Technik - USKA
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Technik SSB-WEAVER ........ wie bitte? Heinz Bruderer HB9VK Eine amüsante Analogie: Es käme heute vermutlich kaum jemandem mehr in den Sinn, ein neues Fahrrad mit Rücktrittbremse zu beschaffen; er fände gar keines mehr. Andere Brems-Systeme haben sich längst durchgesetzt. Jetzt möchte aber ein technisch/historisch Interessierter (ein Tüftler...?) nichtsdestotrotz das Bremssystem aus der Aera von Opa und Oma näher studieren. Ggf. stöbert er noch ein altes Militär- Velo auf, für allfällige Testfahrten oder zum Pröbeln und Zerlegen der Nabe. Die Rücktrittbremse wurde 1903 vom Erfinder E. Sachs patentiert. Betrachten wir nun die herkömmliche analoge Technik der SSB-Erzeugung. Wir klammern die moderne digitale Welt vorerst einmal aus. SSB ist in der Theorie seit annähernd 100 Jahren bekannt. Dass je ein Patent darauf beantragt oder erteilt wurde, ist nicht aktenkundig. Seit über 70 Jahren wird sie in breiter technischer Anwendung eingesetzt. Der alltägliche Sprachgebrauch kennt Phasen- und Filtermethode zur SSB- Erzeugung. Im Amateurfunk ein Gerät zu finden, das noch nach einer Phasenmethode funktioniert? Vielleicht als Museumsstück. Die Filtermethode hat ihren Siegeszug längst angetreten. Bild 1: Prinzipschema breite eines Sprachsignals exakt 90° Phasenverschiebung zu erreichen (Hilbert-Transformation). Dazu erforderlich sind Polyphase- oder Allpass- Netzwerke für den I- und Q-Kanal. Kleinste Abweichungen verschlechtern die Seitenbandunterdrückung. Mr. Weaver, offensichtlich ein genialer Kopf, erkannte zwei fundamentale Gegebenheiten: 1) zwei identische Tiefpässe sind präziser realisierbar als die erwähnten breitbandigen Netzwerke (nach damaliger Technik) 2) die Quadratur für eine feste Frequenz ist einfacher zu generieren. Erwähnt und erläutert wird die Methode durchwegs anhand des einfachen Prinzip-Blockschemas (Bild 1). Dieses weitläufig herumgereichte Schema ist (wie jedes andere Schema auch), eine äusserst angenehme und praktische Institution: Es “funktioniert“ immer tadellos, ideal und fehlerfrei! Theoretisch und auf dem Papier. Bei der realen handfesten Umsetzung hingegen wird es dann schon wesentlich anspruchsvoller. Zudem auch sehr aufwendig und komplex, wie die folgenden Erläuterungen zu einem durch den Verfasser realisierten Versuchsaufbau aufzeigen. Und doch steht bei genauer Betrachtung noch eine dritte Methode technisch auf derselben Prominenz-Stufe. Sie basiert auf einer Veröffentlichung von 1956 durch Daniel K. WEAVER Jr. (Proceedings of the IRE, Vol. 44, No. 12, Dec. 1956, pp 1703 – 1705). Je nach Betrachtungswinkel fristet diese, zumindest innerhalb der Domäne analoger Signalaufbereitung, eher ein Schattendasein. Von Zeit zu Zeit wurde und wird sie hervorgeholt und da und dort auch thematisiert. Die WEAVER-Methode Das Kernproblem der gängigen Phasenmethode besteht in der Schwierigkeit, über die gesamte Basisband- Er schuf damit unter Einfügung eines Hilfsträgers und zweier zusätzlicher Mischer die Grundlage für das fortan in der Fachwelt seinen Namen führende Prinzip. Unter Suchwort-Kombinationen wie “weaver ssb generator“ und ähnlichem liefert Google erschöpfend Informationsquellen. Daselbst finden sich unzählige Abhandlungen der mathematisch-/ trigonometrischen Zusammenhänge. Diese sollen hier nicht weiter thematisiert werden. Sie erfordern vom Leser ohnehin nicht alltägliche Exkursionen in ein Abstraktions- und Vorstellungsvermögen für negative Frequenzen und Doppelbelegungen durch umgeklappte Spektralbereiche. Bild 2: Seitenbandlage Der realisierte WEAVER-Generator Die funktionalen Basis-Kenngrössen zum Schaltungsprinzip können wie folgt umschrieben werden: 40 HBradio 6/2012
Technik 1) Die Grenzfrequenz der beiden Tiefpässe soll in etwa in das arithmetische Mittel der höchsten und der tiefsten zu übertragenden Frequenz des Basis- (Sprach-) Bandes gelegt werden. Ihr Amplituden- und Phasengang muss möglichst identisch sein. 2) Die primäre Hilfsfrequenz f soll möglichst nahe über dieser Grenzfrequenz liegen. 3) Die sekundäre Hilfsrfrequenz F kann belibig gewählt werden. 4) Spektral erscheinen an den summierten Ausgängen der Sekundärmischer USB und LSB in ein und demselben Bereich, aber mit abgesetzter Lage ihrer jeweiligen Trägerfrequenz (Bild 2), je um den Betrag der Frequenz f (ω=2πf) symmetrisch zur Mittenfrequenz F (Ω=2πF). Einerseits ein gewichtiger Knackpunkt der Weaver-Methode; anderseits jedoch auch ein Vorteil, indem keine störenden Signale ausserhalb dieses Bereiches auftreten können. 5) Es wird jeweils nur ein Seitenband generiert. Die Umschaltung zwischen USB/LSB wird z.B. durch Vertauschen der cosφ/sinφ-Zuführung zu den Primär-Mischern bewerkstelligt. 6) Ein ungenügend unterdrücktes Seitenband erscheint spektral nicht neben, sondern in invertierter Lage innerhalb des Ziel-Seitenbandes als Störsignal. Die wesentlichen Dimensionierungs- Parameter der Versuchsschaltung sind: Sprachband bis 3 kHz Hilfsträger f 1.65 kHz Grenzfrequenz Tiefpässe 1.5 kHz Teiler N für 9 MHz* Träger-QRG 1364 * Voraussetzung für Einspeisung SSB auf ZF-Ebene in bestehenden Transceiver mit Bandpass-Tuning, was eine einzige und arithmetisch exakt eingehaltene Trägerfrequenz für USB und OSB erfordert. Bewerkstelligt wird diese Verschiebung der sekundären Trägerfrequenz mittels einer um ±f umschaltbaren PLL-Einheit. Ohne diese sendeseitige Korrektur müsste bei Seitenbandwechsel die Gegenstation jeweils um 2xf, im vorliegenden Fall 3.3 kHz entsprechend, nachziehen. Schaltungstechnologisch wurden die Platinen in herkömmlichem Ham-Standard realisiert (DIL-IC + Durchsteck-Komponenten usw.) und mit Detailschema dokumentiert. Sie erhielten sogar ein eigenes Gehäuse mit allen erforderlichen Steckern/ Kupplungen, Schaltern und Reglern. Bild 3: Blockschema Erläuterungen zu Bild 3 Tiefpässe: 10-polig, Chebychev. Dämpfung bei 1.65 kHz: -20dB (theoretisch). Für jeweils positionsgleiche R/C ausgesuchte möglichst eng streuende Exemplare. Q1: Teiler 9 MHz auf 6.6... kHz, plus Phasendetektor Q2: 2xD-Flipflop, teilt weiter auf 1.65... kHz unter Erzeugung der 4 Phasen bei 50% Tastverhältnis zu den Primär- Mischern. Q3: Multiplexer; Vertauschung Quadratursignal zu den Primärmischern zur Seitenbandumschaltung. Q4: Umschaltbarer Teiler, ÷5455 (LSB) bzw. ÷5457 (USB) Q5: Funktion wie Q2, jedoch von 36 auf 9 MHz. Wie ein roter Faden zieht sich ein Begriff durch das gesamte Gebilde: Symmetrie. Doppelgegentakt ist für alle vier Mischer unabdingbar. Da bei den Primärmischern “Träger“ und Sprachsignal im selben Spektralbereich liegen, muss zusätzlich auch der allfällige Sprachsignal-Durchgriff in deren Ausgang unterdrückt werden.Für die hier eingesetzten MC 1496 heisst dies je ein aufwendiges Symmetrier-Netzwerk aus Widerständen und Trimmpots, und zwar zum oberen und zum unteren Port. Nicht unterdrückte Anteile treten als hörbares Störsignal im Seitenbandspektrum auf. Vom Prinzip her müssten Tiefpässe und Mischer galvanisch gekoppelt werden, um eine Kerbe in der Übertragung im Bereich 1.65 kHz (Frequenz des Hilfsträgers) des Seitenbandspektrums zu vermeiden. Gleichstrommässig durchgängige Kopplung würde jedoch zu praktisch unlösbaren Potential-Konflikten mit der einstellbaren Symmetrierung der Mischer zur Trägerunterdrückung führen. Es entstünde ein nicht mehr handhabbares System kreuzweise verketteter Rückwirkungen durch die Betätigung von Abgleich-Organen. Es werden deswegen grosse Koppelkapazitäten eingefügt. Diese mindern die Kerbe auf ein auditiv unauffälliges Mass und ermöglichen eine individuell mehr oder weniger unabhängige Einstellung der Trägerunterdrückung an allen vier Mischern. Zwecks einfacherer Bedienung sind die vier einschlägigen Trimmpots frontbündig angeordnet Auch so bleibt dieser Vorgang aber immer noch ein kniffliges Unterfangen! Allfällige Pegelunterschiede der beiden Tiefpass-Äste werden mit einem HBradio 6/2012 41
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<strong>Technik</strong><br />
1) Die Grenzfrequenz der beiden Tiefpässe<br />
soll in etwa in das arithmetische<br />
Mittel der höchsten und der tiefsten<br />
zu übertragenden Frequenz des Basis-<br />
(Sprach-) Bandes gelegt werden. Ihr<br />
Amplituden- und Phasengang muss<br />
möglichst identisch sein.<br />
2) Die primäre Hilfsfrequenz f soll möglichst<br />
nahe über dieser Grenzfrequenz<br />
liegen.<br />
3) Die sekundäre Hilfsrfrequenz F kann<br />
belibig gewählt werden.<br />
4) Spektral erscheinen an den summierten<br />
Ausgängen der Sekundärmischer<br />
USB und LSB in ein und demselben Bereich,<br />
aber mit abgesetzter Lage ihrer<br />
jeweiligen Trägerfrequenz (Bild 2), je<br />
um den Betrag der Frequenz f (ω=2πf)<br />
symmetrisch zur Mittenfrequenz F<br />
(Ω=2πF). Einerseits ein gewichtiger<br />
Knackpunkt der Weaver-Methode; anderseits<br />
jedoch auch ein Vorteil, indem<br />
keine störenden Signale ausserhalb<br />
dieses Bereiches auftreten können.<br />
5) Es wird jeweils nur ein Seitenband<br />
generiert. Die Umschaltung zwischen<br />
USB/LSB wird z.B. durch Vertauschen<br />
der cosφ/sinφ-Zuführung zu den Primär-Mischern<br />
bewerkstelligt.<br />
6) Ein ungenügend unterdrücktes Seitenband<br />
erscheint spektral nicht neben,<br />
sondern in invertierter Lage innerhalb<br />
des Ziel-Seitenbandes als Störsignal.<br />
Die wesentlichen Dimensionierungs-<br />
Parameter der Versuchsschaltung<br />
sind:<br />
Sprachband<br />
bis 3 kHz<br />
Hilfsträger f<br />
1.65 kHz<br />
Grenzfrequenz Tiefpässe 1.5 kHz<br />
Teiler N für 9 MHz* Träger-QRG 1364<br />
* Voraussetzung für Einspeisung SSB<br />
auf ZF-Ebene in bestehenden Transceiver<br />
mit Bandpass-Tuning, was<br />
eine einzige und arithmetisch exakt<br />
eingehaltene Trägerfrequenz für USB<br />
und OSB erfordert. Bewerkstelligt wird<br />
diese Verschiebung der sekundären<br />
Trägerfrequenz mittels einer um ±f<br />
umschaltbaren PLL-Einheit. Ohne diese<br />
sendeseitige Korrektur müsste bei<br />
Seitenbandwechsel die Gegenstation<br />
jeweils um 2xf, im vorliegenden Fall<br />
3.3 kHz entsprechend, nachziehen.<br />
Schaltungstechnologisch wurden<br />
die Platinen in herkömmlichem<br />
Ham-Standard realisiert (DIL-IC +<br />
Durchsteck-Komponenten usw.) und<br />
mit Detailschema dokumentiert. Sie<br />
erhielten sogar ein eigenes Gehäuse<br />
mit allen erforderlichen Steckern/<br />
Kupplungen, Schaltern und Reglern.<br />
Bild 3: Blockschema<br />
Erläuterungen zu Bild 3<br />
Tiefpässe:<br />
10-polig, Chebychev. Dämpfung bei<br />
1.65 kHz: -20dB (theoretisch). Für jeweils<br />
positionsgleiche R/C ausgesuchte<br />
möglichst eng streuende Exemplare.<br />
Q1:<br />
Teiler 9 MHz auf 6.6... kHz, plus Phasendetektor<br />
Q2:<br />
2xD-Flipflop, teilt weiter auf 1.65...<br />
kHz unter Erzeugung der 4 Phasen<br />
bei 50% Tastverhältnis zu den Primär-<br />
Mischern.<br />
Q3:<br />
Multiplexer; Vertauschung Quadratursignal<br />
zu den Primärmischern zur<br />
Seitenbandumschaltung.<br />
Q4:<br />
Umschaltbarer Teiler, ÷5455 (LSB)<br />
bzw. ÷5457 (USB)<br />
Q5:<br />
Funktion wie Q2, jedoch von 36 auf<br />
9 MHz.<br />
Wie ein roter Faden zieht sich ein<br />
Begriff durch das gesamte Gebilde:<br />
Symmetrie. Doppelgegentakt ist<br />
für alle vier Mischer unabdingbar.<br />
Da bei den Primärmischern “Träger“<br />
und Sprachsignal im selben Spektralbereich<br />
liegen, muss zusätzlich auch<br />
der allfällige Sprachsignal-Durchgriff<br />
in deren Ausgang unterdrückt werden.Für<br />
die hier eingesetzten MC<br />
1496 heisst dies je ein aufwendiges<br />
Symmetrier-Netzwerk aus Widerständen<br />
und Trimmpots, und zwar<br />
zum oberen und zum unteren Port.<br />
Nicht unterdrückte<br />
Anteile<br />
treten als<br />
hörbares Störsignal<br />
im Seitenbandspektrum<br />
auf.<br />
Vom Prinzip<br />
her müssten<br />
Tiefpässe<br />
und Mischer<br />
galvanisch<br />
gekoppelt<br />
werden, um<br />
eine Kerbe<br />
in der Übertragung im Bereich 1.65<br />
kHz (Frequenz des Hilfsträgers) des<br />
Seitenbandspektrums zu vermeiden.<br />
Gleichstrommässig durchgängige<br />
Kopplung würde jedoch zu praktisch<br />
unlösbaren Potential-Konflikten mit<br />
der einstellbaren Symmetrierung der<br />
Mischer zur Trägerunterdrückung<br />
führen. Es entstünde ein nicht mehr<br />
handhabbares System kreuzweise<br />
verketteter Rückwirkungen durch die<br />
Betätigung von Abgleich-Organen. Es<br />
werden deswegen grosse Koppelkapazitäten<br />
eingefügt. Diese mindern<br />
die Kerbe auf ein auditiv unauffälliges<br />
Mass und ermöglichen eine individuell<br />
mehr oder weniger unabhängige<br />
Einstellung der Trägerunterdrückung<br />
an allen vier Mischern. Zwecks einfacherer<br />
Bedienung sind die vier einschlägigen<br />
Trimmpots frontbündig<br />
angeordnet Auch so bleibt dieser<br />
Vorgang aber immer noch ein kniffliges<br />
Unterfangen!<br />
Allfällige Pegelunterschiede der beiden<br />
Tiefpass-Äste werden mit einem<br />
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