7. Calcolo di IP3 di uno stadio con l’aiuto di AppCAD by AGILENT
Innanzitutto scaricare il programma AppCAD, disponibile gratuitamente, dal
sito internet dell’Agilent, ora nelle ultime versioni 2.51
(
http://www.agilent.com/view/appcad, di circa 11,9 Mb) oppure la 3.0 di circa 14
Mb (http://www.hp.woodshot.com/ ). Con
linea ADSL occorrono pochi minuti e gira su sistemi operativi Windows 95, 98,
2000 e XP.
Una volta installato avviare il programma e selezionare "Signals-Systems".
Cliccare su "Intercept Point" per avviare la procedura di calcolo relativa alla
IP3 o TOI di uno stadio.
Si ha la possibilita’ di selezionare:
1) IP3 riferita all’ingresso o uscita dello stadio
2) segnale riferito all’ingresso o uscita
3) IM riferita all’ingresso o uscita
Il segnale e’ il livello di ognuno dei due uguali toni. Le modalita’ di calcolo
possibili sono:
a) IP3 con i dati noti e/o misurati di Psig e livello IM
b) livello IM dati Psig e IP3
c) livello Psig dati IP3 e livello IM
Se selezioniamo per 1) IP3 output, 2) Signal input, 3) IM output e per modalita’
di calcolo IP3 allora ci resta solo da inserire negli appositi spazi vicino al
grafico dello stadio in analisi per Sig 1 (=Pin) ad esempio –27 (dBm), per Gain
(G) inserire 12 (dB), per IM1 (=PIMD3) inserire -115 (dBm). Cliccare su
"Calcolate(F4)" ed il programma calcola la OIP3=+35 dBm,
Pout= -15dBm e la IM (=IMD3)= 100 dB. Il tutto corrisponde esattamente a quanto
ottenuto in tabella nell’esempio 1 di cui piu’ sopra.
Dulcis in fundo basta cliccate nel riquadro a destra del grafico "Graph
reference" per passare immediatamente dal riferimento output al riferimento
input dello stadio ed al valore IIP3.
E’ pertanto sufficiente misurare il livello PIMD3 (denominato da AppCAD IM1), ad
un determinato livello di uno dei due generatori dei due toni combinati all’
ingresso dello stadio, misurare il guadagno dello stadio, per ottenere
velocemente il calcolo della OIP3 o IIP3.
8. Analisi di uno stadio o un insieme di stadi in un sistema di comunicazione con AppCAD
Tornando al menu principale con (F8) o cliccando "Main Menu (F8)" e’ possibile passare alla potente procedura "NoiseCalc" per l’ analisi di un sistema di piu’ stadi in cui e’ possibile selezionare il numero di stadi nella gamma da uno ad un numero elevato limitato solo dalla memoria RAM disponibile nel computer. Dal menu superiore e’ possibile selezionare "Application Examples" in cui si puo’ selezionare un sistema gia’ pronto che descrive un ricevitore generico a doppia conversione composto da 10 stadi, oppure selezionate il numero di stadi che vi interessa, tipo filtro passabanda passivo, uno o due stadi di amplificazione attivi, mixer (ad esempio passivo se a diodi) e cosi’ via. Quelli piu’ vicini all’antenna influenzano maggiormente le performance del sistema e con APPCAD viene evidenziato, con intensita’ di colore diverso, lo stadio che presenta maggior sensibilita’ nel senso di maggior contributo alle performances del sistema: blu per la sensibilita’ di dNF/dNF, verde per dNF/dGain, rosso per dIP3/dIP3.
Parametri in input di stadio: cifra di rumore, guadagno o perdita, IP3
tra i principali ed opzionali quali coefficienti di temperatura.
Condizioni di prova del sistema: Pin, temperatura di analisi, BW
larghezza di banda in MHz, S/N.
Una volta inseriti i parametri input per ogni stadio cliccare su
"Calcolate(F4)".
Parametri di sistema (cumulativi) calcolati: guadagno, cifra di
rumore, temperatura di rumore in gradi K, SNR, MDS, sensitivity ovvero
sensibilita’ riferita al S/N, noise floor, IIP3, OIP3, IM level sia come livello
in dBm che in dBc, SFDR ovvero "spurious free dynamic range" che caratterizza la
gamma utilizzabile di segnali all’ingresso di un sistema nel quale i prodotti di
intermodulazione del terzo ordine non eccedono il noise floor. Il tutto in
frazioni di secondo. Mi pare veramente interessante e comodo inoltre ha anche
tante altre possibilita’ da scoprire. L’analisi di un sistema ricevente e’
affascinante, ma esercizio complesso, facilitata se assistita da software di
simulazione potenti come AppCad. La distribuzione del guadagno tra gli stadi e
le varie caratteristiche degli stessi in combinazione con un’architettura
appropriata costituiscono gli ingredienti fondamentali di un ricevitore: la
modifica o alterazione di un solo aspetto puo’ portare a risultati non
completamente soddisfacenti.
Segue simulazione a tre stadi, filtro passa banda (fpb) per es. G=-6, NF=6,
IIP3=50, verosimile nel caso non vengano usati diodi di commutazione,
preamplificatore ad es. 2x2n5109 con G=12, NF ad es. =6, IIP3=28, caso
preamplificatore ON, ed un ricevitore medio con NF=10, IIP3=11.
Si ottiene MDS= -127, IIP3 del sistema intero= + 5, SFDR= 88,4:
Se si esegue ora una simulazione a tre stadi, filtro passa banda (fpb) es.
perdita -6 dB, NF=6, preamplificatore ad es. 2x2n5109 ponendo G=0, NF=0, ovvero
caso preamplificatore OFF, e IIP3=100, come se fossero proprio 2 soli stadi il
primo ed il terzo, si ottiene, su larghezza di banda inserita di 2400 Hz: MDS=
-124, IIP3 intero sistema= + 17, SFDR= 94.
Osserverete il guadagno del secondo stadio, il preamplificatore, con una certa
NF ipotizzata abbastanza elevata, e le ripercussioni nel dato MDS, IIP3 e SFDR
nel caso preampl. ON e OFF. In questa situazione, con preampl inserito, vi e’ un
miglioramento di 3 dB nella MDS pur se leggerete sull’S meter un aumento
dell’indicazione di 12 dB ed un lieve peggioramento della SFDR.
Appare utile precisare che questo modello non tiene conto di nessuna
considerazione relativa al rumore di fase dell’oscillatore locale o PNDR inoltre
non tiene conto della curva attenuazione-frequenza del filtro passa banda nel
front-end, ma solo della sua attenuazione nel passabanda considerato, ovvero si
ipotizza che con esso i problemi di IMD2° siano gia’ stati risolti e non
inficiano i dati ulteriori in esame relativi alla situazione all’interno della
banda considerata.
Inoltre lo scostamento in frequenza dei due generatori per il test della IMD3°
sono impliciti e’ implicito nel dato che inseriamo della IP3.
Sintesi ad uso pratico (con qualche approssimazione tipica di una sintesi)
sull’impatto che possiamo attenderci dall’uso di alcuni accessori e modifiche
alle principali misurazioni su di un RX:
IP2 | IIP3 | MDS | SFDR | XM | PNDR | note | |
filtro p. banda tra ant. e RX | +++ | + (per
perdita inser) |
- per perdita d’inserzione | =dipende ∆ f 2 toni |
+ | = | consigliab. *** |
attenuatore ON | + | ++ | - - (=atten) | = | ++ | = | *** |
preampl ON | - | - - | +, dipende | -,dipende | - | = | certi casi |
preampl OFF | + | ++ | - - | = | ++ | = | *** |
modifiche interne | + | + | + | + | + | + | >difficolt. |
+ miglioramento, - peggioramento, = nessuna o scarsa variazione.
***L’inserimento di un attenuatore in RX sposta il punto di partenza della
gamma dinamica verso l’alto. Ci si puo’ aspettare un effetto analogo spegnendo
il preamplificatore, prima cosa da provare.
Inserendo il preamplificatore sposta il punto di partenza della DR verso il
basso, ma da usare solo in certi casi di combinazione banda e antenna usata. E’
probabile che la SFDR ne risenta un po’.
(Aggiormanento
del 21 aprile 2003):
Siamo nettamente d'accordo con Doug
Smith KF6DX e vi invito a leggere attentamente quanto da lui riassunto nel
proprio scritto, qui disponibile il relativo
link,
in merito alle prove sui ricevitori e le architetture dei ricevitore, di
fondamentale importanza, che sintetizza ai fini pratici
cio'
che abbiamo qui esposto in maniera analitica:
KF6DX, Doug T. Smith, Editorial Services: "More On Receiver Dynamic Range" (4-19-2003)
http://www.doug-smith.net/moredynamics.htm
9. Software di simulazione di filtri passivi HF con risposta in frequenza, perdita di ritorno ed altro.
Un breve accenno a software molto utili nel lavoro preparatorio per qualsiasi
progetto di realizzazione di filtri passivi, in particolare lo abbiamo usato per
confrontare la famiglia di filtri passabanda Butterworth e Cauer (questi ultimi
supportati da pochi software).
Ho provato un paio
di programmi di simulazione al computer di filtri, con risposta in frequenza e
return loss, come in un analizzatore RF di reti, che supportano anche i filtri
Cauer, ed ho notato, solo nel caso esaminato, ovvero per i Cauer passa banda:
a) alcune differenze sia tra i dati originali proposti da OK1RR nel proprio sito
internet e le ottimizzazioni reali, sia tra i due programmi da me testati nei
risultati delle simulazioni sempre rispetto ai valori reali (uno dei due
software pare proprio la base delle simulazioni prodotte da OK1RR nel proprio
sito, in quanto coincidono esattamente).
b) uno dei due programmi si e' avvicinato di piu' alle curve di attenuaz./ freq.
a quelli che sono i risultati reali usando componenti reali.
Nelle bande a frequenza piu’ bassa e’ piu' evidente la proprieta'
ellittica della risposta di questi filtri CAUER e nella realta’ i due gruppi LC
verso massa sono molto importanti nel determinare proprio il fattore di forma
ellittico che contraddistingue la famiglia di filtri denominata CAUER
nell’implementazione attinta dal sito di OK1RR. Egli stesso ha messo sul
proprio sito tutti i grafici, banda per banda, ottenuti con una simulazione al
computer che abbiamo proprio voluto verificare in pratica, pertanto nei dati
pubblicati in R.R. 10/02 abbiamo indicato qualche valore diverso dai suoi, poi
noi abbiamo usato dei compensatori variabili proprio per poter sempre
ottimizzare la forma e recuperare le differenze di valore dei componenti reali.
A maggior precisazione alcuni compensatori da noi indicati di valore nel range
1-5pF in realta' e' meglio che siano nel range da 1-a 10pF, in concordanza
piena con la simulazione fatta con uno dei due software usati. Da una ns.
corrispondenza con Angiolo, I5SXN, concordiamo che la realta’, per qualsiasi
tipo di filtro, va verificata con la strumentazione poiche‘ o per
ritorni di massa non adeguati o
perche’ il programma non tiene conto delle capacità parassite delle induttanze,
in particolare quando l’avvolgimento è fatto con molte spire, sono molto
significative ed occorrerebbe raccontare al programma anche la loro esistenza.
Segnalo questi due programmi reperibili su internet, il primo totalmente
gratuito, molto interessanti, oltre al noto ARRL designer:
a) ELSIE di WB6BLD, Jim lo rende disponibile in download gratuitamente, ha funzionalita' piena ed e’ derivato da programma in vendita a diverse centinaia di dollari da Trinity Software di WB6BLD, e' pienamente operativo ma limitato solo all'ordine del filtro (settimo). Nel suo sito e’ ora disponibile anche una guida all’uso completa. |
b) l'altro della ditta USA Almost All Digital Electr., AADE, fornito ora freeware nel loro sito internet. |
L’immagine che segue e’ una nostra simulazione con il software ELSIE di WB6BLD sulla banda 7 Mhz: il filtro
Cauer a 4 toroidi (e’ la curva interna) e’ confrontato con un Butterworth a 3
toroidi.
Visualizzazione del "return loss" sovrimposto alla curva di attenuazione di entrambi i filtri:
Entrambi supportano la configurazione CAUER direttamente ed e’ anche
definibile dall'utente la configurazione del filtro da analizzare.
In effetti questa tipologia di filtro pare che non abbia avuto una grande
diffusione tra i radioamatori anche per la difficolta' di calcolo manuale dei
valori appropriati e maggiori difficolta’ di taratura.
Ovviamente parrebbe preferibile la configurazione Butterworth se si accetta un
fattore di forma inferiore, ma con minor "Rainbow" al di fuori del passabanda.
Ritengo sia preferibile il miglior fattore di forma se e' mantenuto almeno a -50
dB fuori dal passabanda, gia' e' una buona attenuazione, con una pendenza
maggiore. La scelta dipende anche dall'uso specifico e se la perdita di
inserzione e' un parametro critico. Dopo aver menzionato alcuni importanti
programmi utili nella fase teorica di definizione di un progetto, nella fase
realizzativa puo’ essere molto utile il programma del team
IK2JSB "filtri AF",
presentato su R.R. 5/02 in particolare per la funzione di calcolo dei toroidi
Amidon, con il quale e’ possibile, avendo gia’ calcolato i dati per un qualsiasi
filtro delle induttanze in microH, passare al numero di spire per un dato
toroide, quale buona partenza iniziale.
In conclusione ritengo utile riportare altra importante esperienza relativa al
front-end presentata nella rivista Radcom, 07/02, ed.RSGB, parte del piu’ ampio
progetto di transceiver avanzato CDG2000, tra i cui autori vi e’ G3SBI, un
ricercatore scientifico. Pure loro hanno impiegato solo relays per le
commutazioni dei filtri passabanda, ed hanno posto in luce che usando bobine su
supporto verticale con nucleo centrale del tipo "Toko", schermate dal cappuccio
metallico, preavvolte, o in alternativa in kit Lodestone Pacific, nei loro
filtri Butterworth a 3 bobine cadauno hanno ottenuto perdite di inserzione nella
gamma da 2dB a 4 dB a seconda delle varie bande HF, mentre per quanto riguarda
l’interessante dato di OIP3 del solo stadio dei filtri hanno riportato valori
nella gamma da +25 dBm a + 40 dBm, quindi pur sempre un buon dato, ma il valore
minimo per alcune bande non e’ particolarmente elevato ed inferiore in alcuni
casi alla OIP3 del mixer successivo H-mode basato sull’integrato Fairchild
FST3125M, quindi in tali casi un fattore limitante. Gli autori suppongono che la
causa sia la saturazione del nucleo. L’ uso dei toroidi di maggior diametro come
da noi riportato nei nostri articoli in R.R. 09 e 10/2002 lascia quindi ben
sperare dato che piu’ difficile e’ la loro saturazione. William Sabin, W0IYH, ha
misurato
IP superiori a + 50 dBm nel caso di filtri passa banda con toroidi .
Interessante appare la tecnica usata per i contatti dei relais "DC-wetted" per
migliorare la conduttivita’ dei contatti alle bassissime correnti in gioco dei
segnali RF presenti in antenna, realizzata con l’inserimento lungo il passaggio
del segnale RF di un modesta tensione DC, a pochi mA, attraverso i contatti dei
relais in serie al passaggio della RF, con relativa resistenza di chiusura verso
massa posta dopo il contatto del relays, pertanto non isolati DC nel passaggio
in serie al segnale, sia in ingresso che in uscita al filtro. Ricordo infine il
mio sito internet per aggiornamenti, errata corrige e link a riferimenti
bibliografici e programmi presenti in rete:
http://www.qsl.net/ik4auy/ .
Riferimenti bibliografici, letture consigliate e approfondimenti,
da
Radio Rivista: Giorgio
Vanin, IN3IYD, La misura di MDS e IMD nei ricevitori per onde corte, R.R. 12/92,
pag. 46-49. Alcune note per il progetto di un ricevitore per onde corte, R.R.
9/93 pag. 43-47. R.R. 5-95 pag. 36-41. La misurazione dei prodotti di
intermodulazione, R.R. 4-96 pag. 48-50. Domenico Marini, I8CVS, Ricevitori per
satellite, parte 1, 2 e 3, R.R. 3/94 pag. 30-33, 4/94 pag. 38-42, 05/94 pag.
27-32. Angiolo Chiti, I5SXN, Intercept Point del terzo ordine, R.R. 1/95, pag.
34-35. Giancarlo Moda, I7SWX, Generatore RF a due toni per la misura della IP3,
R.R. 01/02 pag.29 e Modifiche al ricevitore dell’IC751 per migliorarne l’IP3,
R.R. 04/02, pag. 21-30. Goliardo Tomassetti, I4BER,
Intermodulazione e modulazione incrociata, R.R. 12/92, pag 45. E. Barbieri,
I2BGL, RX per HF Oscillatori locali e purezza spettrale, R.R. 6/99, pag. 36-38.
Radiomonitoring, E. Barbieri, I2BGL, parte 1 e 2 in R.R. 04-02, 05-02;
Intermodulazione e modulazione incrociata, R.R. 12/92, pag. 45. Francesco
Imbevi, IK1HLG, Elecraft K2, R.R. 10/02, pag. 33-34.
Doug T. Smith, KF6DX (Editore di QEX e consulente della Ten-Tec)
http://www.doug-smith.net/moredynamics.htm
Pubblicazioni ARRL:
John Devoldere, ON4UN, Low-Band Dxing (ARRL), 3a ed.,
pag. 3-6;
Handbook 2001, in vari capitoli. Wes Hayward, W7ZOI,
Introduction to
Radio Frequency Design, pag. 355, ARRL pub.n.4920. Si veda ora il
recentissimo libro (sostitutivo ad aggiornato rispetto a "Solid State
Design degli anni '70") "Experimental
Methods in
RF design" di Wes Hayward, W7ZOI, KK7B e W7PUA, ed. 2003 ARRL che verra'
spedito a partire da febbraio '03).
Manuale delle procedure di
test laboratorio ARRL.
HF Radio Systems & Circuits, 2a ed., William Sabin, W0IYH, Edgard Schoenike,
ARRL pub. N. 7253.
Da rivista
QEX (ARRL): John Stephensen, KD6OZH, Reducing IMD in
High-Level Mixers, 05-06/01, pag. 45-50, ottimo articolo con esempi pratici di
tecniche per ottenere la piu’ alta gamma dinamica dai mixer a diodi, con
chiusura ottimale di tutti e 3 i porti. G3RZP, Peter Chadwick, Hf Receiver
Dynamic Range: how much do we need?, 05-06/02, pag. 36-41. KF6DX, Doug Smith,
QEX editor, 07-08/02 Improved Dynamic Range Testing, pag. 46-52; James Scarlett,
KD7O, A high performance Digital-Transceiver Design, Part 1, 07-08/02, pag.
35-44; Tadeusz Raczek, SP7HT, The DX Prowess of HF Receivers, 09-10/02 pag.
36-40.
The VHF-UHF DX book, edito da G3SEK (RSGB), Receivers and Local Oscillators,
capitolo 5.
Da rivista
RADCOM (RSGB): The CDG2000 HF Transceiver by Colin Horrabin,
G3SBI, G8KBB e G3OGQ nei numeri da 06/02 a 12/02; G3VA, Tech. Topics 04/02, The
quest for low noise oscillators, pag. 62-69; G3VA, Tech. Topics 11/02, Low noise
5 Mhz VFO, pag. 77-78 in cui e’ presentato un VFO LC ad altissime prestazioni di
"close-in" noise; G3VA, Oscillator noise & the K2 kit, Technical Topics, 12/02,
pag. 61-62. Un'applicazione pratica
con il mixer H-Mode basato sull'integrato FST3125 (Fairchild) nel recente
articolo di Giancarlo Moda, I7SWX in Technical Topics, mese di aprile 2003 pag.
82 e 83.
In
http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/749 nota
applicativa Maxim dal titolo:
"Improving Receiver Intercept Point Using Selectivity".
In
http://rf.rfglobalnet.com/library/ApplicationNotes/files/1/intercept.htm
il grafico originale Avantek sulla IP2 e IP3. In
http://rf.rfglobalnet.com/designcenters/hp/design/tips/dt_g001.htm
Measuring IP3.
Note tecniche per mixer della Mini-Circuits e Synergy (USA) da cataloghi e loro
siti internet.
Da internet anche APPCAD (Agilent) ed ELSIE (si veda i link nel nostro sito
web). Per un elenco con i dati principali (ARRL) di prova su apparati
commerciali, parametri qui commentati, in
http://www.elecraft.com/K2_perf.htm In
http://www.redhotradio.com/NC30QRPacificon2002.pdf file di 32 pagine
sul progetto "NORCAL" 30, ricevitore monobanda in cui vi sono foto e grafici
molto interessanti e’ vi e’ riportato un test indipendente degli apparati
commerciali eseguiti da "Adventure Radio Society", in base la citato "Receiver
Factor" (IP3 –NF) proposto da W7ZOI.