí vám tento rozdíl za nemalou investici do extrémně nízkošumového předzesilovače s mimořádně vysokým IP? Případná investice do kvalitního anténního relé (a sekvenceru) spojená se změnou umístění vašeho běžného předzesilovače (jeho přemístění od zařízení přímo k anténě) bude mít v praxi pozitivní vliv nepochybně mnohem, mnohem větší...

4) A není v tom ještě nějaký háček?

Podle výše uvedených závěrů by se mohlo zdát, že používání předzesilovačů s extrémně vysokým vstupním IP je vlastně holý nesmysl (a ono to tak také v praxi často je) a zdaleka nejlepším předzesilovačem pro VKV závody je co nejkratší a co nejsilnější koaxiální kabel, což mimochodem platí obecně - viz například závěry, uvedené v článku na podobné téma zde.

Ale...

Tohleto "ale" totiž plyne z faktu, že VKV soutěžní stanice obvykle z principu věci vyhledávají autem sjízdné vysoké kopce se silnou, nejlépe třífázovou přípojkou elektrické energie. A na takových kopcích jsou rovněž další vysílače s desítkami a stovkami kW vyzářeného výkonu. Sice v jiných VKV pásmech, ale také na VKV. A jejich signály se pochopitelně také dostanou i na vstup předzesilovače a následně transceiveru. Tyhle signály mají navíc někdy tak šikovné kmitočtové rozmístění, že jejich intermodulační produkty druhého, nebo třetího řádu mohou padnout přímo do amatérského pásma. Některé z kopců tak již získaly pověst "zarušených kót" kam nemá ani smysl jezdit, další to s postupným přechodem na digitální TV vysílání ještě čeká. Co s tím? Řešení je relativně jednoduché - před první zesilovač v přijímací cestě je nutno zařadit vhodný filtr (viz např. zde, zde, zde, zde), který dostatečně (alesoň o desítky dB) potlačí úroveň nežádoucích signálů od lokálního vysílače a zároveň vnese jen zanedbatelný útlum v rámci příslušného radioamatérského VKV pásma. To se pěkně říká, ale doma na koleně dělá docela špatně. Tedy hlavně ten zanedbatelný průchozí útlum a mechanická a teplotní stabilita pro práci na přechodném QTH ...

A tak přichází na pořad další - tentokrát vlastně tak trochu obvodově "nouzová" varianta. Zařazením reálného vstupního filtru podle předchozího odstavce na vstup předzesilovače se totiž sice eliminovalo rušení, ale zároveň jsme mohli díky průchozímu útlumu filtru přestat slyšet signály na úrovni šumu - a tedy v závodě ztrácíme ta nejlepší spojení. Řešením této situace bude, jak jinak, kompromis mezi oběma výše uvedenými případy. Přijímací řetězec bude nyní začínat předzesilovačem s málo selektivním vstupním obvodem pro dosažení co nejlepšího šumového čísla a teprve za ním bude následovat ostrý filtr (viz např. zde, zde), který zajistí, že na vstup transceiveru se nedostanou mimopásmové (zejména ty silné rozhlasové a TV) signály, které by mohly na jeho přijímacích obvodech intermodulovat. Pěkné, ale...

A toto "ale" je přesně ta prakticky jediná situace, kdy je zapotřebí mít předzesilovače s extrémně vysokou hodnotou vstupního IP, protože tento předzesilovač bude muset vedle signálů z radioamatérského pásma lineárně zesilovat ještě mimořádně silné signály vysílačů profesionálních a komerčních služeb. Samozřejmě fyzika platí i zde a proto je zapotřebí takový systém opět měřit jako celek - tedy včetně zařazeného filtru. Může se totiž stát, že ten "zázračný" předzesilovač s extrémně vysokým IP, na jehož výstupu ale bude zařazen vysoce selektivní filtr, jenž má z principu vysoké vstupní PSV pro všechny  kmitočty mimo vybrané části radioamatérského pásma, zase (na rozdíl od laboratorního měření, kdy je výstup předzesilovače širokopásmově zakončen reálnou impedancí měřicího přístroje) na těch kritických kmitočtech TV a R vysílačů moc vysoké IP mít nebude. A to ještě v tom lepším případě - v tom horším totiž může nízkošumový předzesilovač, zapojený do takové zátěže s nekonečně vysokým PSV začít někde i kmitat. A potom toho na takové, elektronickým smogem "zamořené" kótě už opravdu mnoho neuslyšíme ..

Ale to už je zase jiná historie, že...

Takže nashledanou zase příště u nějakého toho dalšího volného pokračování tohoto seriálu úvah, týkajících se HW na VKV radioamatérských pásmech. A pamatujte, že tak jako v životě, tak i tady naleznete nejbližší pomocnou ruku nejlépe na konci svého ramene a optimální řešení vašich problémů v tom výpočetním systému, který nosíte mezi ušima :-).

73! OK1VPZ