SSB-lineaarisuusmietteitä ========================= Ilmari-2003, harjoitusalusta RATS-SAT:ille ------------------------------------------ Ilmari-2003-kaasupalloprojekti ja RATS-SAT-satelliitti tuovat uusia haasteita Suomalaisille radioamatööreille käytettäessä transpondereilla monikantoaaltotyyppistä liikennettä. Tässä muistiinpanossa käsitellään ilman matematiikkaa kyseisen signaalispektrin vahvistuksen edellytyksiä ja rajoituksia, sekä lopuksi lineaarisen, korkean hyöty- suhteen vahvistintekniikkaa. SSB:n vaihe ja amplitudi ------------------------ Koska yksinkertainen SSB-signaali koostuu sekä vaihe- että amplitudikomponentista, vaatii SSB-signaalin vahvistaminen (amplitudi-) lineaarisen vahvistimen, jotta se vahvistuisi säröytymättä (alkuperäisenä, mutta voimakkaampana). CW- ja FM-signaalit omaavat pelkästään puhdasta kantoaaltoa tai kantoaallon taajuus- tai vaihe- modulaatiota, joissa kaikissa tapauksissa lähetteen voimakkuus, amplitudiverhokäyrä, on vakio. Tällaisten signaalien vahvistamiseen riittää yksinkertainen esi- jännitteistämätön (biasoimaton) vahvistin, jonka lepo- virta on siis nolla. Toisaalta, AM- tai sen "riisuttu" versio, SSB, vaatii (amplitudi-) lineaarisen vahvistimen. AM-modulaattorit kunniaan ------------------------- Joskus ennen "hyvinä" aikoina toteutettiin AM-modulaatio CW-tyyppisen, C-luokassa toimivan lähettimen pääteasteella käyttöjännitteitä suoraan moduloimalla. CW- ja FM-lähetin ei moisia suuremman teholuokan audiovahvistimia tarvinnut, joten pärjättiin hyvin paremman hyötysuhteen C-luokan vahvistimilla hyvin. Lineaarisuus oli tällöinkin tietysti ongelma, sillä harvoin C-luokan vahvistin, oli se sitten puolijohde- tai putkivahvistin, on vahvistukseltaan suoraan lineaarisesti riippuvainen kollektori- tai anodijännitteestä (muitakin modulaatiotapoja toki on). SSB kappaleiksi --------------- Tehdäänpä seuraavanlainen olettamus: mikäli SSB-lähete, joka koostuu niin amplitudikomponentista, kuin vaihe- modulaatiokomponentistakin, pilkottaisiin kahdeksi, erikseen prosessoitavaksi komponentiksi myöhemmin yhdistettäväksi ennen antenniin syöttöä, voitasiin ainakin teoriassa käyttää käyttää hyvän hyötysuhteen omaavaa C-luokan bipolaarivahvistinta (tai muutakin A-luokkaa tehokkaammin toimivaa topologiaa)... varsinaisen kantoaaltosignaalin vahvistamiseksi. Monikantoaaltosignaali, sanotaan vaikkapa 200 kHz:n siivu 14 MHz:n bandin alkupäästä pahimman kontestin aikaan ei ole sen kummoisempi käsiteltävä. Tämäkin 100 kHz:n levyinen spektri voidaan prosessoida ja erotella amplitudi- ja vaihekomponenteikseen. HELAPS-tekniikka ---------------- HELAPS-tekniikka (Tekn. Tri. Karl Meinzerin, DJ4ZC:n tohtorinväitöskirjan aihe) tekee käytännössä juuri tämän. Vahvistimelle tuleva signaalispektri (SSB-signaali, jonka ominaisuuksia ovat kaistarajallisuus - luokkaa kHz:ejä - ja amplitudirajallisuus - luokkaa 30 dB) pilkotaan vaihe- ja amplitudikanaviin amplitudirajoittimella ja verhokäyrä- ilmaisimella. Amplitudirajoitettu vaihekanava saadaan aikaiseksi limitoimalla koko vahvistimelle tuleva signaali yksindertaisesti sellaisella diodirajoittimella tms., joka ei aiheuta liiemmälti omaa AM-/PM-konversiota. Verhokäyrä saadaan ilmaistua ennen rajoitusta tapahtuvalla ohjaussignaalin verhokäyrää ilmaisevalla diodi-ilmaisimella, ns. synkro- ilmaisimella, tms. Amplitudirajoitettu kantoaalto, jossa on siis ainoastaan vaihemodulaatiokomponentta enää mukana, voidaan vahvistaa korkean hyötysuhteen omaavalla C-luokassa toimivalla päätevahvistinketjulla vaikkapa 50 W:n tasolle. Alkuperäinen SSB-spektri saadaan palautettua moduloimalla alkuperäinen amplitudiosuus uudelleen pääteasteen viimeisillä asteilla vanhan kunnon AM-modulaation tapaan. Moduloitavia asteita tarvitaan käytännössä useampia kuin yksi, jotta saataisiin aikaiseksi riittävä modulaatiosyvyys (30 dB vaatii käytännössä 2 - 3 asteen moduloimisen). Kotistereot tosikäyttöön ? -------------------------- Jotta hyötysuhde säilyisi hyvänä, ei modulaattorina voi tietenkään käyttää mitään A-luokan HiFi-audiovahvistinta, jonka tehonkulutus pilaisi koko konseptin, vaan modulaattorin tulee olla myös hyötysuhteeltaan erittäin hyvä. Tähän tarkoitukseen voi käyttää kapeilla kaistaleveyksillä (esim. yksi SSB-signaali) vaikkapa D-luokan pääteastetta. Hakkuri- tyyppinen modulaattori on oivallinen tapa generoida vaadittava modulaatioteho ohjaavan signaalin verhokäyränäytteestä pääteastetta varten. Oikeaoppisessa toteutuksessa vielä korjataan lähetinketjun epäideaalisuuksia ottamalla vertailu- näytteen lähettimen ulostulon niin vaihe- kuin amplitudi- komponenteistakin kompensointia varten. Monikantoaaltokäyttöä varten tilanne ei juurikaan poikkea edellisestä. Ilmaistava verhokäyrän prosessointikanavan pitää tietenkin olla riittävä leveä, samaten pääteastetta moduloivan modulaattorin prosessointikaistaleveyden on oltava riittävä. Em. kompensointikanavien ja koko systeemin oikeellinen toiminta vaatii syvällistä säätösilmukka-asioiden tuntemusta, sillä mm. ryhmäkulkuaikaviipe aiheuttaa tietenkin säröytymistä, kun verhokäyrä ja vaihe eivät enää tapaakaan ajallisesti oikealla kohtaa lähettimen ulostulossa. Ko. säröytyminen näkyy ensisijaisesti kolmannen ja viidennnen kerta- luvun keskeismodulaatiotulosten kasvussa. Muitakin ongelmia ----------------- Asioita mutkistavat tietenkin pääteasteen modulaatio-ohjauksen toteutus, sillä mm. C-luokan vahvistinasteiden käyttöjännitteen syöttöimpedanssin dynaamisuus aiheuttaa murheita, samaten hakkurimodulaattorin kytkimien ja suodinsysteemien soiminen jne. Välttämätön modulaattorin jännitteen suodattaminen aiheuttaa tietenkin sitä suurempaa ryhmäkulkuaikaviivettä, mitä enemmän suodatuksessa on napoja. Lisäkin myös komponenttien tehohäviöt aiheuttavat hyötysuhteen heikkenemisen. Hajakapisitanssit ja hajainduktanssit tekevät EER-/HELAPS-lähettimen toteuttamisen hyvin haasteellisen, mutta palkitsevan projektin. Koska moni- kantoaaltokäytössä olevan lähettimen pääteasteen ohjaavat signaalit vaihekanavalla ja amplitudikanavalla ovat suhteellisen leveäspektrisiä aina DC:stä n. luokkaa megahertseihin, on kiinnitettävä huomiota niin keskeismodulaation syntymiseen kuin ristimodulaationkin syntymiseen. Joka tapauksessa hyvin suunnitellun 12 W:n HELAPS-pääteasteen hyötysuhde voi olla yli 45 % koko transponderille, kattaen siis lähettimen lisäksi myös vastaanottimen ja välitaajuisest prosessointipiirit, sekä tarpeelliset modulaattorit ja teholähteet. Siis mitä suurempi teho, sen parempi hyötysuhde :-) Digitaaliset analogialähettimet ------------------------------- Varsinkin pienillä tehoilla toimittaessa ovat vanha kunnon analogiatekniikka ja diskreetit komponentit voimissaan. Suuremmilla tehoilla toimittaessa, ovat nykyaikaiset DSP-pohjaiset ratkaisut olleet tekemässä tuloaan markkinoilla jo usean vuoden ajan. Ohjelmistopohjainen reaaliaikainen, tai näytteistävä korjaus mahdollistaa jopa lineaarisuuskorjausvasteiden manipuloinnin komponenttien ikääntymisen tai esimerkiksi lämpötilamuutosten aiheuttamien lineaarisuusvirheiden korjaamiseksi. Tällaisia mm. ns. karteesisia ja polar loop-korjaukseen perustuvia lähettimiä varten on tänä päivänä saatavilla ohjauspiirejä ja myös moduloitavia vahvistimia. Myös em. tekniikoiden sekoittaminen vanhaan kunnon Doherty-, Chireix-, feedforward yms. vahvistimien toteutusten kanssa on nähtävillä varsinkin suuritehoisissa yleisradiotyyppisissä lähettimissä. Digitaalisia analogialähettimiä on myös ollut nähtävillä yleisradiomaailmassa jo pidemmän aikaa. Eräs tapa lähettimen tehon säätämiseksi digitaalisesti on useiden, esim. 32 lähettimen pääteasteen modulin (C-luokan vahvistimet) yksittäinen ohjauksen kytkentä päälle ja pois mikroprosessorin ohjauksen alla verhokäyrän rakentamiseksi. Paikallisoskillaattoriketjun samanaikainen suora vaihemodulaatio mahdollistaa tietenkin myös vaikka SSB-, digitaali- tai analogia- televisiolähetyksen toteuttamisen. Mietittäväksi ------------- Ja lopuksi vielä muistutus mietittäväksi: puhuttaessa lineaarisuudesta ja sen parantamisesta, ei sen välttämättä tarvitse tarkoittaa sähkölaskun kasvua tai suurempaa aurinko- panelia satelliittiin. Puhutaanpa tuolla eräässä keskieuroopan maassa, että joskus muinioin muuttui paikallisen telehallintoviranomaisen sanelema maksimi radioamatööriaseman lähetinteho anodihäviö- tehosta oikeaan ulostulotehoon johtuen muutamasta rakennetusta HF-HELAPS-lähettimestä, joista sai ko. anodihäviötehomääräystä hipomalla huomattavia tehoja ulos SSB:llä... 11.12.2002/OH2AUE