Questa indagine del comportamento all'intermodulazione di uno stadio amplificatore puo'
poi essere allargata agli altri stadi di un ricevitore prendendo in
considerazione la IP2, IP3, IMD3, NF, G, SFDR con:
a) riferimento ai singoli stadi successivi
b) riferimento a valori cumulativi del sistema in esame.
Tabella riassuntiva principali misurazioni su ricevitori. |
(14) IIP2= (2 Pin) – Pimd2
in dBm (14bis) (SOI) o IIP2 =IMD2°DR + MDS IMD2DR in dB, MDS in dBm (15) IIP3= ½ x [(3 x Pin) – Pimd3] oppure (15bis) IIP3= Pin + [ ½ x (Pin – Pimd3)] dove la differenza Pin – Pimd3 = IMD3 (15ter) (TOI) o IP3=(1,5 x IMD3DR) + MDS in dBm, IMD3DR in dB, MDS in dbm (16) IMD3 DR=Pimd3 – MDS
in dB (differenza in dB tra i 2 livelli in input in dBm pari a (17) P1dB Punto di compressione del guadagno a 1 dB all’ingresso in dBm (18) Sensibilita’, selettivita’ , MDS, NF o (MDS –Nt)
(si veda Vanin in R.R. 12/1992) (20) Cross modulation XM
in -dB (1dB atten. cala XM di 2 dB) |
Il laboratorio ARRL nel loro manuale delle procedure per i test sugli
apparati, sezione ricevitori, ne elenca in totale ben 16. Si rimanda inoltre a
quanto gia’ esposto nel paragrafo 3. Precauzioni sul sistema di test.
Nel caso di un ricevitore occorre qualche precisazione o tecnica diversa per
misurare i prodotti di intermodulazione dato che l'analizzatore di spettro a RF
non potra' essere usato all'uscita audio.
Nel caso di un ricevitore si utilizzano (in combinazione a generatori di segnali
ad elevata purezza spettrale e basso rumore di fase applicati all’ingresso)
a) S-Meter calibrato (quindi AGC ON)
b) Rapporto S/N audio in output utilizzando un voltmetro AC rms o analizzatore
audio S/N o SINAD
c) Livello del segnale audio usando un analizzatore di spettro audio od un
voltmetro selettivo.
Fondamentale porre sempre l’attenzione nel test con due toni a quale frequenza
di separazione viene effettuato (es. 50 Khz, 20 Khz oppure il piu’ stringente 5
Khz ora adottato anche dalla ARRL).
Per un approfondimento di queste tecniche e misurazioni rimando ad altri autori
ad esempio I7SWX in R.R. 1/2002 ha descritto la sola procedura per determinare
la IIP3 di un RX con oscillatori a quarzo e con l’ausilio dell’ S-meter
dell’apparato per S=1 (suggerita da U. Rohde DJ2LR, KA2WEU nell’ Handbook
ARRL ’01 pag. 15.20, mentre IN3IYD ha ben descritto in gran dettaglio la
procedura b) che utilizza un voltmetro AC audio per misurare MDS del ricevitore
quindi la Pimd e IMD DR riferita al MDS). Bisogna tener presente pero’ alcuni
motivi di incertezza nelle misure: per a) la tolleranza di risoluzione dell’
S-meter nel caso esso sia del tipo a bar-led anziche’ a bobina mobile con
indice. Per b) la variabilita’ del dato che si misura con un voltmetro AC in
presenza di rumore che varia nel tempo e rende critica la lettura strumentale.
Nel caso a) si utilizza l’ S meter del
ricevitore. Il metodo S meter ARRL, usato da loro nella variante
per S=5 poiche’ ritengono che sia’ piu’ rappresentativa del caso reale dato che
il rumore presente all’antenna alza la soglia di rumore di 10 o 20 dB rispetto
al valore di MDS su carico a 50 Ohm e, considerando 1 S unit=6 dB, ha in asse Y
i valori RX output misurati in dB relativi (es. per S=5= 30dB) e in asse X il
livello Rx input in dBm. Occorre fare riferimento alle espressioni piu’
appropriate e precisazioni:
(14) IIP2 =(2 Pin) – Pimd2 Pin livello in dBm di uno dei 2 toni
per il test della IMD2.
Pimd2 qui e’ inteso come livello in dBm di un segnale in input nel passabanda
del RX che da’ un segnale out pari alla imd generata pari a S=5
(14bis) SOI (second order intercept) o IIP2 =IMD2°DR + MDS (IMD2DR in dB),
MDS in dbm
(15) IIP3 = 1/2 x [(3 x Pin) – Pimd3] Pin livello in dBm di uno dei 2 toni
per il test della IMD3. Pimd3 e’ in dBm segnale input al RX che provoca
un segnale out uguale alla imd del terzo ordine generata pari in questo caso a
S=5 (o altro valore, come dettagliato in QEX Jul/Aug 02, pag. 50). Questa
procedura prevede di misurare in dBm con un generatore il livello per la lettura
S meter S=5, poi il livello dei due toni, posti a frequenze esterne al passa
banda IF del RX, e’ aumentato e si annota il livello in dBm quando si
legge la IMD3 ad S=5.
Cosi’ si puo’ calcolare IP2, IP3 e IMD DR. Stesso discorso per il metodo per S=1
(come ha motivato I7SWX in RR. 1/02 la scelta dipende da come risponde l’
S-meter alle variazioni di segnale da 1 dB e punto di attacco del circuito agc).
Piu’ immediata e’ la seguente espressione:
(15bis) IIP3= Pin + [ ½ x (Pin – Pimd3)] dove la differenza Pin – Pimd3 =
IMD3
Se si dispone gia’ (vedi punti successivi) del dato di IMD3 DR e MDS si
puo’ calcolare la IIP3:
(15ters) TOI (third order Intercept) o IIP3=(1,5 x IMD3DR) +
MDS e, viceversa, dato IIP3 si puo’ calcolare la IMD3 DR con la relazione
indicata al punto (16bis) piu’ sotto.
Nel caso della metodologia di cui al punto b) si usa, all’ uscita
audio con chiusura pari all’impedenza audio, es. 8 Ohm, un voltmetro AC rms, (ARRL
usa un HP 339A).
Gamma dinamica di tre tipi: IMD3 DR, Blocking DR, Phase Noise DR.
Abilita’ del ricevitore di tollerare segnali forti posti fuori dal suo
passabanda (qui si intende un disturbo posto all’interno della banda, ma esterno
al passabanda del canale IF che giunge poi all’uscita audio del canale
desiderato). La SFDR e’ la piu’ piccola delle sue varie gamme dinamiche.
(16) IMD3 DR= PIMD3 - MDS (in dB, differenza tra i 2
livelli in input in dBm pari all a PIMD3 e MDS. Pimd3 é il livello di uno dei
due toni che causano IMD del 3° ordine di livello pari al MDS).
Misura l’impatto dell’intermodulazione a due toni in un ricevitore e si
manifesta con la produzione di segnali spuri indesiderati. E’ un test a due toni
della gamma dinamica della IMD del 3° ordine ed é la differenza tra il limite
superiore della gamma dinamica di un ricevitore ed il limite inferiore pari al
MDS. Tipicamente il superamento della IMD3 DR avviene a livelli di circa 20 dB
inferiori al Blocking DR (punto 19, che e’ sostanzialmente il limite di segnale
sopra il MDS che inizia a far perdere sensibilita’ al ricevitore sul proprio
canale desiderato) pertanto udiremo prima i prodotti di IMD3 (disturbi) prima
che il ricevitore perda di sensibilita’ per questo la IMD3 DR e’ uno dei
parametri piu’ importanti nel confrontare i ricevitori.
Molto importante e’ rilevare valori diversi di IMD3 DR in relazione a spaziature
diverse dei due toni (tipo a 20 Khz e a 5 Khz) e annotare l’eventuale
peggioramento che rappresenta un aspetto negativo. In genere piu’ e’ stretto il
filtro p.banda di prima media frequenza e minore e’ questo peggioramento.
(15ter) IIP3=(1,5 x IMD3DR) + MDS.
e dato IIP3 si puo’ calcolare la IMD3 DR anche dalla seguente:
(16bis) IMD3 DR= 2/3 (IIP3 – MDS) e’ anche denominata Two Tone
IMD3 DR o SFDR.
ILDR intermodulation limited (o free) dynamic range come precisato da
G3RZP in QEX 5-6/02, pag 36, per distinguere la dinamica limitata da
intermodulazione prodotta internamente al RX da altre cause di limitazione della
dinamica quali il rumore presente nell’oscillatore locale (Phase Noise DR),
causa di "reciprocal mixing", e risposte spurie sia interne che esterne. La SFDR
dipende da entrambe e tutti e due gli effetti si manifestano con aumento della
soglia di rumore.
In un sistema di comunicazione, con RX connesso all’antenna, si considera la
soglia di rumore, noise floor, presente all’antenna che puo’ divergere dalla MDS
misurata in laboratorio del solo ricevitore comunque dipendente da NF (cifra di
rumore o noise figure) e BW (larghezza di banda) del sistema ricevente. La IMD3
DR (in relazione alla MDS e non alla soglia di rumore all’antenna che ovviamente
varia a seconda dei casi) e’ parametro molto importante per confrontare le
qualita’ dei ricevitori e come essi si comportano in presenza di segnali
adiacenti forti ed e’ meglio la misurazione diretta della IMD DR piuttosto che
l’uso della (16bis).
Anche con la procedura che prende come riferimento S=5, anziche’ il livello di
IMD pari al MDS, il valore di IIP3 dovrebbe in teoria concordare rispetto a
quello con riferimento alla MDS, ma il recente articolo in QEX 07-08/02 di KF6DX
"Improved Dynamic Range Testing, pag. 46, pone in evidenza che a seconda del
livello S considerato, es. S=3 o S=1 anziche’ S=5, si puo’ pervenire a valori
diversi di IP3 per lo stesso apparato quando, in realta’, l’apparato si comporta
un po’ diversamente dalla regola teorica che dovrebbe seguire e l’autore Doug
Smith, KF6DX, (e’ l’editore di QEX nonche’ consulente TEN-TEC e prima lo era per
Kachina) conclude che occorrerebbero una serie di misurazioni a riferimenti
diversi di livelli di potenza per arrivare ad una curva di IMD piu’
rappresentativa della reale IP3. Ovviamente per una questione pratica la ARRL ha
scelto da anni il parametro S=5, come precisa nell’articolo Ed Hare, W1RFI, del
laboratorio prove della ARRL.
Riporto la seguente tabella con sintesi di dati tratti dal suddetto articolo in
QEX (ARRL) 06-07/02:
Qual’e’ la reale IIP3? (entrambi 2 toni a 20 Khz, agc ON, preampl OFF)
FT1000MP-MARK V FIELD | ICOM 746PRO/7400 * | |
IIP3 (dBm) | IIP3 (dBm) | |
metodo con rif. MDS | + 22,3 | + 14,5 (+11 * Radcom 10/02) |
S=1 | nd | + 21,5 |
S=3 | + 22,05 | nd |
S=5 | + 23,45 | + 21,0 |
S=7 | + 25,15 | nd |
S=9 | + 33,25 | + 25,3 |
W1RFI ARRL lab. supervisor precisa che per qualche apparato si ha un evidente
di scostamento
dalla linea teorica tra il riferimento al MDS (con agc off) e livelli superiori
(quindi metodo con agc on), si nota per il secondo apparato il dato di +14,5 con
uno scostamento di 7 dB rispetto agli altri riferimenti, ma cio’ non evidenzia
problemi particolari e rifletterebbe un diverso comportamento dei segnali
all’interno dell’apparato (agc distribuita anche nel front-end...)
Tabella dati di intermodulazione e dinamica "close-in" ovvero IIP3 (dBm) e
IMD3DR (dB) con i due toni RF di test, a spaziatura via via ravvicinata, di due
noti apparati top-line (7Mhz, caso preampl. OFF, dati tratti da prove di G3SJX
in Radcom–RSGB 10/00 e 06/02 in cui e’ riportata anche la BDR e il reciprocal
mixing alle varie spaziature):
apparato |
offset fr |
3Khz |
5Khz |
7Khz |
10Khz |
15Khz |
20Khz |
30Khz |
40Khz |
50Khz |
FT1000MP MARK V |
IIP3 |
-9 |
-14 |
-12 |
-5 |
+10 |
+18 |
+18 |
+18 |
+18 |
IMDDR |
77 |
73 |
75 |
79 |
89 |
95 |
95 |
95 |
95 |
|
IC756PROII |
IP3 |
-19 |
-16 |
-12 |
-1 |
+10 |
+22 |
+20 |
+20 |
+20 |
IMDDR |
71 |
73 |
76 |
83 |
91 |
99 |
98 |
98 |
98 |
E’ possibile notare che la IIP3 varia e di parecchio. Importante e’ osservare
l’entita’ del peggioramento al restringersi della spaziatura dei due toni. Si
noti che il comportamento non si discosta di molto, mentre una piu’ marcata
differenza, a questo proposito, la si puo’ riscontrare sottoponendo al medesimo
test apparati ad architettura estremamente diversa, tipo il K2 Elecraft o, anche
meglio, il CDG2000 di G3SBI, che usano una prima IF bassa dove il primo mixer e’
seguito da un filtro ad alta selettivita’, largo quanto il modo in uso, mixer di
qualita’ ed una oculata distribuzione del guadagno, con scarsa o nulla
amplificazione sino a dopo tale filtro di prima IF.
Le notizie in anteprima rilasciate dal produttore
Ten-Tec sul loro nuovissimo
top-line denominato
Orion lasciano ben sperare in quanto la sua architettura
segue quest’ultima filosofia. Leggo dal loro sito internet "IP3:
+25 dBm typical, 20-kHz spacing at BW=2.4 kHz, pre-amp off; +24 dBm
typical, 5-kHz spacing, BW=500 Hz, pre-amp off; IMD3 dynamic range:
101 dB typical, pre-amp off, 20-kHz and 5-kHz spacing"; LO phase noise:
-136 dBc/Hz typical from 0.5-20 kHz. Si veda la
descrizione tecnica da parte di Doug, KF6DX.
Se le prove di laboratorio ARRL o RSGB confermeranno questi dati, siamo di
fronte ad un discreto passo avanti, poi bisognerebbe sempre provare in pratica.
(17) P1dB Punto di compressione del guadagno a 1dB all’ingresso di un
ricevitore, quest’ultimo e’ il livello di segnale sopra la soglia di rumore
che porta al punto di 1 dB di compressione del ricevitore, anche questo test
viene eseguito con due toni in cui un generatore e’ posizionato ad un livello di
es. –110dBm (se l’agc non si puo’ escludere viene posto ad un livello pari a
circa un S=5) ed il ricevitore e’ sintonizzato su quella frequenza, poi il
secondo generatore posto ad una frequenza distante 20 Khz viene aumentato di
livello sino a che il livello audio in uscita, misurato con un voltmetro AC rms,
diminuisce di 1 dB.
(18) MDS, minimo segnale rivelabile, puo’ essere
considerato come il limite inferiore (teorico poiche’ in pratica e’
limitato dal rumore dell’antenna) della gamma dinamica di un ricevitore.
Per sensibilita' si intende l’abilita’ di un ricevitore a rivelare segnali
in presenza del rumore (interno) ed e’ misurata in dBm con riferimento ad un
specificato rapporto S/N o (S+N)/N, pertanto differisce dalla MDS per tenere
conto di tale rapporto, tipicamente di 10 dB. Se il riferimento e’ al (S+ N)/N
per passare a S/N la relazione e’ S/N= [[(S+N)/N] - 1].
Per la procedura di misurazione della MDS in un ricevitore si veda Vanin in R.R.
12/1992.
In sintesi lo scopo del test e’ di determinare il livello di segnale CW in
ingresso al ricevitore che genera un’ uscita audio di 3dB sopra la soglia di
rumore.
Se si e’ misurato direttamente la NF (cifra di rumore) allora:
MDS (dBm/Hz) = -174 dBm + 10 log BW + NF
NF= cifra di rumore, noise figure in dB
BW= larghezza di banda (IF e/o audio) in Hz
Da questa si puo’ calcolare la NF che dovrebbe concordare con il valore trovato
se si e’ eseguito una diretta misurazione della stessa con una sorgente di
rumore. Ricordo che NF non e’ legata alla BW mentre MDS lo e’, per questo
e’ fondamentale verificare a quale BW del ricevitore e’ eseguita.
Per convertire i livelli di N (soglia di rumore) e MDS, a parita’ di guadagno
degli stadi quindi di NF (cifra di rumore), ed anche nel caso della PNDR per
passare da -dBc/Hz (l’attenuazione del rumore di fase ad una certa frequenza dal
carrier dell’ OL ) ad altra -dbc/Bw, a seconda della BW usata si usa il fattore
di correzione:
fattore di correzione: N1 – N2 = 10 Log (BW1/BW2) in dB
ovvero 10 x (Log BW1 – Log BW2) esempio: una MDS= -125 dBm specificata con BW=2400 Hz corrisponderebbe a MDS= -131,8 dBm su BW= 500 Hz , ovvero stringendo la BW migliora di 6,8 dB. Nel caso di OL con rumore di fase di -125 dBc/Hz, in prossimita’ del carrier, la correzione in dB e’ 10 x (Log 2400 – Log 1)= 33,80 dB di aumento, ovvero -91,2 dBc su 2400 Hz di BW Nel caso di BW=500 Hz risulta 26,99 dB di aumento, ovvero -98,01 dBc. In questo esempio se la ILDR misurata a 2400 Hz e’ 91 dB un OL dalle caratteristiche di cui sopra alzerebbe la soglia di rumore di 3 dB ai segnali considerati nel "two tone DR test", da qui la conclusione che aumentare la gamma dinamica all’intermodulazione e’ utile, ma, nell’esame della "close-in imd", il limite alla SFDR e’ costituito dalla PNDR del sintetizzatore. Riporto ora un esempio di U. Rhode da Handbook (ARRL) 2001, pag. 15.21: se ad es. NF=8 dB, IP3= +40 (ottima) si calcola soglia minima=-174 dBm + 10 Log(2400) + 8 = -132 dBm e con la (16bis) IMD3DR=114,7 dB quindi sommando 10 Log(2400)= 148,5 dBc/Hz livello di rumore di un sintetizzatore che non limiterebbe la dinamica, difficile da trovare. Si veda il nuovo VCO a doppio Tank di G3SBI in Radcom 10/02 |
Un ulteriore esempio pratico: nel numero di ottobre ’02 di Radcom vi e’
lo schema dei VCO di nuovo tipo di G3SBI, con doppia bobina di tank, a
prestazioni dichiarate eccellenti di "close-in" noise in cui una seconda bobina
di Tank agisce come un moltiplicatore di Q e fornirebbe circa 30 dB, per decade,
di riduzione di rumore. Il grafico presentato nella rivista mostra per i 14 Mhz:
-122 dBc/Hz a 3 Khz dal carrier
-130 dBc/Hz a 5 Khz
-140 dBc/Hz a 9 Khz
-150 dBc/Hz a 22 Khz.
Sintesi altri dati importanti del transceiver ad alte prestazioni: IIP3 +40, MDS
–130 dBm, ovvero 10 dB di NF, con BW=2200 Hz, 2 toni IMD3DR= 113 dB a 20 Khz.
Gli autori dichiarano che non ci sono particolari degradazioni di ILDR a
frequenze piu’ vicine dei due toni, ma per cio’ che abbiamo visto la "close-in"
SFDR a 5 Khz viene ancora limitata dal sintetizzatore, comunque ad un
rispettabile valore attorno ai 100 dB, vediamo come si calcola:
PNDR = noise a 5 Khz dal carrier dell’ OL sintetizzato -130dbc/Hz + 33,80 dB
fattore di correzione per BW=2400 Hz. Va osservato che il risultato e’ comunque
eccellente, allo stato attuale della tecnica, superiore di una decina di dB
rispetto a tutti gli esempi di apparati commerciali testati dalla ARRL i cui
dati sono stati riportati nella tabella in R.R. 10/02 (ricordo che la migliore
IMD3 DR a 5 Khz, in quel campione, era del K2 Elecraft, apparato disponibile
solo in kit). Si rimanda all’articolo di G3SBI anche per la dettagliata
spiegazione del test di misurazione del noise del sintetizzatore.
Per la selettivita’, abilita’ a separare un segnale desiderato da segnali
adiacenti su frequenze limitrofe, e’ bene verificare non solo la selettivita’ a
– 3dB, - 60dB, ma anche a -80dB e verificare il contributo del rumore di fase
dell’oscillatore locale. Ottimo il grafico proposto da G3SJX nelle sue prove di
laboratorio su RADCOM, RSGB, in cui riassume, molto significativamente, la curva
di selettivita’ nella forma di "selettività dinamica" che tiene conto, nello
spettro di frequenze in asse X attorno al carrier, del rumore del sintetizzatore
O.L. e la gamma dinamica di IMD3 DR a due toni.
(19 ) Blocking DR e’ la differenza in dB tra MDS (in dBm) e un segnale
fuori dal canale su cui si e’ sintonizzati che causa 1dB di compressione al
ricevitore ovvero P1dB (in dBm) Punto di Compressione. Si
veda il punto (16). Evidenzia il limite di segnale sopra il MDS che inizia a far
perdere sensibilita’ al ricevitore sul proprio canale desiderato.
Ritengo abbia piu’ senso considerare una frequenza del segnale
interferente scostata della medesima entita’ rispetto alla spaziatura dei due
toni nella prova della IMD3 DR. (quindi es. 20 Khz e/o 5 Khz per entrambe le
prove, cosi’ e’, infatti, nella prassi della ARRL).
(20) Cross modulation. Modulazione incrociata che si
manifesta con il parziale trasferimento della modulazione da un segnale
indesiderato fuori canale al segnale desiderato sul canale a cui siamo
sintonizzati e la percentuale di modulazione trasferita e’ proporzionale al
quadrato dell’ampiezza del segnale interferente (I4BER), non dipende dal segnale
utile, in modo che un attenuatore nel front-end puo’ essere molto utile nel
ridurre questo effetto: introducendo ad esempio 10 dB di attenuatore si riduce
di 20 dB l’effetto di modulazione incrociata. Questa relazione aiuta a
distinguere il problema da quello causato da IMD del 3° ordine che segue altra
relazione come gia’ visto. Si veda anche ON4UN Low-Band Dxing, 3a ed.
(21) Effetto "reciprocal mixing" (VCO noise) del rumore del
sintetizzatore/oscillatore locale nella IF RX va tenuto presente quale causa di
limitazione della SFDR in quanto si ha aumento di NF e consiste nella
traslazione del livello di rumore del sintetizzatore (misurato in -dBc/Hz dal
carrier) causato da un segnale di forte intensita’ presente ad una certa
frequenza entro il passabanda del front-end e si traduce in pratica in una
degradazione della selettivita’. Per questo e’ pure importante la specifica del
rumore di fase dei sintetizzatori tra 1 Khz e 10 Khz dal carrier che costituisce
un obiettivo alquanto delicato, e spesso non raggiunto, di avvicinarsi il piu’
possibile ai valori migliori degli oscillatori a quarzo o dei classici VFO LC
tradizionali. Nei ricevitori moderni normalmente si presenta prima questo
problema che effetti di desensibilizzazione.
Da qui l’importanza di un grafico di "selettivita’ dinamica" come quello gia’
citato di G3SJX che e’ un vero e proprio grafico di merito del ricevitore in
quanto riassume misurazioni dei parametri critici di un ricevitore sopra visti
(curva di selettivita’ dinamica tra 0 e +/- 30 Khz, (21) reciprocal mixing e
(16) two tone imd3 DR).
Sintesi della procedura di prova (da manuale ARRL) della MDS (minimo segnale CW rivelabile)
RF Gen1 (Marconi, ora IFR, modello 2041)
Attenuatore a step di 10dB (HP355D)
Audio/distortion meter HP 339A, |
RF Gen 1: 14.020 Mhz Livello RF: -110 dBm Modulazioni: OFF 10 dB step att.: 10 dB |
Dopo 10 minuti di riscaldamento eseguire la prova con preamplificatore
interno OFF, poi ON.
Sintonizzare l’apparato per il massimo segnale e aggiustare l’ "input range"
dello strumento ed il comando "relative adjust" per mantenere un’indicazione a
circa centro scala dell’analizzatore audio.
Spegnere il generatore RF e regolare il relative adjust per -6dB (ovviamente
commutando se necessario anche "input range". Riaccendere il generatore RF e
regolare il livello RF per produrre una lettura audio di – 3dB (quindi un
aumento netto di 3 dB sopra la soglia di rumore settata prima con il generatore
spento). A questo punto se il livello del generatore RF e’, per esempio, - 125
dBm, l’attenuatore inserito tra il generatore e l’apparato e’ di 10 dB, allora
MDS = - 135 dBm
Sintesi della procedura di prova (da manuale ARRL) a due toni IMD 3° Ordine:
RF Gen1 (Marconi, ora IFR, modello 2041)
RF Gen2 (HP8640B) Combinatore (Mini-Circuits ZSFC2-6) Ricevitore in prova (DUT)
|
RF Gen 1: 14.020 Mhz Livello RF: -17dBm Modulazioni: OFF RF Gen 2: 14.040 Mhz Modo: CW |
I generatori usati, come gia’ anticipato, devono possedere basso rumore di
fase ovvero almeno
o meglio di –140 dBc/Hz a 20 Khz dal carrier. Per questo motivo e’ piu’ pratico
per i radioamatori l’uso di oscillatori a quarzo, certamente meno costosi e
possono essere migliori in questo aspetto.
Dopo un riscaldamento di almeno 10 minuti sintonizzare il VFO RX alla frequenza
14.000 per il massimo segnale, se necessario aggiustare l’attenuatore a step
fino a che si ode il segnale nel fruscio, che e’ la risposta di intermodulazione
del 3° ordine. Diminuire il range di ingresso dello strumento audio sino a che
il livello e’ circa a meta’ scala. Spegnere entrambi i generatori RF per
posizionare la regolazione relativa dello strumento a circa – 6dB in
combinazione con il suo input range. Riaccendere i due generatori e aggiustare
l’attenuatore a step per leggere sullo strumento audio –3dB (un aumento appunto
di 3 dB). Annotarsi i valori degli attenuatori. Ripetere il tutto con il
preamplifcatore dell’ RX in posizione ON per avere entrambi i casi.
Riportare gli attenuatori ai livelli originali. Sintonizzare il VFO alla
frequenza di imd superiore, a 14.060 Mhz, e ripetere la procedura. Calcolare il
livello Pimd3 sommando il valore degli attenuatori tenendo in considerazione
anche l’attenuazione del combinatore (verificare se nel vs. caso specifico e’
–3dB oppure – 6dB a seconda del tipo usato) Ora ottenuto il dato di Pimd3
si calcola con la (16) la IMD3° DR e una volta misurata la MDS con la
(15bis) si calcola la IIP3.
Esempio: entrambi i generatori sono a –17 dBm
Gli attenuatori sono inseriti a – 24 dB
Perdita del combinatore (versione autocostruita da Handbook) – 6dB
RX MDS misurato = -135 dBm
Pimd3= (-17 dBm) + (- 24 dB) + (- 6 dB) = - 47 dBm
IMD3° DR = Pimd3 – MDS = - 47 - (- 135) = - 47 + 135= 88 dB
IIP3 = IP3=(1,5 x IMD3DR) + MDS = (1,5 x 88) + (-135)= - 3 dBm
IIP2 = IMD2° DR + MDS
Per la IIP2 le frequenze per sig. gen 1 = 6.000 Mhz, sig. gen.2= 8.020 Mhz,
a –20dBm all’ingresso degli attenuatori a step, ed RX sintonizzato sulla
frequenza del prodotto del 2° ordine di IMD ovvero 14.020 Mhz. Annotare l’entita’
dell’attenuazione che produce livelli dei 2 toni che fanno emergere la IMD del
secondo ordine alla frequenza di 14.020 Mhz.
Si calcola secondo il metodo preferito dalla ARRL con riferimento S=5 (oppure
S=1) anziche’ il MDS: usare un generatore RF per determinare il livello che
produce una lettura sullo S-meter pari a S=5 e prendere nota di tale valore.
Ovviamente occorre porre AGC=ON.
Eseguire la prova di cui sopra ponendo gli attenuatori per dare un livello alle
frequenze di imd pari a S=5. Con questo metodo per calcolare IP2 e IP3
(ricordando che il livello di riferimento per IMD=S5 lo si ottiene sottraendo al
livello del generatore RF l’attenuazione totale determinata).
IIP3= ½ x [ 3 x (S5 Pimd3) - (livello di riferimento per S5)]
IIP2= 2 x (S5 Pimd2) - (livello di riferimento per S5)
Esempio:
IIP2 = (2 x - 20 dBm) - [- 20 dBm - 100 db di attenuazione inseriti per il
livello IMD2=S5]= + 80 dBm
E’ possibile che i due metodi, quello del MDS e S=5, portino a valori un po’
diversi.
La dinamica misurabile con questo set-up e’ di circa 106 dB pertanto se e’
richiesto un livello superiore dai due toni e’ consigliato interporre all’uscita
di ogni generatore un amplificatore a guadagno fisso ultra-lineare (es. Synergy
SHL 2-12-01, a 24V., da 1 a 450 Mhz, +25dB di guadagno) ed un ulteriore
attenuatore da 10 dB, come gia’ anticipato in precedenza, e non aumentando il
livello interno dei singoli generatori, cio’ al fine di migliorare gli
isolamenti incrociati e ridurre la possibilita’ di limiti al test con imd
generata all’interno del test stesso.
Inoltre anche nel test della IMD DR come per quello di Blocking DR si puo’
verificare il problema "noise limited" causato dalla (21) e si manifesta
quando appare un aumento del segnale sul canale RX e spegnendo uno dei due
generatori RF si osserva che il rumore rimane, ma in questo caso e’ causato da
rumore di fase.
Sintesi della procedura di prova (da manuale ARRL) Blocking Dynamic Range:
RF Gen1 (Marconi, ora IFR, modello 2041)
Ricevitore in prova (DUT)
Audio/distortion meter HP 339A, |
RF Gen 1: 14.020 Mhz Livello RF: -80dBm Modulazioni: OFF RF Gen 2: 14.040 Mhz Livello RF: -80dBm Modulazioni: OFF 10 dB step att.: 10 dB DUT (ricevitore) |
Si determina (17) P1dB il "punto di compressione" del guadagno a 1dB
all’ingresso di un ricevitore quindi si sottrae da questo valore in dBm il
valore precedentemente determinato di MDS, sempre in dBm. Blocking DR (in dB) =
P1dB - MDS
Regolare l’analizzatore audio per un’indicazione a meta’ scala. Aumentare il
livello del generatore RF 2 che e’ posizionato 20 Khz piu’ sopra sino al punto
che un aumento ulteriore di 10 dB porta ad un aumento del livello audio di 9 dB
(ovviamente cambiando il range dell’analizzatore audio), a questo punto ridurre
nuovamente di 10 dB ed aumentare gradualmente sino a che si annotera’ il livello
del generatore che ha prodotto la compressione (calo) di 1 dB tenendo conto
della perdita del combinatore e gli attenuatori inseriti. Se in questa prova si
riscontra un aumento del livello audio di 1 dB dovuto a rumore (dell’oscillatore
locale se peggiore rispetto a quello del generatore RF usato nel test che deve
avere quindi caratteristiche migliori di rumore di fase vicino al carrier) viene
indicato che la prova e’ stata limitata dal rumore. Si veda il punto (21).
es.: livello di perdita di sensibilita’ P1 dB per RF gen 2 – Att – perdita
combinatore = - 20 dBm
MDS= -135
Blocking DR= (- 20) - (-135)= 115 dB
In conclusione ricordo che inserendo un attenuatore di 10 dB migliora la IIP3 di
10 dB, abbiamo visto che migliora anche eventuali problemi di modulazione
incrociata (punto 20), ma peggiora la MDS in ugual misura (compromesso posto in
evidenza nel concetto del "Receiver Factor" gia’ citato come differenza tra IIP3
e NF) , comunque e’ anche vero che il noise presente connettendo un ricevitore
ad un’antenna (va quindi analizzato l’intero sistema di comunicazione) limita di
fatto la dinamica eventualmente disponibile poiche’ innalza la soglia di rumore,
quindi attenuare puo’ essere utile sino al punto che il rumore interno predomina
e questa soglia varia appunto a seconda della frequenza in uso, propagazione,
ora del giorno, antenna usata e posizione di QTH. L’articolo gia’ citato di
G3RZP ha condotto proprio un’indagine sulla banda dei 7 Mhz per vedere quanta
dinamica e’ necessaria misurando il livello di rumore all’antenna, cifra di
rumore dell’RX, ILDR, PhaseNoiseDR tali che tutti i prodotti di intermodulazione
siano almeno 10 dB sotto alla soglia di rumore presente all’antenna e
conclude con la necessita’ di disporre di un attenuatore variabile o a scatti
fini di pochi dB, per spostare il punto di partenza della dinamica disponibile.
Inoltre la SFDR di un ricevitore non potra’ mai essere uguale alla ILDR se
questa e’ limitata da una PNDR inferiore ed ha dimostrato che in certe
situazioni reali un apparato e’ chiamato ad avere una "phase noise limited
dynamic range" superiore alla intermodulation limited dynamic range. Si riporta,
in sintesi, dati forniti da G3RZP, banda 40 metri, presentati in QEX (ARRL),
05-06/02: rilevazione segnali presenti effettuata su BW totale di 2 Mhz attorno
ai 7Mhz nell’ipotesi che questa mediamente puo’ essere la larghezza dei filtri
di banda in un front-end di un RX medio, il livello di rumore all’antenna
misurato in una BW SSB con FT102 (quindi attenzione a confronti a MDS misurate
su BW CW) antenna sloping dipole full size, qth in zona rurale.
GMT |
livello rumore ant. (dBm) |
cifra di rumore RX |
IP3 necessaria |
ILDR (imd dr) richiesta (dB) |
PNDR (phase n) richiesta (dB) |
0200 |
-99 |
31 |
+32 |
94 |
98 |
0615 |
-105 |
25 |
+20 |
90 |
90 |
1445 |
-105 |
25 |
+20 |
90 |
90 |
1545 |
-106 |
24 |
+5,5 |
82 |
85 |
1645 |
-97 |
33 |
+36 |
95 |
84 |
1745 |
-98 |
32 |
+31,5 |
93 |
97 |
1945 |
-97 |
33 |
+31 |
92 |
94 |
2045 |
-91 |
39 |
+28 |
86 |
91 |
2145 |
-106 |
24 |
+20,5 |
91 |
100 |
2230 |
-99 |
31 |
+32 |
94 |
98 |
Il parametro della IP3 da solo non basta e puo’ apparire migliore in
ricevitori a piu’ bassa sensibilita’. Il parametro della SFDR (tenendo presente
sia IMD che rumore di fase degli oscillatori locali) o IMD DR e’ molto
significativo, assieme al Blocking DR, va misurato direttamente come visto
sopra, e va letto come specifica di caso peggiore e costituisce la vera sfida
per gli ingegneri progettisti. Vanno ottimizzati un po’ tutti gli stadi dell’ RX
, in particolare il sintetizzatore OL, tutto il front-end, primo mixer compreso,
e cio’, in combinazione con un aumento di selettivita’ a monte e in prima IF in
RX cosi’ appositamente progettati (molto significativo a questo proposito
l’esempio citato del CDG2000 in Radcom, con uso di filtri stretti in 1° IF, per
il modo in uso, come quelli presenti normalmente in 2° o 3° IF a frequenze piu’
basse) puo’ consentire un netto aumento di dinamica che altre situazioni di
banda possono richiedere (penso ai 21 Mhz, in situazioni con forti segnali di
stazioni locali vicine durante i contest, in cui per il minor rumore all’antenna
rispetto i dati relativi al caso dei 7 Mhz, puo’ richiedere contemporaneamente
alta sensibilita’ ed alta IP3 per cui in questo caso non puo’ valere la cura
prospettata con l’uso di attenuatori all’ingresso RX).
Infine la prova della cosiddetta "in-band IMD" intesa con i generatori RF molto
vicini in frequenza, entrambi posti all’interno del filtro di IF, va eseguita
sostituendo il voltmetro-AC audio con analizzatore di spettro audio ed in genere
non pone grossi problemi a meno che la IMD sia proprio pessima, comunque anche
qui tanto meglio piu’ e’ bassa la distorsione. Abbiamo cosi’ toccato tutti i
parametri presenti nelle tabelle riportate su R.R. 10/2002 pag. 33 e 34,
articolo di altro autore, sull’ "Elecraft K2", compilate con dati ARRL, per una
migliore comprensione.
A questo punto e’ opportuno precisare che nel scegliere un apparato rispetto ad
un altro alla fine e’ naturale che entrino in gioco anche altri aspetti, qui non
presi in esame, e fattori soggettivi.