UHF ontvangers met hoog dynamisch bereik, en de bijbehorende zenders.

Presentatie over: "UHF ontvangers met hoog dynamisch bereik, en de bijbehorende zenders."— Transcript van de presentatie:

1 UHF ontvangers met hoog dynamisch bereik, en de bijbehorende zenders.

2 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.

3 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.

4 Problemen huidige apparatuur
Overspraak tussen de mobilofoons. slechte selectiviteit ontvangers. Warmte stuwing bij continu gebruik. Slechte audio kwaliteit (smalband)

5 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.

6 Foto repeater rack

7 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

8 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)

9 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)

10 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

11 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. !!

12 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.

13 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.

14 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.

15 Frontend: Voor het maken van een goed frontend waren enkele gegevens bekend. Gevoeligheid IF, demping mixer, gewenste gevoeligheid – 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 (=8) en de mixer (=7) en filter (=3) dus = 18dB Maar dan ook het liefst een component met lage ruis en groot dynamisch bereik.

16 mixer

17 Ik had ervaring met de SPF5043 op 13cm
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.

18

19 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

20 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

21 Kijken we naar de faseruis van de alom bekende SI571

22 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.

23 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)

24 Ruisplaatsje van een minicircuits VCO

25 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, ABA 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.

26 Nu waren de zender en ontvanger opgebouwd, tijd om eens te meten
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.

27 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

28 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.

29 Dit werkte goed en productie technisch eenvoudiger
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.

30 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.

31 Zendamateurs willen het beste van het beste, maar heeft het nut
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 ??

32 Als referentie werd de koude hemel gekozen
Als referentie werd de koude hemel gekozen. Antenne via relais in een A/B schakeling.   Hemel zon aarde BFR MGF   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 ?  

33 BFR93 5,5 dB boven de (aard)ruis MGF 5,5 dB boven de (aard)ruis.