Качество усилительной системы порой оценивается подачей на её вход одно- или двухтонального сигнала звуковой частоты. Обычно параметры сигнала, такие как, нелинейные искажения, интермодуляционные искажения, шум и помехи соотносятся с уровнем испытательного сигнала, появляющегося на выходе передатчика.
Другим методом оценки качества системы является использование в качестве испытательного сигнала широкополосного "белого шума”, более полно замещающего голосовой сигнал, чем, например, одно- или двухтональный.
В этой статье рассматривается суть этого способа проверки аппаратуры на примере передающего тракта трансивераKenwood TS940, принадлежащего автору (VE7AAL) и линейного усилителя SB220. Результаты иллюстрируются посредством эскизов, снятых с экрана анализатора спектра.
Промышленные методы проверки тональным сигналом и получаемые результаты
На Fig. 1 показано устройство для подачи звукового одно или двухтонального сигнала на микрофонный вход трансивера. За трансивером (возбудителем) следует линейный усилитель, а вся система нагружена 50-омным эквивалентом нагрузки. Форма ВЧ сигнала (во временных координатах) просматривается с помощью осциллоскопа имеющегося на станции. Анализатор спектра подключен параллельно нагрузке с подходящим аттенюатором, чтобы не перегружать чувствительный вход прибора при измерения спектра (в частотных координатах).
Следующие испытания были проведены на системе с использованием тонального сигнала:
А) Выход телеграфного сигнала - ключ нажат, выходная мощность установлена на максимум. Просмотрите спектр сигнала передатчика вокруг несущей и определите наличие шума и паразитных излучений. Включайте и выключайте линейный усилитель, чтобы измерить его усиление и посмотреть насколько усилитель ухудшает спектр возбудителя.
На Fig. 2 показано, что усилитель имеет усиление около 10 дБ на частоте несущей и, как выяснилось, на протяжении всего остального спектра не вносит дополнительного шума и паразитных составляющих. Шумовой порог установлен возбудителем, в этом случае, присутствует фазовый шум на расстоянии в 2 кГц от несущей, на уровне 70 дБ ниже несущей.
В) Выход SSB- с подачей на микрофонный вход однотонального сигнала частотой 1,2 кГц на нижней боковой полосе, на которую включен возбудитель. Результирующий сигнал показан наFig. 3
Он представляет собой обычный ВЧ сигнал, но сдвинутый по частоте вниз на 1,2 кГц от несущей, присутствовавшей в предыдущем случае. Здесь нет отдельной несущей, что указывает на то, что таковая подавлена на более чем 60 дБ, здесь нет и присутствия нежелательной (верхней) боковой полосы, что указывает на её подавление не менее, чем на 70 дБ. Снова линейный усилитель выступает в качестве 10 дБ усилительной ступени для всех частот.
С) Выход SSB- с подачей на микрофонный вход двухтонального звукового сигнала с частотами 1,2 кГц и 2,2 кГц с одинаковыми амплитудами на предыдущих условиях. На Fig. 4 можно наблюдать появление двух спектральных линий ниже, соответственно, на 1,2 и 2,2 кГц частоты подавленной несущей. Другие линии ниже и выше частоты подавленной несущей являются продуктами интермодуляции. Теперь можно видеть и разницу между продуктами интермодуляции возбудителя и усилителя мощности. Вспомним, что линейный усилитель "переносит” передаваемый на его вход сигнал с усилением в 10 дБ. В данном случае, это – не совсем так и разница в уровнях продуктов интермодуляции на входе и выходе усилителя не равна 10 дБ, а больше этого значения, так как интермодуляционные искажения зависят и от линейности самого усилителя. Также отметьте, что ширина полосы, занимаемой сигналом теперь значительно шире: уровень сигнала, сравнимый с уровнем подавленной несущей -60 дБ получается на краях полосы в 18 кГц.
Шум в качестве испытательного сигнала
Предыдущие результаты характеризуют работу системы в условиях чистых повторяющихся сигналов. В самом деле, испытательные сигналы представляют собой синусоиды, а речевые сигналы далеко не синусоидальны. Наиболее существенные различия между тональным и речевым сигналами заключаются в их спектрах и уровнях. Речевой "связной” сигнал состоит из последовательности частот в диапазоне примерно 300 -3000 Гц. Уровень речевого сигнала меняется случайным непредсказуемым образом. И не от того насколько громко или тихо мы говорим, а из-за того, что каждый индивидуум имеет свой, строго определённый набор амплитуд в голосовом спектре. Речевой сигнал может быть визуализирован как изменяющийся сигнал с усреднённым размахом уровней примерно в 24 дБ (соотношение уровней 250 : 1; 99% времени звучания речевой сигнал не превышает уровня 250 умноженный на коэффициент усреднения). Имея в виду такой большой разброс в уровнях составляющих речевого сигнала, встаёт законный вопрос, а имеют ли достаточный динамический диапазон и трансивер и РА?
В этом эксперименте при измерениях в качестве источника испытательного сигнала используется генератор белого шума. Термин "белый шум” подразумевает наличие сигнала на всех частотах, который к тому же меняется по амплитуде. Мощность в таком сигнале одинакова на всех частотах. Амплитуда на любой отдельно взятой частоте изменяется в широких пределах. Это изменение подчиняется закону распределения энергии в сигнале, известному как
распределение Гаусса. На деле, это означает, что большую часть времени сигнал имеет "усреднённый” уровень, но может существенно изменяться как в большую, так и в меньшую сторону по случайному закону. Ограничив полосу шума рамками 0,3-3,0 кГц можно аппроксимировать (здесь: заменить шумом) речевой сигнал.
Источники шума
Но, где же найти источник "белого шума”? Источники шума широко используются в индустрии связи, но не так популярны в радиолюбительском братстве. Несмотря на это, ярким примером источника ВЧ "белого шума” является шумовой антенный мост, широко известный в радиолюбительской среде. Для применения в аудиоаппаратуре существуют генераторы шума, но они не получили широкого распространения.
Представляет определённый интерес диод Зенера (стабилитрон), ток утечки обратного смещения, в котором вызывает появление шума в очень широком спектре – от герц до мегагерц. Всё, что нужно сделать для получения полноценного источника шума, так это: выделить переменную компоненту тока утечки, усилить её до приемлемого уровня и ограничить частотный диапазон шума необходимым для измерений.
В статье не ставилась цель описания и создания источника "белого шума”, а лишь - использование генератора шума и его специфических характеристик для измерительных целей. А для этого, однако, необходим и источник шума,
который можно найти прямо в радиолюбительской лаборатории. Речь идёт о радиоприёмнике, настроенном так, чтобы не принимались сигналы радиостанций (в промежутке между ними, когда слышно шипение).
Внимание! Приёмник должен быть включен для приёма АМ или SSB сигналов, что обеспечивает "плоскую” амплитудную характеристику для всего спектра частот. Шум от ЧМ детектирования имеет существенный амплитудный спад в спектре, примерно, 15 дБ на кГц (сказывается действие интегрирующей цепи, постоянная времени которой подобрана таким образом, чтобы нейтрализовать на приёмной стороне подъём частотной характеристики в области высоких частот, выполненный с помощью дифференцирующей цепочки на передающей стороне - мера снижения шумов в приёмном тракте - UA9LAQ). На Fig. 5 показан шумовой выход возбудителя трансивера в режиме SSB; хорошо просматриваются характеристики в "голосовом” диапазоне частот. Похожим образом на Fig. 6 показан выход шумов трактов АМ и ЧМ.
Собственный шум
Перед тем как присоединить источник шума к тестируемой системе, был измерен собственный шум трансивера. Собственный шум - шум, генерируемый схемой передающего тракта возбудителя. Этот шум имеет те же характеристики что и источники шумов, ранее упоминавшиеся, но он возникает внутри транзисторов и микросхем самого возбудителя, благодаря случайным величинам токов в отсутствие сигналов. Измерение шумов состоит из
следующих операций: включают возбудитель и просматривают его выход на анализаторе спектра. На Fig. 7 показан выход возбудителя как для нижней боковой полосы так и для верхней. Выходная характеристика не является прямой линией, так как содержит шумовую составляющую, а случайный характер уровня пичков шума выражен рваной кривой. Если кривая может быть умозрительно сведена к линии, то уровень шумов не велик и с ним можно мириться. Отметьте, что форма шумовой кривой повторяет АЧХ фильтра трансивера. Уровень собственного шума трансивера ниже несущей в телеграфном режиме не менее чем на 60 дБ, т.е. не превышает уровня подавленной несущей в режиме SSB.
Применение шума
"Белый шум” от внешнего радиоприёмника подаётся на микрофонный вход трансивера (возбудителя). Поскольку уровень составляющих шумового сигнала меняется по случайному закону, то необходимо сначала отрегулировать усиление микрофонного усилителя. Для измерения необходимо подать такой уровень, чтобы система ALC только-только доставала на пиках до максимальной отметки на шкале измерителя трансивера. На Fig. 8 показана выходная характеристика возбудителя при входном сигнале "белый шум” и сравнение её с собственным шумом трансивера. Вот здесь можно обнаружить нечто интересное:
А) Наглядна пропускная характеристика фильтра возбудителя. Полоса, занимаемая сигналом, составляет 3 кГц. Края характеристики довольно круты, что прекрасно отражает возможности фильтра ПЧ.
В) Усреднённый уровень проходящего сигнала примерно на 20 дБ ниже уровня несущей в режиме CW. Это хорошо соотносится с ожидаемым отношением пикового уровня к усреднённому, равным 24 дБ. Это позволит 99% передаваемых сигналов не выходить за рамки дозволенного - не перегружать возбудитель, в противном случае, не избежать ограничения, которое повлечёт за собой лавинообразное обогащение спектра излучаемых сигналов.
С) Соотношение сигнал/шум в передаваемых сигналах составляет примерно 50 дБ, что обеспечивает достаточное качество передаваемых сигналов. При соотношении менее 40 дБ, шум будет заметен и будет восприниматься как ухудшение качества звукового сигнала.
D) По обе стороны характеристики присутствуют выбросы шумового сигнала. Это могут быть огрехи плохо сформированной характеристики фильтра или продукты интермодуляции оконечных каскадов. Одним словом, мы видим, что занимаемая сигналом в эфире полоса шире, чем полоса пропускания фильтра. Уровень шумовых выбросов только на 30 дБ меньше уровня сигналов в необходимой полосе пропускания и уменьшается лишь до 40 дБ при полосе в 7-8 кГц. (Уровень внеполосных мешающих сигналов в любом случае не должен превышать 10 мВт. При выходном сигнале в 100 Вт, будет достаточным подавление в 40 дБ, при 1000 Вт уже необходимо подавление не менее 50 дБ чтобы достичь тех же уровней внеполосных излучений).
Последним испытанием может стать включение линейного усилителя и наблюдение последовательности нелинейностей, обнаруженных при двухтональной
проверке. На Fig. 9 показаны для сравнения характеристики при включенном и выключенном РА. Как и ожидалось, имеется существенная разница в части характеристики за пределами пропускания фильтра. Уровень шума здесь повышается более 10 дБ (примерно на 20 дБ), т.е., более коэффициента усиления РА, что явно свидетельствует о наличии интермодуляции. Полоса же по уровню - 50 дБ составила, аж, 14 кГц!
Выводы
Продемонстрированы возможности "белого шума”, используемого в качестве входного испытательного сигнала. Полученные характеристики являются типичными на практике. Приводится сразу общий вид характеристики, а не отдельные его точки или части.
Признательность
Автор (VE7AAL) благодаритMPR Teltech Limited за предоставленный анализатор спектра фирмы НР и плоттер, а также Bill Orr’a,W6SAI за просмотр статьи и замечания.
P.S. Представляется, что более современное и простое решение нахождение источника "белого", "розового" шума, а также всевозможных одно-, двух- и т.д. тоновых сигналов – это генерирование и запись нужных тонов и шумов на CD диск в любой подходящей для этого программе и подачей записанного сигнала прямо с гнезда для наушников на корпусе CD ROM. По моему мнению, весьма чистые, с малым искажением сигналы можно получить в программе "Cool Edit 2000". Кстати, не используйте для этих целей генератор из популярной в народе программы "SpectraLab", качество сигналов с этого генератора оставляет желать лучшего, посмотрите и сравните сами… UA9LAQ