Rušení v pásmu 2 m a radiové parametry zahraničních zařízení
 
(Kopie článku ze sborníku VKV setkání Znojmo 1989)

OK1VPZ

Tento příspěvek si klade za cíl seznámit radioamatérskou veřejnost s těmi radiovými parametry zahraničních komerčních zařízení pro pásmo 144 MHz, které mají klíčový vliv na vzájemné rušení mezi blízkými stanicemi.

Protože podle odhadu už asi třetina československých stanic (v roce 1989), které se zúčastňují aktivně závodního provozu CW a SSB, používá dovezená zařízení, jistě nebude na škodu seznámit se s některými jejich parametry.
Příspěvek je věnován pásmu 144 MHz, protože na tomto pásmu jsou v současné době tyto problémy nejožehavější. Je to z důvodu, že v pásmech KV je dynamika přijímaných signálů až o 30 dB menší než na 2m, protože vyzářený výkon je limitován rozměry antén a využitelná citlivost přijímače šumem a hluky KV pásem. Naopak na vyšších VKV pásmech (počínaje 432 MHz) je výrazně menší počet stanic a značně směrovější antény - tedy - podstatně menší pravděpodobnost vzájemného rušení.

Především je nutno říci, že získáním zahraničního komerčního zařízení většinou končí mnohé problémy na straně uživatele a prakticky vždy zaznamená provoz s takovým zařízení kvalitativní krok kupředu. Přes všechno však tím všechny problémy nekončí, ba často spíše se vyhrocují, protože v lidské povaze už je to tak zařízeno, že stížnosti protistanic na nekvalitní vysílání s naším novým, drahým a tím pádem dokonalým zařízením jsou samozřejmě způsobeny pouze na straně protistanice, i když v minulosti jsme eventuelně byli i ochotni připustit, že v některých případech se naše staré, doma zhotovené zařízení mohlo stát příčinou vzájemného rušení. Kde je tedy pravda?
Pokud rozdělíme otázku na dva problémy, je nutno konstatovat, že všechna komerční zařízení beze zbytku a s rezervou splňují požadavky na parazitní vyzařování stanovené radiokomunikačním řádem a příslušnými národnímu předpisy (u nás např. ČSN 367110). Je to z důvodu požadavku elektromagnetické slučitelnosti s jinými službami (např. televize, letecká, pohyblivá atd.) a bez splnění těchto předpisů by nemohla být výroba a prodej takových zařízení vůbec povolena. Na druhé straně však je nutné říci, a na základě mnoha měření mohu tvrdit, že většina československých doma postavených zařízení tyto předpisy hrubě nesplňuje a jen málo z nich stěží splňuje elementární technické požadavky Povolovacích podmínek. (Dovolte mi složit poklonu těm amatérským konstruktérům, kterých se tento odstavec netýká!) V praxi jde zejména o různé druhy parazitních kmitání, vyzařování signálu místního oscilátoru, zrcadlových signálů a harmonického vyzařování, způsobené hlavně nechutí k amatérské konstrukci filtrů jakéhokoli druhu. Druhým okruhem problémů je parazitní vyzařování uvnitř radioamatérského pásma, kdy k vzájemnému rušení dochází mezi neprofesionálními stanicemi. V této oblasti už nejsou poměry u amatérských zařízení tak kritické - pokud v zařízení něco nekmitá.

Rušení (brutální) na pásmu způsobené amatérskými zařízeními je skutečně způsobené převážně parazitním kmitáním některého stupně vysílače (někdy je takových zakmitávání i více). Jestliže dojde k silnému vzájemnému rušení 2 stanic, které jsou od sebe vzdáleny přes 30 km, jde s vysokou pravděpodobností o tento druh rušení (může k němu docházet i v přijímači).Charakteristickým jevem tohoto rušení je, že maximum “spletrů“ (kliksů) je od hlavního signálu většinou poněkud kmitočtově vzdáleno a jeho úroveň se i daleko od nosného kmitočtu výrazně nezmenšuje. Pokud je totiž vysílací cesta buzena amplitudově proměnným signálem (SSB) přelaďují se většinou parazitní produkty přes pásmo se všemi neblahými následky. Příkladem může být např. kmitání směšovače vysílače transceiveru Kentaur, které je jedním z mála slabých míst jinak dobrého zařízení.

Více např. lit. /1/ /2/. Dalším zdrojem rušení bývají u amatérských zařízení většinou špatně filtrované měniče napětí, které produkují ve výstupním signálu diskrétní spektrální čáry v rozestupu opakovacího kmitočtu měniče. Častou chybou je také použití koncového stupně ve třídě C pro vysílání CW. Zesilovací prvky PA totiž pracují ve spínacím režimu, což samozřejmě produkuje velice silné kliksy. Nic potom nemůže pomoci ideálně tvarovaná cw značka z budiče, a proto takové PA rozhodně nepatří do závodu. Uvedené druhy rušení se u komerčních výrobků prakticky nevyskytují.

Rušení na pásmu způsobené komerčními zařízeními se většinou v praxi projevují až při menší vzdálenosti mezi stanicemi a pro další popis je rozdělíme podle obvodů, kde vznikají.

a) Vstupní jednotka přijímače
- typickým obvodovým zapojením současnosti je vstupní jednotka osazená dvěma dvoubázovými FETy.(Podobně jako u Kentaura). Toto zapojení se přes svoje mnohé negativní vlastnosti používá déle než 15 let téměř u všech komerčních zařízení. (S výjimkou několika nejdražších - např. IC-275, FT-736). .Jeho běžné vlastnosti jsou:
Zisk:                                       20 dB
Šumové číslo:                       3 - 7 dB
Intermodulační odolnost (IP) -25 ÷ -15 dBm

Horší šumové číslo je i u nových zařízení ( s GaAsFETem na vstupu) způsobené převážně průchozím útlumem diodového přepínače příjem - vysílání s výkonovými diodami PIN.

Z hlediska vzájemného rušení na pásmu se uplatňuje převážně parametr intermodulační odolnosti (u amatérských zařízení však převážně kmitání jednoho z FETů na neošetřeném druhém hradle - viz. lit /2/). Na tomto místě je nutné zdůraznit, že jediná jakkoli silná stanice nemůže způsobit intermodulace, ale pouze zablokování přijímače, kdy se extremně silným signálem řádu 100 mV posouvají pracovní body zesilovačů, silný signál obchází krystalový filtr a ovlivňuje AVC, čímž dojde k “otupení“ přijímače, které se projevuje (pokud záměrně zanedbáme jiné, současně působící fenomény rušení) poklesem šumu a ztrátou citlivosti při příjmu jiné slabé stanice. Tento způsob rušení je však neobvyklý a není příliš negativně hodnocen, ba spíše operátoři vyslovují často uspokojení, že tak silný signál jejich zařízení vlastně neruší, zatímco u jiného zařízení s odolnější vstupní jednotkou (např. Sněžka), u kterého efekt zablokování přijímače nenastává dojde ke zvýšení šumu v přijímači, které je způsobeno převážně recipročním směšováním postranních šumů oscilátorů a rušení je výrazné. Je zapotřebí říci, že jediným objektivním hodnocením takových rozdílů vstupních jednotek je zhoršení příjmu slabého signálu (nap. majáku), jestliže je vstupní jednotka zatížena uvedeným extrémně silným signálem.

Skutečné intermodulační rušení vzniká při působení dvou a více silných vstupních signálů a to většinou na směšovači, a výsledkem je, že se na pásmu objevují další (většinou nečitelné) signály, obvykle jakoby složené z více stanic, které mizí, jakmile jedna z těchto rušivých stanic přešla na příjem. Tyto efekty se objeví velmi výrazně při použití předzesilovače, který zhoršuje intermodulační odolnost soustavy o míru svého zisku. V závodě jsou tyto efekty samozřejmě velmi nepříjemné, protože podle zákona schválnosti nám bude intermodulační parazit překrývat právě přijímanou slabou stanici, avšak můžeme si být jisti, že tento druh rušení vzniká v naší málo odolné vstupní jednotce.

b) Mezifrekvenční obvody přijímače
- se v současných komerčních zařízení řeší většinou s jediným mezifrekvenčním kmitočtem (pro SSB) s krystalovým filtrem v oblasti 10,7 MHz. V posledních několika letech je výrazný trend přesouvat MF kmitočet jinam - např. 10,81, 13,9 MHz a j. protože při MF kmitočtu 10,7 MHz vznikají určité potíže s parazitními příjmy v pásmu 2 m.. Výjimečně se používají i jiné MF kmitočty, a pokud má zařízení více mezifrekvenčních kmitočtů, je to obvykle z důvodů zařazení krystalových CW filtrů, obvykle na kmitočtu 455 kHz. Z hlediska možných příčin rušení je rozhodující konečný útlum krystalového filtru v nepropustné oblasti.

Běžné osmikrystalové filtry mají (pokud jsou dokonale přizpůsobené) potlačení ve “stopbandu“ okolo 90 dB (FT-221), ale to je hodnota již dnes nedostatečná pro špičkový provoz v pásmu 2 m - např. dvě stanice s výkonem 100W a jednoduchou anténou vzdálené od sebe cca 5 km se přijímají navzájem v úrovni více než S9 +60dB a tedy, pokud bychom zanedbali jiné druhy rušení, bude taková stanice slyšet na našem při v úrovni okolo 54 po celém pásmu. Proto se dnešní mezifrekvenční přijímače řeší většinou s více krystalovými filtry - první filtr (filtry) bývá většinou širší (15 kHz) a využívá se jednak pro FM, jednat jako “zastřešovací“ filtr mezifrekvence SSB. Větší šířka prvního filtru v pásmu 145 MHz nevadí, naopak je výhodné z hlediska použití klíčovače poruch (noise blanker). Ale pozor - zapnutý klíčovač poruch obvykle významně zhoršuje intermodulační odolnost zařízení v šířce prvního filtru a bývá proto nepoužitelný v závodech. Jiný druh rušení - intermodulační rušení “in band“, tedy v šířce sdělovacího kanálu SSB je v pásmu 145 MHz (narozdíl od KV) prakticky nevýznamné a nebudeme se jím tedy zabývat.

c) Obvody AVC přijímače.
Se mohou stát významným faktorem rušení ve vztahu k operátorovi. Jedním z rozhodujících parametrů je doba zpoždění náběhu regulace, která musí být tak krátká, aby nedošlo k zahlcení následujících obvodů a ohlušení operátora. Zároveň nesmí být příliš krátká, aby mohla sledovat modulaci. (V tom případě, že strmost nárůstu regulace je rychlejší než modulace, dochází k tzv. “zalykání“, a tím významným ztrátám informace při příjmu.) Protože návrh regulační smyčky AVC není jednoduchou záležitostí - vzájemně rozporné jsou požadavky na rychlost (časovou odezvu regulace), zisk regulační smyčky a požadovanou dynamiku regulace, volí se tato časová hodnota obvykle v oblasti do 10 ms. Vzorek napětí pro AVC se obvykle odvozuje z mezifrekvence, protože pokud bychom chtěli použít pro regulace NF napětí, vychází správný návrh smyčky složitější a zejména hůře opakovatelný při sériové výrobě, kdy je problematičtější dosáhnout optimální strmosti regulace v celém jejím rozsahu a (např.) díky delší časové odezvě regulační smyčky hrozí zakmitávání obvodů AVC a tedy významný zdroj rušení příjmu. Chtěl bych zde podotknout, že stejné, jako detekce NF signálu je odebírání MF signálu za výstupním krystalovým SSB filtrem mezifrekvence (pokud je použit - např. pro VF omezovač), protože tento filtr se promítne do časové oblasti regulační smyčky převrácenou hodnotou propustného pásma. Doba odběhu regulace se volí většinou pro SSB okolo 400 msec, případně i lze přepínat pro CW (rychlejší) a SSB (pomalejší).

Správně nastavené obvody AVC by měly nasazovat svoji regulaci cca 10 dB nad plnou citlivostí přijímače, aby operátor mohl snadno rozlišit velmi slabé signály. Bohužel však mnozí zahraniční výrobci nastavují obvody AVC tak, že zabírají těsně pod plnou citlivostí, a vylepšují tak subjektivně, avšak ve skutečnosti zcela klamně, rušení způsobené postranním šumem místního oscilátoru. Protože s obvody AVC je spojen S-metr, vyplývá z toho jednoduchý fakt, že pokud stupnice S-metru začíná na S1, ukazuje toto měřidlo nesmysly. Je to z toho důvodu, že signál S1 má úroveň 0,02 V (na 50Ω) a při běžném šumovém číslu přijímače 6 dB bude mít takový signál odstup s + š/č cca 4 dB, což je přibližně 6 dB pod plnou citlivostí (která se vztahuje k odstupu 10 nebo 12 dB) a asi 10 dB pod prahem nasazení AVC - a tedy ručička měřidla nemůže ukázat žádnou výchylku. V praxi jsou tedy S metry cejchovány pro 59 a pro jiné úrovně mají většinou velký zisk - např. pro vstupní signál S9 + 10dB ukazuje většina S metrů výchylku 59 + 20 i více. (Nejsou potom na pásmu vzácností hovory: “..mám tady profesionální zařízení s dobře ocejchovaným S metrem - na 1 W výkonu jseš tady 55, a když zapneš ten 10W PA, poslouchám tě 59 + 20 dB...“) Navíc S metry, vzhledem k jinak rozloženým ziskům v MF většinou ukazují hrubě špatně při provozu FM.

Ale vrátíme se zpátky k otázce rušení. Velmi silné rušení, které je však velmi subjektivně vnímáno, jako by o žádné rušení nešlo, je činnost AVC na signál ve stop-bandu filtru . Potom dochází ke stavu, tedy v těsném okolí velmi silného (ale např. i velmi nekvalitního) signálu nám přijímač produkuje pouze čistý šum, jako bychom poslouchali na prázdném pásmu, a teprve ve vzdálenosti 20 ÷ 50 kHz (záleží na tvaru SSB filtru) se začne šum přijímače zvětšovat, slyšíme spletry od uvedené silné stanice a začneme poslouchat i jiné signály. Výsledkem je, že za prvé nám takto koncipovaný přijímač zcela znemožní příjem slabých stanic v okolí stanice silné, a za druhé nejsme absolutně schopni posoudit míru kvality signálu velmi silných stanic. Zvlášť zařízení IC-290, FT-225 a také FT-736 (vzhledem k místu odběru vzorku napětí pro AVC) jsou velmi evidentním důkazem tohoto nežádoucího jevu.

d) Nízkoúrovňové obvody vysílací cesty
V současných komerčních zařízení jsou obvody vysílací cesty až na výjimky řešeny v podstatě shodně. MF signál po průchodu krystalovým filtrem je směšován do pásma 145 MHz vyváženým směšovačem se dvěma J-FETy. Následuje víceobvodová pásmová propust a několik zesilovacích stupňů, načež následuje výkonový zesilovač (většinou s hybridním IO). Obvodové řešení této části zařízení má však zásadní vliv na jeden z parametrů, důležitých z hlediska vzájemného rušení na pásmu. Bohužel však je tento fenomén mezi československými radioamatéry dosud zcela neznámý.
Jde totiž o vysílání širokopásmového šumu. Jak je známo, každý zesilovač je též zdrojem šumu - resp. má určité šumové číslo, které udává, kolikrát tento zesilovač šumí více než ideální bezšumový. Jestliže se podíváme na vysílací cestu transcieveru - pak obvody před krystalovým filtrem můžeme z tohoto hlediska zanedbat, protože tento filtr odřízne z kmitočtového spektra širokopásmové složky šumu. Za filtrem obvykle následuje směšovač, který je buzen jen tak velkým signálem, aby vznikající intermodulační produkty byly bezpečně hluboko pod intermodulačním zkreslením následujících stupňů (pozor - to neplatí u amatérských zařízení, kde se zpravidla směšovač budí až do limitace ale to by byla jiné kapitola). Potom výstupní úroveň užitečného signálu ze směšovače bývá maximálně okolo 1 mW tedy 0dBm. Směšovač má přitom šumové číslo na MF kmitočtu cca 10 dB a zisk asi 6 dB. Můžeme si potom spočítat tzv. ekvivalentní šumový výkon na vstupu směšovače, které prezentuje tento stupeň jako zdroj šumového výkonu a ideální nešumící zesilovač. Při výpočtu kalkulujeme se šířkou filtru 1,6 kHz, což prezentuje standartní SSB filtr, přepočtený na ideálně obdélníkovou charakteristiku z hlediska projevu při příjmu šumového signálu (tzv. efektivní šumová šířka).

Pš = F . k. To . B   /W/, kde

F ... šumové číslo zesilovače (kTo)
k ... Boltzmannova konstanta ( 1,38 . 10-23)
To... teplota ( oK)
B ... šířka pásma (Hz)

Pš = 10 . 1,38 . 10-23 . 293 . 1,6 . 103 = 6,5 . 10-17  /W/  = 6,5 . 10-14 /mW/ = -132 dBm

Na výstupu směšovače bude šumový výkon větší a zisk 6 dB tedy - 126 dBm a na výstupu 10 W zesilovače - 86 dBm.

Pokud použijeme výkonový zesilovač 300 W, bude výsledný širokopásmový šumový výkon, vztažený k šířce filtru SSB na úrovni - 71 dBm.

Jestliže bude protistanice umístěna ve vzdálenosti asi 10 km a bude vybavena anténou o zisku 15 dB, stejně jako naše stanice,. bude mezi výstupem našeho vysílače a vstupem přijímače útlum přibližně:

D = Gp + Gv + 20 log ( λ/R ) - 22   /dB/ viz /4/

kde Gp a Gv jsou zisky antén

D = 15 + 15 + 20 (2/10000) -22 = -66dB

a tedy šumový výkon na vstupu přijímače protistanice (vztažený k šířce filtru SSB) bude -137 dBm. Vzhledem k tomu, že signál S9 má i -93 dBm bude tento šumový signál o 44 dB slabší a tedy přibližně S2. V praxi to dopadne tak, že na přijímači s mírou šumu 3 dB stoupne šum o 5 dB kdekoliv na pásmu po dobu, dokud je naše vysílací cesta zapnuta, bez ohledu na to, jestli je vybuzena na uvedený výstupní výkon, či nikoliv! Ve skutečnosti bývá tato situace ještě horší (v praxi přibližně o 15dB), protože jen malý počet zařízení používá tak výborný směšovač vysílače a většinou se uplatňuje výrazně i šum následujícího zesilovače vzhledem k útlumu filtru za směšovačem. Tento lev vylučuje v praxi současný provoz dvou stanic z jedné kóty, pokud nejsou antény od sebe výrazně separovány (např. výškou). Chtěl bych zdůraznit, že popsaný případ zcela záměrně zanedbává ostatní druhy vzájemného rušení, které bývalí často výrazně silnější a ukazuje za současných podmínek praktickou mezní hodnotu elektromagnetické slučitelnosti dvou stanic v pásmu 144 MHz. Ve skutečnosti ovšem se tento širokopásmový šum vysílací cesty projevuje až v kmitočtové vzdálenosti větší než 100 až 200 kHz od vysílaného signálu protože blíže je překryt výrazně spektrem fázového šumu oscilátoru - viz dále.
Z uvedeného vyplývá, že vysílací směšovač zařízení pro 145 MHz by měl být vždy aktivní s použitím co možná nejvýkonnějších a málo šumících aktivních prvků (V - MOSy). V praxi bude limitem maximální povolený výkon, který může být zpracován předcházejícím krystalovým filtrem (Srovnej lit. /3/).

e) Výkonové zesilovače
V současných komerčních zařízení se téměř bez výjimky používají hybridní výkonové zesilovače 10 až 25 W. Tyto prvky mají výhodu v malých rozměrem, snadném chlazení a velkém zisku, nevýhoda je ve značném intermodulačním zkreslení, napájecím napětí a vysoké ceně.
Intermodulační zkreslení je jev, kdy při dvou a více vstupních signálech (např. hovorový signál SSB) se na výstupu objevují nové signály, které zabírají určitou šířku spektra a zmenšují se s kmitočtovou vzdáleností od signálů budících. Získané intermodulační spektrum se stává zdrojem rušení na pásmu. Podrobně jsou tyto jevy rozebrány v lit /2/.
Intermodulační zkreslení se velmi výrazně zhoršuje při špatné zátěži výkonového zesilovače a proto je žádoucí vždy kontrolovat PSV z protože jsou dnešní PA konstruovány tak, že nemůže dojít k jejich zničení ani při totálním odrazu. Tato skutečnost je zvláště důležitá při připojení následujícího elektronkového PA, který bývá v praxi na vstupu totálně nepřizpůsobený!
Další zhoršení intermodulačního zkreslení je dáno vnitřním zdrojem předpětí výstupního tranzistoru. V dnešních hybridních PA se bohužel obvykle využívá jako zdroje předpětí křemíkové diody, přičemž tento jednoduchý zdroj nestačí pokrýt požadavky výkonového tranzistoru na proud do báze, tranzistor se začne přesouvat do třídy C s následným velmi výrazným zhoršením intermodulací. S tímto uspořádáním souvisí i požadavky na napájení. všichni výrobci požadují pro tento typ PA napájecí napětí 13,8 V s tolerancí ± 10%. Z toho vyplývá, že napájecí napětí 12 V (v praxí spíše 11,5 V) je zcela mimo povolenou toleranci a výsledkem je značné rozšíření spektra výstupního signálu. (Např. IC-290 je při 12 V napájení z hlediska čistoty spektra zcela nepoužitelný).
Obvody ALC se dnes (1989) již většinou řeší jako špičkový detektor, který pouze omezuje výstupní výkon. Protože odezva regulace na modulační signál odeznívá pomalu, nedochází k narušení modulační obálky. To umožňuje téměř u všech moderních zařízení plynulou regulaci výstupního výkonu na rozdíl od systémů, které se používaly cca před 10 lety o svoji rychlou odezva modulační signál sice poněkud zlepšovaly komunikační účinnost principem komprese, ale také způsobovaly zhoršení výstupního kmitočtového spektra. Poznámka z r. 2007 - později se na trhu bohužel objevily komerční transceivery, které měly opět v regulační smyčce ALC problém s odezvou - například některé transceivery ICOM (271, 471, 275) a YAESU (FT817, 847).

Přepínání Rx - Tx se dnes již téměř výhradně řeší polovodičovými přepínači s výkonovými diodami PIN. Má to výhodu v totálním BK provozu při CW, ovšem opět to částečně degraduje intermodulační parametry vysílače. Důvod použití je zřejmě nižší cena... Při praktickém provozu se intermodulační zkreslení vysílače může projevit vznikem spletrů při SSB, přičemž tyto spletry zcela mizí při přechodu na vysílání CW. Pokud takové rušení trvá i při CW, jedná se o jeho jiný druh, např. zakmit nějakého stupně, nebo o projev fázového šumu oscilátoru.

Typické parametry hybridních PA 145 MHz.
výkon: 10 nebo 25 W                                  napájení: 13,8 ± 10%        zisk: 20 dB
intermodulace:
                     3. řádu:  -28 dB
                     5. řádu:  -33 dB
pro pokles:
                     -80dB:   ±30kHz

f) Obvody místního oscilátoru
(pozn. výraz “místní“ pochází z angličtiny a vyjadřuje “local oscillator“ superheterodynu)
Jistě všichni znáte tu situaci: místní silná stanice začne volat výzvu právě v tom okamžiku, když se již po několikáté marně snažíte přijat poslední dvě písmena v lokátoru vzdálené stanice. Rušení, které Vám tato silná místní stanice způsobuje, připomíná při SSB spletry přebuzeného vysílače, ale je stejně výrazné (a subjektivně ještě výraznější), pokud tato silná stanice začne pracovat provozem CW. Potom je na našem přijímači celé pásmo klíčováno šuměním v rytmu značek místní stanice, který spolehlivě překrývá slabé stanice, a zvyšuje se přilaďování směrem ke kmitočtu tohoto rušícího signálu. Tedy situace celkem běžná, kterou však klidně zvládají pouze duševně silní jedinci. Co je příčinou tohoto rušení? Jev se nazývá postranní šum (fázový šum)oscilátoru a je nutné zdůraznit, že zdroj rušení může být stejně tak na straně vysílače, jakož i našeho přijímače. Každý reálný obvodový prvek je zdrojem šumu. Vzhledem k tomu, že dnešní komerční transcievery jsou bez jediné výjimky vybavovány kmitočtovým syntezátorem s obvody fázového závěsů, je nejdůležitějším obvodem z hlediska zdroje šumu napětím řízený oscilátor VCO. Tento oscilátor obsahuje mimo jiné zejména varikap, aktivní zesilovací prvek a laděný obvod. Protože rezonanční obvod není bezeztrátový, jeho ztráty lze simulovat reálným odporem, který je vzhledem ke své teplotě zdrojem šumového napětí. Také jakákoliv krátkodobá změna obvodových parametrů způsobí rozladění oscilátoru, a tedy např. šum aktivního prvku má za následek frekvenční modulaci oscilátoru. A protože je známo, že spektrum kmitočtové modulace sahá teoreticky nekonečně daleko od nosného kmitočtu, je zřejmé, že výstupní spektrum VCO obsahuje mimo požadovaného signálu i šumové spektrum, které se zmenšuje (obvykle se směrnicí 6 dB/oktávu) se vzdáleností od nosného kmitočtu. V této souvislosti bych chtěl doporučit k prostudování příspěvek OK1DAK v lit. /5/.
Pokud s tímto reálným signálem směšujeme mezifrekvenční signál SSB do pásma např. 144 MHz, bude výstupní spektrum obsahovat rovněž šumovou obálku, jejíž okamžitá úroveň bude navíc sledovat modulační obálku signálu SSB a proto se tento druh rušení podobá spletrům přebuzeného vysílače.
Ovšem tento jev vzniká i na straně přijímače, kdy se postranní šum oscilátoru směšuje se silným vstupním signálem na modulovaný šum na kmitočtu mezifrekvence. Výsledkem je, za předpokladu, že šumové vlastnosti oscilátoru vysílače i přijímače jsou přibližně stejné, že není možné výrazně zlepšit vzájemné rušení pouze zlepšením parametrů jednoho z oscilátorů, protože potom by vzájemné rušení pokleslo pouze o 3 dB. Proto je hodnota potlačení postranního šumu oscilátoru velmi důležitým parametrem kvality každého zařízení. Pro kvantitativní hodnocení je nutné mít na mysli, že toto šumové spektrum je spojité (a symetrické okolo nosného kmitočtu) a proto lze hovořit o jeho výkonu pouze ve vztahu k určité jednotce šířky pásma. V praxi se vztahuje toto měření k šířce pásma 1 Hz a udává vlastně výkon šumu, který prochází filtrem se šířkou 1 Hz v poměru k úrovni nosné.

Poměr se udává obvykle v logaritmické míre dBc/Hz (c = carrier = nosná). Jestliže budeme toto šumové spektrum přijímati filtrem širším než 1 Hz, bude šumový výkon větší úměrně šířce filtru a tak např. pro běžný SSB filtr (s tzv. efektivní šumovou šířkou např. 1,6 kHz) bude tento přijímaný výkon o cca 32 dB větší. Jak se tyto skutečnosti projevují v praxi? Uvažujeme 2 stanice v pásmu 144 MHz obě s výkonem 300 W a ziskem antény 15 dB, vzdálené 10 km při přímé viditelnosti. Obě stanice budou vybaveny průměrným komerčním transcieverem např. FT-221 R nebo FT-290 R s hodnotou postranního šumu oscilátoru okolo 123 dBc/Hz na f = 20kHz. Jestliže si tyto stanice na sebe navzájem nasměrují antény, způsobí si rušení, které lze přibližně spočítat takto:

- nejprve uvažujeme, že pokud oba oscilátory produkují přibližně stejný šum, je možné situaci zjednodušit tak, že jednomu z oscilátorů přisoudíme šum větší o 3 dB a druhý budeme pokládat za ideálně bezšumový. Potom postranní šumový výkon, vztažený k šířce SSB filtru protistanice bude:
-120 + 32 = -88 dBc/Hz ( f = 20 kHz)

- při uvedené vzdálenosti a ziscích antén bude útlum mezi vysílačem a přijímačem přibližně:
D = 15 + 15 + 20 (2/10000) -22 = -66dB

- výkon postranního šumu ve vzdálenosti 20 kHz od nosné bude u vysílače s výkonem 300 W: (vztažený k šířce SSB filtrem) (300 W = + 55 dBm)
+55 - 88 = -33 dBm  (tedy 0,5 µW)

- výkon postranního šumu přijatý přijímačem protistanice bude tedy:
-33 -66 = -99 dBm

- vzhledem k tomu, že signál S9 prezentuje vstupní úroveň -93 dBm (5μV na 50) bude mít rušení postranním šumem ve vzdálenosti 20 kHz úroveň S8! a bude sledovat modulační obálku vysílače. Tak silné rušení samozřejmě zcela znemožní příjemslabých signálů. A jestliže vysílací stanice omezí výkon 100x na 3 W bude mít způsobené rušení ještě úroveň cca S5! (Vztahy pro výpočet podle lit. /4/).

- Z tohoto důvodu je fázový šum oscilátoru je z nejdůležitějších parametrů při hodnocení kvality transceiveru. Proto byl změřen větší počet komerčních transceiverů pro pásmo 144 MHz a také některá zařízení amatérská. Výsledky měření jsou přehledně uspořádány v tabulce:


 

Všechna zařízení s výjimkou VCO Kentaur byly měřeny vždy přes vysílací cestu CW TX a na výsledném postranním šumu je tedy zahrnut i širokopásmový šum vysílací cesty. Jeho vliv však lze zanedbat do vzdálenosti 50 kHz od nosné. V případě, že bylo měřeno více kusů zařízení stejného typu, byly výsledky zprůměrovány.

Poznámky

1) Byl měřen pouze jeden kus zařízení tohoto typu

2) Parazity ±20 kHz, ±100 kHz cca 25 db nad postranním šumem zřejmě od čítače

3) Parazity od čítače cca 3 dB nad šumem

4) Parazity ±58 kHz cca 18 dB nad šumem od měniče

5) Parazity ±10, ±20 kHz cca 3 dB nad šumem

6) Parazity ±20 kHz cca 10 dB nad šumem

7) Parazity ±10, ±20, ±30 dB nad šumem.

8) Parazity ±20 kHz cca 3 dB nad šumem

9) Sněžka r. v. 1987. Bez parazitů

10) Parazity ±18, ±45, ±90 kHz cca 12 dB nad šumem

11) Parazity ±42, ± 84 kHz cca 8 dB nad šumem

12) Převzaté měření od OK1DAK 1986

13) Premixer - přebuzený směšovač

14) Malý šum vysílací cesty způsobený plně využitým směšovačem a malým útlumem pouze dvouobvodového filtru 145 MHz

15) VCO dolaďované elektromechanickou smyčkou PLL - viz /6/ a /5/

16) Převzaté měření OK1DAK - měřeno bylo pouze UX0+ násobiče ve výsledku také není zahrnut šum vysílací cesty

17) Hranice měřicí metody. Šumové spektrum 2 generátorů je pravděpodobně o 3 dB nižší. V kmitočtové vzdálenosti větší než 50 kHz limituje měření dynamika směšovače RX

Vzhledem k tomu, že současně vyráběná komerční zařízení používají vždy číslicovou syntézu kmitočtu, nepřekvapuje množství parazitů ve výstupním spektru. Vznik těchto parazitů lze v podstatě rozlišit na 2 druhy. Za prvé jde o násobky porovnávacího kmitočtu 10 nebo 20 kHz, které se dostávají do spektra VCO buď nedostatečnou filtrací smyčky PLL, nebo přeslechy vzniklými konstrukčním uspořádáním (např. použití programovatelné děličky a kmitočtově fázového detektoru na jednom čipu). Odstranit tyto parazity není v silách uživatele. Za druhé jde o přeslechy signálů různých měničů, jde např. o měniče k napájení zobrazovače číslicové stupnice, měniče k zápornému napětí D/A převodníků atd.

Zde půjde pravděpodobně o přeslechy po napájení, nevhodných smyčkách zemí, resp. o přeslechy rozptylovým magnetickým polem. Tyto parazity je vhodné a teoreticky možné potlačit i v amatérských podmínkách za předpokladu dobrých znalostí obvodového řešení přístroje a vhodných měřicích postupů. Je to žádoucí i z toho důvodu, že tento typ parazitů je většinou výrazně silnější, než postranní šum místního oscilátoru - viz transceivery FT-726, FT-736 a IC-271.

Z výše uvedených parazitů vlastního oscilátoru přijímače lze však také učinit z nouze ctnost a používat je pro zcela objektivní posuzování kvality signálu protistanice. Jestliže např. víme, že naše zařízení má v odstupu 20 kHz šum na úrovni 125 dB/Hz a parazity 5 dB nad tímto šumem, musíme silnou místní stanici slyšet nejen na správném kmitočtu, ale vlivem recipročního směšování i na kmitočtech svých parazitů, t.j. např. o ±10 a ±20 kHz. Pokud budeme mít možnost bez problémů číst SSB modulaci této stanice i na těchto svých parazitech znamená to, že postranní spektrum (šumové + intermodulační) této stanice je zcela jistě kvalitní. V opačném případě, kdy je příjem na našem parazitu překrytý spletry, má protistanice buď výrazně horší postranní šum oscilátoru, nebo a to je podstatně pravděpodobnější, přebuzený vysílač (nebo PA)! O kterou eventualitu jde rozhodneme, když tato stanice přejde na CW. Jestliže se nyní projeví parazitní příjem na našem zařízení (např. ±10 a ±20 kHz) jednalo se určitě o intermodulační produkty přebuzeného nebo nesprávně přizpůsobeného vysílače při provozu SSB.

g) Princip měření postranního šumu
V současné době se používají dva typy měření tohoto jevu.
První z nich využívá poznatku, že fázový šum oscilátoru je vlastně převrácenou hodnotou krátkodobé kmitočtové nestability - a tedy fázová fluktuace se projeví ve spektrální oblasti. Při této metodě měření se čítá měřený oscilátor speciálním čítačem na velký počet desetinných míst, přičemž hradlování je odvozeno úd mimořádně fázově čistého oscilátoru.

Velké množství měření se porovnává metodami matematické statistiky a po zpracování počítačem dostáváme obraz o postranním šumovém spektru.
Druhá metoda je filtrační a spočívá v přímém měření šumového výkonu v požadované vzdálenosti od nosné, za předpokladu odfiltrování silné nosné. Tato metoda klade velké nároky na dynamiku měřícího přijímače a kvalitu použitých filtrů. V našem případě jsme použili pro měření upravenou mezifrekvenci z transceiveru Sněžka, protože ta má dostatečný stopband (okolo 150 dB) díky použití 2 krystalových filtrů na různých kmitočtech, a také velmi dobrou dynamiku směšovače přijímače - viz lit. /7/. Pro transpozici měřeného signálu na mezifrekvenci musel být použit kvalitní nízkošumový generátor, jehož postranní šum musí být minimálně o řád lepší než šum měřeného signálu. Z dostupných generátorů splňuje tento požadavek pouze jediný a to typ BM 496, osazený speciální elektronkou v laděném obvodu s velmi vysokým činitelem jakosti. Blokové schéma měřící soustavy je na obr. 1. Měření probíhá tím způsobem, že se nejprve přesným (nejlépe programovatelným) generátorem zjistí vstupní napětí pro odstup (s+š / š) = 10 dB. Potom přivedeme na vstup přijímače ve vhodné úrovni měřený signál (s nosnou odladěnou o požadované Δf) a jeho úroveň upravíme tak, až se na výstupu mezifrekvence zvýší šum o 10 dB. Poměr těchto dvou vstupních úrovní přepočtený vzhledem k šířce filtru u měřící mezifrekvence dává přímo hodnotu postranního šumu měřeného oscilátoru. Měření provádíme při vypnutém AVC.

h) Závěrem
Účelem tohoto příspěvku bylo objasnit různé druhy vzájemného rušení v pásmu 145 MHz, a to zejména vzhledem k použití komerčních zahraničních zařízení, kterých u nás stále přibývá. Zároveň se však také podařilo vyložit amatérským konstruktérům, že ještě stéle nejsou zcela bez šance postavit pro závody kvalitnější zařízení, než třeba firma Kenwood. A jestliže čtenáři dospějí k hlubšímu poznání parametrů svého zařízení, pak tento příspěvek splnil svůj účel.

73! OK1VPZ


Literatura:

/1/ OK1VPZ  Transvertor  70cm                Sborník   Klínovec  1986
/2/ OK1VPZ  Tranzistorové PA                 Sborník   Klínovec  1987
/3/ OK3TRN  Jednotka vysílače 144 MHz        Sborník   Vsetín    1988
/4/ OK1VSS  Fázový šum oscilátoru            Rukopis   OK1KRA    1981
/5/ OK1DAK  Oscilátory PLL                   Sborník   Klínovec  1986
/6/ OK1VOX  Transceiver 144 MHz              Sborník   Klínovec  1986
/7/ OK1VPZ  Obvody TXR 210                   Sborník   Klínovec  1988

SEMINÁŘ LEKTORŮ VKV TECHNIKY - ZNOJMO 1989

přepsal a upravil pro web OK2KKW Matěj, OK1TEH

Poznámka: viz článek na podobné téma, uvedený zde: http://www.ok2kkw.com/qrm1vpz.htm