ред. 10.04.2022

26.11.2017 

Краткий обзор о том, как я измеряю IMD3 у своего самодельного радио.

Поскольку у меня нет анализатора спектра - я приспособил для этого второй SDR-приёмник, расположенный на небольшом удалении (около трёхсот метров) от передающего SDR-трансивера.

На обоих QTH запущена программа PowerSDR, происходящее на удалённом приёмнике наблюдается через программу TeamViewer, измерение IMD3 и подстройка уровня выходной мощности происходит в режиме он-лайн.

Разумеется, ничто не мешает поставить второй контрольный SDR на соседнем столе и контролировать сигнал на втором мониторе. В антенный разъём второго SDR, в большинстве случаев, достаточно вставить какой-нибудь разъём (я использую штекер от тестера Ц-20) или кусок провода.

Как известно, уровень продуктов интермодуляции третьего порядка IMD3 должен быть на 34дБ ниже относительно уровня каждого из двух тонов двухтонального сигнала. Уровень же тонального не модулированного сигнала (нажатие ключа) с эффективной мощностью, равной пиковой мощности двухтонального сигнала, должен быть выше на 6дБ уровня каждого из двух тонов на экране спектроанализатора либо на панораме SDR и соответствует вдвое большему амплитудному значению переменного ВЧ-напряжения. На примере: если тональный сигнал имеет амплитуду 1В, то уровень каждого из двух тонов должен быть по 0,5В по амплитуде. На пиках осциллограммы два тона будут давать амплитудное значение 1В при сложении фаз при условии, что сигнал не ограничивается при усилении. При этом, мощность каждого из двух тонов вчетверо меньше мощности тонального сигнала.

Для примера: так выглядит на осциллографе двухтональный сигнал со смесителя SDR-трансивера при линейности около 52дБ (определялось на удалённом SDR-приёмнике).

По тональному сигналу в режиме нажатия ключа невозможно определить корректно при какой мощности уровень допустимых искажений уже превышен, т.к. при этом возникают гармоники, которые эффективно подавляются П-контуром лампового усилителя или ФНЧ транзисторного. Интермодуляционные и комбинационные же искажения попадают в полосу полезного сигнала и в значительной степени присутствуют в непосредственной близости от неё и фильтрации последующими каскадами не подвергаются (т.е. благополучно излучаются в эфир вместе с полезным сигналом). При этом, полоса SSB-сигнала начинает занимать значительно большую область, нежели 2,7кГц по уровню -6дБ, предписанные ранее нормативными документами в области любительской радиосвязи.

В настоящий момент данный документ претерпел очередное изменение. Текущая редакция для любительской службы на сайте ГРЧЦ.

Если вы "выдавили" из своего PA в режиме нажатия ключа, скажем, 100Вт (100В амплитудного ВЧ-напряжения на нагрузке 50Ом), то это не значит, что подавая двухтональный сигнал с указанными соотношениями (50в амплитуды для каждого из двух тонов), вы получите приемлемый уровень IMD3. Это будет означать, что сигнал ограничивается. Один из вариантов ограничения двухтонального сигнала выглядит так (трапеция): 

В этом случае, необходимо снизить уровень сигнала на входе усилителя (и, как следствие - выходную мощность), произвести новые измерения и т.д., пока не удастся получить значение IMD3=34дБ. При этом, вдруг окажется, что данному значению IMD3 соответствует мощность в режиме нажатия, значительно ниже, чем исходные 100Вт... На осциллографе, конечно, можно получить только общее представление об ограничении двухтонального сигнала, а точные измерения необходимо производить либо на анализаторе спектра (не доступно большинству любителей в силу дороговизны оборудования), либо на панораме SDR-приёмника.

Именно при таком значении IMD3, пиковая мощность SSB-сигнала будет равняться максимальной (эффективной) мощности тонального не модулированного сигнала при допустимом уровне интермодуляционных искажений. Будете ли вы добиваться таких показателей (если не страдаете стрелочной болезнью) - это другой вопрос и данный аспект этот материал не затрагивает...

Если у вас нет программной функции двухтонального синала или отдельного двухтонального генератора - можно попробовать использовать сигнал PSK, при этом, индикатор ALC трансивера должен показывать уровень, близкий к "0дБ", но не превышать его, т.е. быть максимально допустимым по уровню и качеству.

Теперь, о том, как изменяется (ухудшается) значение IMD3 от каскада к каскаду. Если, допустим, со смесителя SDR-трансивера можно получить значение IMD3=50дБ, то последующий каскад предварительного усиления может ухудшить этот параметр децибел на 10-20 если работает в нелинейном режиме, а на выходе оконечного усилителя мы легко можем получить дальнейшее ухудшение сигнала до неприемлемых значений. Т.е. имея исходный сигнал с IMD3=34дБ, в большинстве случаев, не удастся получить на выходе внешнего PA это же значение при коэффициенте усиления по мощности, характерном для того или иного схемного решения. Соответственно, должен быть некоторый запас...

Приведу несколько скриншотов.

Двухтональный сигнал на панораме удалённого SDR-приёмника. Источник сигнала: SDR-трансивер с усилителем на IRF510 в классе А, фильтром низких частот при мощности сигнала около 1Вт.

Пояснение к рисунку. В эфир передаётся двухтональный сигнал с частотами 900Гц и 2100Гц (для наглядности, я выбираю частоты симметрично, относительно середины полосы 1500Гц, при этом, чтобы продукты интермодуляции третьего порядка не попадали в полосу сигнала 2.9кГц приёмника). Вместе с полезным сигналом передаются побочные излучения. Видим значение IMD3=30дБ - близко к требуемому, но значения 34дБ не достигает (необходимо уменьшать уровень сигнала на входе усилителя, добиваясь его работы в линейном режиме). Так же, показаны продукты интермодуляции 5-го порядка и остаток не подавленной несущей.

Включаем PA на двух ГУ50, наблюдаем следующее:

После подбора (уменьшения) уровня входного сигнала, уровень IMD3 практически остался без изменений. Однако, при незначительной перекачке по входу, значение IMD3 быстро ухудшается... К слову, с одной ГУ50 по схеме с общим катодом выходная мощность при IMD3=34дБ получилась всего лишь 60Вт, хотя, в режиме нажатия ключа можно "выдавить" ватт 100-120 (с трёх полтинников по схеме с сетками, заземлёнными по ВЧ, при токе 500мА я выдавливал 300Вт). В телеграфе это может быть терпимо, но в режиме SSB все огрехи сигнала сразу же будут заметны. 

Так же, наблюдаем перегрузку АЦП звуковой карты в составе удалённого SDR-приёмника в виде спуров по обе стороны относительно полезного сигнала на панораме. Откалиброванный S-метр показывает уровень полезного сигнала -17dBm, что соответствует значению S9 + 56дБ по S-метру.

К данной теме не относится, но перегрузка по входу SDR-приёмника на панораме выглядит следующим образом. Двухтональный же сигнал да ещё и с плохим IMD при перегрузке по входу выглядит ещё ужаснее... К слову, на моём SDR после калибровки S-метра перегрузка наблюдается на уровнях выше 9 баллов +45дБ. Т.е. динамический диапазон приёмной части не самый выдающийся, но в абсолютном большинстве случаев при реальной работе в эфире его хватает.

Белый шум при тех же настройках уровня выходного сигнала.

Здесь видны побочные излучения (на картинке ошибочно указано "внеполосные излучения") выше и ниже по частоте относительно полосы полезного SSB-сигнала (я называю это "юбкой"), остаток не подавленной несущей. Уровень полезного сигнала - 9 баллов +40дБ (-33dBm).

И, наконец, SSB-сигнал полосой 2.9кГц.

Как видно на сриншоте, при IMD3 двухтонального сигнала, равном 30дБ (напомню, это значение ниже нормы на 4дБ), "в динамике" (термин, придуманный завсегдатаями частоты 3.640) получаем подавление побочных излучений приблизительно на 40дБ, если, конечно, мы не переусердствовали с уровнем усиления и компрессией по микрофону... 

Если продукты интермодуляции вместе с комбинационными частотами имеют значительные уровни, то они, попадая в полосу полезного сигнала, зашумляют его, делают сигнал неразборчивым. Кроме того, высокий уровень побочных излучений создаёт помехи работающим вблизи станциям и чем мощнее грязный сигнал - тем больше от него проблем на диапазоне. Впрочем, это - прописные истины... 

Вот наглядный пример двух сигналов, близких по фактуре, но разных по качеству:

На частоте 7.033 - цифровой сигнал неизвестного происхождения. На частоте 7.062 - сигнал моего SDR. Разница в уровнях побочных излучений очевидна...

Выкладываю небольшой I/Q-файл в котором записан тест сигналов с выхода SDR-трансивера и с усилителя на RD16 при мощности 3Вт, IMD3=40дБ и коэффициенте усиления 36дБ. Этой мощности достаточно для того, чтобы получить около 120Вт с двух ГУ50 по схеме с ОК. А вот файл записи сигнала с выхода усилителя на одной ГУ50 по схеме с общим катодом, током покоя 50мА, 960В анодного напряжения при токе анода 140мА, +286В экранного напряжения и при мощности в режиме нажатия 70Вт. IMD3=37дБ. При переключении в режиме обход хорошо видно, что Ку по мощности составляет 22дБ. Это очень не плохо для схемы с ОК и не реально для схемы со всеми сетками "об землю". 

Следующий вариант: две ГУ50, 100Вт по схеме с ОК при IMD3=36дБ, токе покоя 90мА, токе в режиме нажатия 280мА. Ку по мощности составляет 21дБ.

Там же лежит скрин с вариантом повышенного уровня побочных излучений. Обратите внимание, что уровень полезного сигнала по S-метру практически идентичный. Разница в том, что по другому настроен выходной П-контур усилителя. IMD3=28дБ против IMD3=36дБ.

В заключении, рискну предположить, что без средств визуального мониторинга сигнала, получить желаемый результат весьма затруднительно и, в большинстве случаев, он будет носить случайный характер...

02.12.2018

В последнее время я контролирую линейность усилителя более простым способом, позволяющим исключить грубые ошибки при настройке. На фидер наматывается виток к витку медный провод длиной около 20см, толщиной около миллиметра. К одному концу этого провода подключается щуп осциллографа, земляной контакт - на шасси усилителя или любого другого компонента системы. На осциллографе выставляется чувствительность 0.05В на клетку и развёртка, позволяющая отчетливо видеть синхронизированный двухтональный сигнал. После настройки П-контура по максимуму показаний индикатора настройки (в режиме нажатия ключа), подавая двухтональный сигнал, перестройкой холодного конденсатора в ту или иную сторону от исходного положения, на экране осциллографа можно наблюдать либо трапецию, либо уменьшение амплитуды двухтонального сигнала. Необходимо найти такое положение, при котором уровень сигнала максимален, но трапеция ещё не наблюдается. Просто и эффективно...

Амплитуда сигнала в режиме нажатия ключа должна соответствовать амплитуде пиков двухтонального сигнала. Если имеется сильное различие в амплитудах - уровень двухтонального сигнала подобран неверно. Если трапеция двухтонального сигнала наступает при меньшей амплитуде - уровень тонального сигнала, при котором заметить нелинейность достаточно трудно, необходимо уменьшить и произвести новые измерения. Т.е. если, например, при нажатии ключа на медленной развёртке экран осциллографа закрашивается в молоко на три клетки выше и ниже от средней линии, то и пики двухтонального сигнала должны достигать амплитуды на три клетки вверх и на три клетки вниз...

Касаемо настройки П-контура. Зависимости при настройке здесь такие: тем меньше холодная ёмкость, тем больше связь с антенной, тем выше линейность сигнала но меньше полезная мощность и наоборот. Разумеется, изначально необходимо найти такое положение конденсаторов настройки, при которых провал анодного тока не превышает 10-15%, согласно многим источникам. Я считаю, что более 10% провал делать не следует... Раскачка усилителя подбирается таким образом, чтобы при расстроенном П-контуре (достаточно примерно на четверть выкрутить горячую ёмкость в сторону уменьшения), ток анода не должен превышать рабочий на это же значение 10-15%. При расстроенной ВКС измерение необходимо производить быстро, т.к. вся подводимая мощность рассеивается на анодах ламп и в большинстве случаев превышает максимально допустимую. Можно подавать серию точек в телеграфном режиме с высокой скоростью. Если провал анодного тока в резонансе превышает рекомендуемое значение 10-15% - усилитель работает в перенапряжённом режиме (сопротивление нагрузки велико). Необходимо уменьшить холодную ёмкость (увеличить связь с антенной), заново подстроить горячую ёмкость и произвести новое измерение. Если провал анодного тока в резонансе менее 10% - усилитель работает в недонапряжённом режиме (сопротивление нагрузки мало). Линейность усилителя выше, но он не отдаёт мощности, на которую способен. Необходимо увеличить холодную ёмкость (уменьшить связь с антенной), подстроить горячую ёмкость и произвести новое измерение. Более подробно о настройке П-контура для усилителя на триоде или псевдо-триоде я написал здесь.

Чистого сигнала вам и по-меньше QRM! До встречи на бендах! 73