Fyzika a matematika

Poznámky k článkům o problematice QRO na VKV

(OK1VPZ)

III.díl 

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Požadavky na přijímače VKV: 

V uplynulém vydání jsem se věnoval otázce vzájemného rušení při VKV závodech z pohledu kritiky veřejnosti na stanice užívající QRO. Zkusil jsem osvětlit některé technické principy, na základě kterých dochází ke vzájemnému rušení a nastínil postupy, které na straně vysílače vedou k podstatnému omezení těchto nežádoucích projevů. Zkusme se nyní podívat na uvedený problém z hlediska požadavků na přijímače.

Otázka kvality přijímače je často diskutovanou záležitostí. Skoro všichni vědí, že ten či onen přijímač je dobrý, jiný zase špatný. Toto hodnocení vychácí velmi často ze zkušeností aktivních KV hamů, kteří již vědí, že třeba s IC 706 si na 7 MHz večer moc nezapřijímají. Podobně, avšak ne zcela stejně  je tomu na VKV. Kde je základní rozdíl ?  Jak už bylo uvedeno v předchozí části, dynamika signálů, které se objevují na vstupu přijímače je minimálně o jeden řád vyšší, než kdekoli na KV (připomeňme si, že stanice s výkonem 500 W ve vzdálenosti 10 km na vstupu přijímače protistanice za předpokladu slušných anténních systémů nasměrovaných navzájem „na sebe"  vyvolá signál o úrovni téměř S 9 + 90 dB). Na druhé straně je takto extrémně silných signálů na VKV (oproti KV) relativně málo – jeden, dva, výjimečně tři. To ovšem klade poněkud odlišné požadavky na VKV přijímače pro dobré umístění v závodech v porovnání se situací na  KV.

Jaké jsou zásadní problémy? Zkusme si vytvořit nejprve vypočítat modelovou situaci, k jaké na pásmu dojde. Budeme přitom vycházet z výpočtů, uvedených v minulém čísle tohoto časopisu (Rádiožurnál):

Mějme na paměti, že silná stanice na „protějším kopci" na vstupu našeho přijímače vytváří úroveň signálu např S 9 + 87 dB. Chceme–li tedy poslouchat slabé signály (teoreticky na úrovni S 2 - tedy 42 dB pod S 9, které je na VKV hodnoceno jako napěťová úroveň 5 µV na impedanci 50?, resp. jako vstupní výkon –93 dBm), musí být náš přijímač být schopen detekovat signál o úrovni  – 135 dBm vedle silného signálu o úrovni – 6 dBm. Požadovaná dynamika, kterou by měl být přijímač schopen zpracovat je tedy pro tento případ :

135 – 6 = 129 dB !

To ovšem přirozeně platí pouze za předpokladu, že náš přijímač je dostatečně citlivý, tedy má dostatečně malé  šumové číslo. Představme si přijímač o standardním šumovém čísle 3 dB, což znamená, že přijímač šumí (výkonově) 2 x více, než by šuměl ideální reálný odpor (50 Ohm) zahřátý na teplotu okolí. Tento šum si můžeme zednodušeně představit jako virtuální šumový generátor, připojený na vstup ideálního bezšumového přijímače. Pokud bychom chtěli spočíst, jaký je šumový výkon takového  virtuálního šumového generátoru, použijeme vzorec:

P šum = kT0B
Kde: 
P je tzv ekvivalentní šumový výkon na vstupu přijímače ve Wattech
K je Boltzmannova konstanta (1.38 · 10E –23)
T0  je teplota v Kelvinech (pro + 20° C tedy 293° K)
B je šířka pásma (pro SSB filtr 2.4 kHz)

Šumový výkon tedy je:  P šum =  1.38 ·10E – 23  · 293 · 2,4 ·10E 3  =  9,7 ·10 E–18  W

To je :  - 170 dBW, resp.  – 140 dBm.

Ovšem to platí jen pro ideální odpor. Máme-li šumové číslo přijímače 3 dB, šumí tak, jako by k jeho vstupu byl připojen  šumový generátor o výkonu o 3 dB větším, tedy – 137 dBm. Budeme–li takovým přijímačem přijímat signál S 2 (-135 dBm), bude jeho odstup signál / šum cca 2 dB a dobrý operátor bude protistanici dávat report  cca 53 (SSB) až 559 (CW). (Pochopitelně zobrazení úrovňe S 2 je spíše teoretické – prakticky žádné zařízení není schopno na svém  S metru  takovou přijímanou úroveň správně zobrazit.)

Má-li tedy být náš přijímač schopen takový signál ještě přijímat i za přítomnosti silného signálu stanice z „druhého kopce", musí být schopen zpracovat alespoň dynamiku ve výše uvedené úrovni, tedy 129 dB.  K tomu musí být splněno několik předpokladů:
 

1)  stopband přijímače: 
   
Tímto názvem označujeme konečný, maximální útlum mezifrekvenčního krystalového filtru, nebo několika filtrů v nepropustném pásmu, kdekoli počínaje kmitočtovou vzdáleností  cca   20 kHz od propustného pásma.  Tento útlum musí být alespoň o 20 dB vyšší, než dynamika signálů na vstupu přijímače, aby nedocházelo  přeslechům, „obcházení filtru" a ovlivňování detektoru a AVC, které by mohlo způsobit „přivírání přijímače".

Běžný 8-mi krystalový filtr na 9 MHz má při vhodném zapojení stopband cca 90 až 96 dB (je řádně přizpůsobený do nízkých impedancí, na oboustranné desce plošného spoje se „zemí" na jedné straně, v plechové ohrádce atd). Totéž platí i pro podobné filtry jiných světových výrobců v okolí 9 MHz.

„Up konvertorové" filtry, používané v KV zařízeních v okolí 48, nebo 76 MHz mají stopband výrazně horší a dá se počítat s hodnotou cca  60 dB.

Filtry  na nízkých mezifrekvencích (455 kHz) mají cca 45 dB („zastřešovací keramické filtry"), resp. 60 až 80 dB  (kvalitní elektromechanické  filtry).

(Navíc, komerční zařízení, vyráběná ve velkých sériích, mají z důvodu nízké ceny při výrobě často jen jednostranné desky plošných spojů, což činí problém s VF zemí a způsobuje přeslechy „okolo" krystalového filtru.)

Prostým sčítáním dojdeme k závěru, že v přijímači musí být nejméně dva, za  sebou řazené filtry, aby stopband přijímače dosáhl požadovaných cca 150 dB. Jeden filtr (R2CW) prostě nestačí a problematický je i stopband u zařízení, vybavených pouze  jedním vysokým filtrem a hned za ním již „nízkou" mezifrekvencí např. 455 kHz  (např. FT 847).

Zkrátka, zbytečná je snaha po intermodulačních vlastnostech přijímačů, jak to známe z KV pásem, nebo po šumových spektrech oscilátorů, nesplňuje-li  přijímač takový  základní atribut pro provoz VKV, jako je dostatečný stopband.  (Jen pro zajímavost: „stará dobrá Sněžka" má stopband okolo 160 dB !). 

 

2)  blokování vf zesilovače přijímače: 

Respektive spíše opak - jeho nezablokování patří k dalším důležitým předpokladům kvalitního přijímače.  O co jde: Vstupní obvody zařízení umístěné před prvním krystalovým filtrem zpracovávají všechny signály v příslušném pásmu VKV (a mnohdy i signály další – například lokální vysílání FM rozhlasu). 
Jsou – li tyto signály extrémně silné (viz náš výše uvedený případ s rušením s „druhého kopce") a pracovní bod tranzistoru je v oblasti malých proudů (jednotky mA), může se stát, že vstupní signál způsobí v jednom ze zesilovacích stupňů přijímače jeho přebuzení spojené s posunem pracovního bodu, nebo jeho limitaci. Protože oba tyto stavu mají vliv na zesílení dotčeného stupně a vstupní úroveň rušivého signálu je amplitudově modulována, je výsledkem parazitní amplitudová modulace všech přijímaných signálů, tedy i signálu užitečného, který se právě snažíme přijímat. Tomuto jevu se říká křížová modulace a v extrémním případě, pokud je zesilovací stupeň silným signálem zcela zalimitován, hovoříme o zablokování přijímače. Pochopitelně příjem slabého užitečného signálu je v takovém případě zcela nemožný a operátor má vjem mimořádně silného rušení po celém pásmu.
Má-li se tento nežádoucí stav omezit, musí být všechny zesilovače přijímacího řetězce (před krystalovým filtrem) provozovány s poměrně vysokými proudy, tak, aby jejich pracovní bod byl silným vstupním signálem ovlivňován co nejméně (s vyššími proudy zesilovačů slabých signálů ovšem typicky roste také jejich šumové číslo). Obdobné požadavky na robustnost vstupní části přijímače jsou kladeny z hlediska intermodulační odolnosti, resp. jde do značné míry o „spojené nádoby". Je to tedy podobné, ale není to totéž. 
Zamysleme se tedy, zda právě tento druh rušení není tím dominantním u našeho přijímače a případě kladné odpovědi zjednejme nápravu (typicky k tomuto problému docházelo u starých transceiverů, které na směšovači používaly pouze jeden dvoubázový FET , jako např u FT 221R). 


3)  intermodulační odolnost přijímacího řetězce:

Jak již bylo řečeno dříve v kapitole o intermodulačních parametrech vysílacího řetězce, intermodulační produkty lichého řádu jsou podmíněny přítomností několika (minimálně dvou) silných signálů. Výsledné intermodulační produkty jsou novými kombinačními kmitočty, které nejsou na pásmu, ale vznikají přímo v našem přijímači. 
V praktickém provozu je poznáme tak, jakoby při ladění přijímače se na jednom místě pásma objevil signál, který vypadá jakoby složen ze dvou SSB (CW) signálů, přičemž pokud jediný z nich přestane vysílat, zmizí signál i toho druhého. Jak asi víte, k této situaci sice dochází poměně často, ale na druhé straně nebývá dominantním problémem rušení na pásmu. Proto se VKV přijímače nekonstruují s tak vysokou odolností proti vzniku intermodulací, jako zařízení KV a dává se spíše přednost jejich citlivosti. Typické komerční zařízení na VKV mívá hodnotu vstupního  IP (Intercept point) okolo – 15 dBm, pouze u vysokoodolných zařízení se IP pohybuje okolo – 5 dBm a lépe. Přesto v reálném provozu nebývá mezi takovými zařízeními z hlediska intermodulačního rušení podstatný rozdíl.
Ovšem pozor:  i v tomto případě platí zásada, že všeho s mírou ! Pokud totiž před přijímač zařadíme předzesilovač se ziskem řekněme 12 dB, zlepšíme možná o jeden či dva dB šumové číslo přijímací sestavy, ale na vstup přijímače se dostávají všechny signály na pásmu podstatně silnější, což vede často k přebuzení vstupních obvodů přijímače a vzniku intermodulačního rušení,  které roste podstatně rychleji, než úroveň užitečných signálů. 
Navíc, ale to se již spíše dotýká otázek uvedených v předchozím odstavci, předzesilovač, „vyhoněný" na co nejlepší šumové číslo, má poměrně širokopásmový vstupní obvod a nezřídka se stává, že místní silné signály, například v pásmu FM rozhlasu a TV, které se dostanou na vstup předzesilovače, se na nelinearitách tranzistoru předzesilovače mohou různě směšovat a intermodulovat, přičemž výsledkem je vznik nových parazitů ve VKV amatérském pásmu (příkladem je třeba  směšovací produkt 1.TV kanálu  a FM rozhlasu v pásmu 94 MHz).
Protože tato problematika byla již mnohokrát v literatuře zpracována, nebudu zde opakovat známé skutečnosti. Zájemce odkazuji na vyčerpávající článek  OK1DAK, který zazněl na letošním mikrovlnném setkání  OK-VHF Klubu na Studnici. Tento článek, ze kterého vyplývá, že pro provoz ve VKV závodě je 
nejlepším předzesilovačem tlustý kabel mezi anténou a zařízením, je k dispozici na  http://www.ok2kkw.com/ok1dak.htm .

 

4)  fázový šum oscilátoru přijímače: 

Pro přijímač platí přesně všechno to, co již  bylo řečeno v odstavci týkajícím se fázového šumu oscilátoru vysílače. Opakuji, že každý oscilátor šumí, a to tím více, čím je nižší  Q laděného obvodu oscilátoru, resp. čím je větší jeho přeladitelnost.  Proto zvažme, zda by opravdu nebylo lepší použít pro příjem ve VKV závodě dobrý KV transceiver s velmi dobrým šumovým spektrem oscilátoru (má menší přeladění a nižší kmitočet) a kvalitní transvertor. Dokonce i zařízení, které má možnost provozu jak na KV, tak i na VKV, se chová při použití kvalitního transvertoru podstatně lépe (prakticky ověřeno u FT 847), než při příjmu přímo na VKV. Z důvodu co nejlepšího využití čistšího postranního fázového šumu oscilátoru KV zařízení  je vhodné transvertor konstruovat raději z pásma 14, nebo 21 MHz, než z obvyklého pásma 28 MHz  (avšak pozor – teorie o lepším potlačení fázového šumu oscilátoru neplatí pro všechna KV zařízení, zvláště pro ta, které mají extrémní přeladitelnost, tzv scannery, nebo primitivní, laciné transceivery, jako IC 706 apod, jejichž postranní fázový šum oscilátoru je na KV stejně špatný,  nebo i horší, než u komerčních VKV transceiverů).

 

5)  obvody AVC: 

patří bezesporu k velmi důležitým obvodům transceiveru. Dobré AVC je poměrně komplikovaný obvod, který musí zajistit rychlé omezení zisku mf zesilovače, aniž by došlo k jeho přebuzení v případě příjmu velmi silného signálu a na druhé straně by mělo být do značné míry imunní proti „prskancům" kterých je na pásmu v závodě vždy více než dost, aby zbytečně nežádoucím způsobem nestahovaly zisk a  nezabraňovaly příjmu slabých signálů. Nevhodné obvody AVC, které nesplňují zejména tuto druhou podmínku, najdeme převážně u amatérských konstrukcí. Proto pozor – vždy je nutné rozeznat, co je nevhodná odezva AVC na spletry a „prskance" a co je problém nedostatečného stopbandu mf filtru, které se také projevuje ve stahování zisku mezifrekvence. První orientační test je „zacvakání" s pistolovou páječkou vedle transceiveru. Vzniklé „lupance" sice musí být slyšet, ale nesmí být akusticky silnější, než slabý signál a na současný příjem slabého signálu to nesmí mít podstatný vliv. Pokud se však transceiver přivře a teprve po skončení lupance pomalu znovu otevírá, nebo naopak, pokud jsou lupance podstatně silnější, než slabý signál, měli bychom s obvodem AVC něco udělat. Vypnutí AVC však ve VKV závodě není řešení, protože dynamika přijímaných signálů je tak velmi rozdílná, že by to již po krátké době každého operátora psychicky zcela zdeptalo. Je tedy lepší nastavovat spíše rychlejší charakteristiku AVC, ale rozhodně ponechat AVC funkční. 
Jiným diskutovaným obvodem je klíčovač poruch, tzv. noise blanker. Jeho použití, či nepoužití v závodě je velmi individuální a to jak z hlediska transceiveru (jaká je odezva tohoto obvodu na neperiodické prskance, spletry na pásmu), tak z hlediska operátora. Kvalitní moderní noise blanker možná trochu pomáhá snižovat psychickou únavu operátora, ale závěrečná rada je jen jedna: zkuste si sami to, co to udělá…

 

6)  nízkofrekvenční zesilovač: 

je také nedílnou součástí přijímací cesty v transceiveru a na jeho vlastnostech kupodivu také poměrně hodně záleží. Především nesmí mít žádné přechodové zkreslení v oblasti velmi malých signálů (tím např. trpěly obvody MBA 810 DAS), protože při signálu utopeném v šumu toto přechodové zkreslení potom způsobí, že šum, zatížený takovým zkreslením nemá statistické rozložení a náš mozek není schopen „vybrat" z takového šumu užitečný signál. S tímto problémem jsem se setkal u stařičké IC 290, kde na první pohled nebylo nic závadného, ale slabé signály byly čitelné až od úrovně cca S5…


 

7)  „exotické" druhy rušení: 

sem bychom mohli zařadit rušení od  spínaného zdroje, od monitoru počítače a od jiných zdrojů. Pokud si budete stanici na „druhém kopci" chtít stěžovat, že má parazity po desítkách kHz, zkuste se nejprve rozhlédnout, zda nemáte  v blízkosti transceiveru nějaký spínaný zdroj,  monitor počítače, nebo zapnutý TV přijímač. Totiž nejenom nevhodné blokování a filtrace může způsobit parazitní příjmy silných signálů, ale tento vliv mohou mít i rozptylová magnetická pole podobných zařízení. 
Jiným exotickým druhem rušení, které může mít vliv na vájemné rušení v závodech je např. „půjčování si signálu místního oscilátoru". V praxi se totiž stává, že pro vyhledávání v závodě připojíme na výstup přezdesilovače nikoli jeden, ale dva stejné, nebo podobné transceivery (se stejným mezifrekvenčním kmitočtem).  Pokud ten „druhý" monitorovací přijímač naladíme na nějakou silnou místní stanici, může se stát, že tento transceiver přeslechem mezi vstupními jednotkami „půjčí" část signálu svého oscilátoru  prvnímu, vysílacímu transceiveru a v případě přechodu na vysílání tento první transceiver  začne s využitím druhého místního oscilátoru vysílat parazit na kmitočtu, kde byl naladěn druhý transceiver ve dvojici. Takový parazit je sice potlačen hodně přes 100 dB, ovšem pro způsobení problému na pásmu to vrchovatě stačí. Proto pozor – v takové konstelaci raději použijme dva transceivery s rozdílným kmitočtem MF. Podobných exotických druhů rušení je nekonečný počet – namátkou si vzpomínám na situaci na Lysé hoře někdy před 15 lety, kdy se na celém pásmu ozýval tu rychlejší, tu pomalejší hrčivý zvuk, modulovaný signály silných místních stanic. Po téměř detektivním bádání jsme zjistili, že jde o vadný anemometr (měřič rychlosti větru) umístěný na meteorologické stanici, který měl vadné ložisko. Při ozáření silnými signály okolních stanic v pásmu 2 m, FM rozhlasu a TV vysílačů se anemometr stal sekundárním zářičem, modulavaným „prskanci" od špatně uzemněného ložiska, přičem rychlost „hrčení" byla úměrná síle větru. Podobným problémem byl jednou v Lanžhotě na jižní Moravě vadný odpínač na stožáru linky 22 kV, který sporadicky zasršel, ale hlavně jeho rameno svojí délkou přesně rezonovalo v pásmu příjmu a stalo se tak anténou, která toto rušení intenzivně vyzařovala po okolí, zatímco 5 MHz od přijímané frekvence byl již klid… Zkrátka Mr. Murphy nám dovede způsobit mnohé škodolibosti a ne za všechny vždy může stanice na „druhém kopci" využívající QRO.

 

Jak by tedy mělo vypadat závodní přijímací zařízení pro VKV: 

Mělo by začínat kvalitní  anténou s úzkým vyzařovacím diagramem, tak abychom byli schopni se od  nežádoucího silného signálu kompromisně odsměrovat. Není-li kabel delší, než cca 20 m, na 144 MHz není nutné používat předzesilovač, umístěný u antény. Zato ovšem kabel od antény by měl mít co největší průměr (co nejmenší útlum), jaký jsme schopni sehnat – investice do dobrého kabelu je rozhodně lepší, než investice do super nízkošumového předzesilovače. Jako zařízení spíše doporučuji kvalitní transvertor (např. LT2S od SSB electronic) k velmi dobrému KV transceiveru, nebo dostatečně kvalitní 2 m transceiver s velmi nízkým fázovým šumem (nejméně však –125 dBC/Hz, raději přes -130 dBC/Hz na 20 kHz), dobrou intermodulační odolností (s IP alespoň – 10 dBm), a hlavně několika krystalovými filtry na různých mezifrekvencích, aby se dosáhlo stopbandu MF filtru alespoň 150 dB, velmi dobrým AVC a také kvalitním NF zesilovačem a (pochopitelně) sluchátky, které nezpůsobují únavu operátora. (V naší stanici OK2KKW pro tento účel, možná k překvapení mnohých, stále používáme starou dobrou Sněžku, která všechny tyto atributy dosud splňuje lépe než valná většina moderních komerčních zařízení.)

 

Závěrem: 

nezlobme se na ty, kteří ruší náš příjem, není-li naše zařízení právě to nejšpičkovější.  Pokud závodní provoz nevybočí z principů hamspiritu, berme určité  vzájemné rušení jako součást soutěžního boje – ani ve formuli jedna není dráha nekonečně široká a všichni závodníci se na ní musí nějak „vecpat" přičemž pochopitelně jeden překáží druhému…

Mnoho příjemných zážitků při soutěžním zápolení vám přeje 
OK1VPZ.