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.