Выходная мощность трансивера (усилителя) обычно указывается при определённой величине нелинейных искажений, так как эти две характеристики находятся в тесной связи. При достижении некоторого уровня мощности процент нелинейных искажений начинает быстро возрастать.

     Параметром (мерилом) линейности передатчика (усилителя) является пиковая мощность. Сразу следует заметить, что речь здесь идёт не о той пиковой мощности, под которой некоторые подразумевают мощность, соответствующую максимальной амплитуде модулированного радиосигнала (т.е., максимальную мгновенную мощность). Нет, здесь речь идёт о максимальной эффективной мощности этого колебания, но только за один его период. Разумеется в линейном режиме. Вот эта мощность называется пиковой мощностью (некоторые её называют мощностью на пиках) [1,2]. А в Регламенте радиосвязи ITU она называется «Peak envelope power» или сокращённо – РЕР.

 

При этом нужно различать когда, о какой пиковой мощности идёт речь. О пиковой мощности передатчика (усилителя) или вообще о пиковой мощности модулированного колебания? Пиковая мощность модулированного сигнала: это максимальная эффективная мощность колебаний высокой частоты, развиваемая колебанием наибольшей амплитуды в модулированном сигнале в линейном режиме. Это кратковременная мощность, развиваемая в определённые моменты времени и только на пиках (вершинах) модулированного сигнала. Пиковая мощность передатчика - параметр, характеризующий линейность передатчика (усилителя), это предельная эффективная мощность, при которой нелинейные искажения находятся в допустимых пределах. И передатчику (усилителю) вообще-то безразлично на пиках сигнала эта мощность достигается или постоянно.

 

В голосовом спектре содержится множество колебаний различной частоты и амплитуды. На рис.1 зафиксирована спектрограмма речевого сигнала, соответствующего звуку «а-а-а». Здесь видно, что этот звук имеет сложный спектральный состав: основные частоты (тоны) большой амплитуды чередуются со вспомогательными частотами (обертонами) небольшой амплитуды (около 30 тонов и столько же примерно полутонов до частоты 2,7 кГц).

Рис.1

 

На выходе передатчика радиосигнал, промодулированный этим спектром частот на нагрузке Rн создаст общий, суммарный ток.

Любое модулированное колебание можно представить в виде суммы гармонических колебаний различных частот. Например, амплитудно-модулированное колебание (при модуляции одной частотой) можно представить в виде:

 

 

т. е., в виде суммы трёх гармонических колебаний: 1) колебание несущей частоты; 2) колебание верхней боковой частоты; 3) колебание нижней боковой частоты.

В общем случае спектральное разложение модулированного колебания осуществляется с помощью преобразований Фурье, с привлечением математического анализа. А, проще говоря, это есть процесс вычисления мгновенных суммарных (дискретных) значений напряжения (тока) всех частот, из которых складывается суммарный сигнал.

 

Для примера рассмотрим, каков будет результирующий сигнал Fр при сложении трёх синусоидальных колебаний с разными частотами и амплитудами: F1, F2 и F3 (рис.2). Допустим, в результате преобразований Фурье мы получили ряд дискретных значений (точек преобразования) суммарного напряжения слагаемых колебаний в определённом интервале времени. Отложим эти точки на графике (чёрным цветом) и соединим их линией (малинового цвета), чем больше точек преобразования Фурье, тем точнее результат. Получим график суммарного колебания Fр. Точно такую осциллограмму мы увидим на экране осциллографа (при соответствующей частоте развёртки и синхронизации) при подаче на вход осциллографа этих трёх колебаний.

Рис.2

 

Согласно законам сложения гармонических (синусоидальных) колебаний, если частоты складываемых колебаний не одинаковы, то результирующее колебание Fp не будет гармоническим (синусоидальным), его амплитуда и период не будут постоянными, они будут изменяться с течением времени. В случае сложения модулированных колебаний эти изменения скажутся ещё в большей степени. На рис.2 одно полное колебание с «пиками» 1 и 2 имеет наибольшую амплитуду, а эффективная мощность этого колебания будет пиковой мощностью всего результирующего колебания. Эта картина будет периодически повторяться.

 

В радиосигнале промодулированном звуком «а-а-а» суммироваться будут все частоты, соответствующие спектру этого звука. Осциллограмма такого сигнала на выходе передатчика представлена на рис.3а.

Рис.3

 

При соответствующей частоте развёртки и синхронизации осциллографа размытость изображения («огибающая») исчезнет, и отчётливо станут видны пики высокочастотного заполнения в исследуемом сигнале. Окажется, что это совсем не пики, но и не синусоида. Каждая вершина в этом сигнале состоит из нескольких пиков, из которых пики 4 в этом результирующем колебательном процессе составляют одно полное колебание с наибольшей амплитудой. Максимальную амплитуду напряжения имеет положительный пик 4, на этом пике будет развиваться и максимальная мгновенная мощность. Несколько меньшее напряжение, а, следовательно, и мгновенная мощность, развивается на отрицательном пике 4.

 

Так как это колебание возникло в результате сложения колебаний нескольких частот различной амплитуды, то это колебание не будет синусоидальным, а его форма будет зависеть от количества суммируемых частот и сдвига фаз между ними, например, может иметь форму, как на рис.3b. Эффективная мощность за период колебания, образованного пиками 4 будет пиковой (максимальной) мощностью в этом, промодулированном звуком «а-а», сигнале.

 

Допустим, осциллограф зафиксировал амплитудное значение напряжения в точке 4: Uо = 100В. Тогда мгновенная мощность сигнала в этот момент будет равна: Ро = (100х100)/ 50 = 200Вт. Если бы это было синусоидальное колебание, то его эффективная мощность за один период была бы равна: Рэфф = Ро/ 2 = 100 Вт. Но так как это колебание не синусоидальное, его эффективная мощность за этот же период (пиковая мощность) на самом деле будет несколько меньше 100 Вт. Но с некоторым приближением можно считать пиковую мощность этого сигнала приблизительно равной 100 Вт.

Средняя же мощность всего сигнала будет меньше 50% этой пиковой мощности. Причиной этого является наличие в голосовом спектре множества колебаний различной частоты и амплитуды. В определённые моменты времени фазы некоторых частот в спектре радиосигнала совпадают и амплитуды этих колебаний суммируются, а эффективная мощность этого суммарного колебания может достичь пикового значения (пиковой мощности передатчика). Но пиковая мощность модулированного сигнала достигается только при уровне эффективной (средней) мощности всего сигнала определённого значения, при превышении которого усилитель начинает работать уже в нелинейном режиме:

 

 

 

Это соотношение было проверено на практике с помощью прибора SX-100, представляющего собой измеритель выходной мощности, совмещённый с КСВ-метром, в котором предусмотрено переключение с регистрации средней мощности на регистрацию пиковой мощности (РЕР). Хотя в инструкции пользователю этот прибор называют прецизионным, на самом деле он таковым не является. Во-первых, по точности измерения мощности он уступает методу измерения мощности с помощью ВЧ вольтметра; во-вторых, при измерении пиковой мощности стрелка «болтается» около какого-то значения, а не фиксируется в неподвижном состоянии и измеряет приблизительно 70% - 90% действительной пиковой мощности. Поэтому дополнительно использовались и другие приборы.

 

Для 100-ваттного трансивера в режиме CW (1 тон) с помощью вольтметра В7-15 на Rн=50 Ом была измерена выходная мощность Рср=100 Вт, а SX-100 зафиксировал Рср=95 Вт.

В режиме SSB без компрессии (с отключённой ALC) при громком «а-а-а» SX-100 зафиксировал Рср около 20 Вт, самодельный ваттметр- вольтметр на базе КСВ-метра показал тоже Рср=20 Вт, а ВЧ напряжение около 32 В. Вольтметр же В7-15 показал при этом ВЧ напряжение около 70 В, что соответствует мощности около 100 Вт, как будто это пиковая мощность, а SX-100 зафиксировал пиковую мощность Рпик = 90Вт.

 

В этом же режиме, но с умеренной компрессией SX-100 зафиксировал Рср около 40 Вт, самодельный ваттметр-вольтметр показал тоже Рср = 40 Вт, а ВЧ напряжение около 45 В. Вольтметр же В7-15 при этом показал ВЧ напряжение около 75 В, это соответствует мощности 110 Вт, что превышает даже пиковую мощность, а SX-100 зафиксировал пиковую мощность Рпик около 90 Вт.

 

Из этих измерений следует:

1) Пик-фактор SSB сигнала при модуляции звуком «а-а-а» для низкого голоса без компрессии в нашем случае получился р = 3, а с умеренной компрессией р = 2,2. При этих значениях пик-фактора соотношение {2} выполняется;

2) Вольтметр В7-15 регистрирует по всей вероятности Peak Envelope Voltage (PEV), но проградуирован в эффективных значениях синусоидального напряжения, поэтому для модулированных сигналов показания В7-15 получаются значительно завышенными.

 

Как известно, режим лампы (транзистора) характеризуется не только углом отсечки анодного (коллекторного) тока, но и так называемой напряжённостью режима. А напряжённостью режима можно управлять путём изменения сопротивления анодной (коллекторной) нагрузки, анодного (коллекторного) напряжения, напряжения смещения и возбуждения. Для импортной аппаратуры режим по постоянному току рассчитывается и устанавливается заводом-изготовителем. Самодельную аппаратуру радиолюбители изготавливают обычно по разработанным конструкциям, авторы которых также рассчитывают их режим по постоянному току и дают рекомендации по его установке. Только грубые просчёты в выборе режимов усилительных каскадов могут привести к нелинейному режиму работы передатчика. В основном для работы передатчика (усилителя) в линейном режиме необходимо подобрать оптимальную мощность возбуждения.

 

Для того чтобы передатчик (усилитель) не вносил нелинейных искажений, зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала должна быть линейной. Рассмотрим зависимость выходной мощности от входной по графику (рис.4).

Рис.4

 

До некоторого момента времени (точка 1 на графике) эта зависимость линейная. Потом увеличение выходной мощности начинает замедляться и происходит нелинейно. В момент, когда кривая реальной мощности отклоняется от линейной зависимости больше, чем на 1 дБ (точка 2 на графике), интермодуляционные составляющие 3-го порядка начинают превышать допустимую норму (-40 дБ). Вот в этот момент выходная мощность передатчика достигает пикового значения. Если проконтролировать на выходе передатчика форму синусоидального сигнала по осциллографу, то можно заметить, что вершина синусоиды становится с этого момента всё более плоской и более широкой, наступает ограничение сигнала и, наконец, прирост мощности прекращается (точка 3 на графике).

 

Цитата из книги С.Бунимовича, Л. Яйленко «Техника любительской однополосной радиосвязи», 1970): «Определить, какую мощность может отдать линейный усилитель без превышения допустимой величины искажений, затруднительно, если на вход усилителя подавать синусоидальные колебания одной частоты. В этом случае нелегко заметить уровень сигнала, при котором усилитель перегружается и искажения превышают норму, так как искажения эти приводят только к появлению гармоник основной частоты, не лежащих в рабочем диапазоне и подавляемых анодным контуром» (стр. 208).

 

Определение пиковой мощности усилителя, при которой нелинейные искажения ещё не выходят из нормы производится двухтональным сигналом. Для линейного режима при усилении двухтонального сигнала известны следующие соотношения (для усилителей, работающих в режиме В) [1]: пиковая мощность при усилении двухтонального сигнала равна эффективной мощности при усилении одночастотного сигнала, а средняя эффективная мощность двухтонального сигнала в два раза меньше его пиковой мощности (т. е., эффективной мощности однотонального немодулированного сигнала).

 

Как эффективную мощность немодулированного сигнала, так и пиковую мощность модулированного сигнала можно определить при усилении двухтонального сигнала, как удвоенное значение измеренной средней мощности двухтонального сигнала на сопротивлении нагрузки Rн при условии, что нелинейные искажения не больше нормы.

При этом пиковая мощность двухтонального сигнала - Рпик будет равна эффективной (средней) мощности одночастотного (телеграфного) сигнала - Рэфф. Эта же мощность принимается как предельная пиковая мощность для однополосного сигнала (SSB) - Ррер, т. е.׃

 

P эфф = P пик = P рер   {3}

 

Но это равенство справедливо только для момента, обозначенного на графике точкой 2 . При других значениях выходной мощности эффективную мощность одночастотного сигнала приравнивать к пиковой мощности никак нельзя.

 

Двухтональный метод испытания передатчиков используется совместно с анализатором спектра или с осциллографом. Однако такие приборы имеются далеко не у каждого радиолюбителя. Гораздо большее число радиолюбителей сейчас имеют SDR технику. Приёмник SDR можно с успехом использовать как спектроанализатор для определения уровня внеполосного излучения. Передатчик нагружается на Rн=50 Ом, сигнал на SDR подаётся через эфир и короткую антенну-провод с плавным аттенюатором мостового типа [8], подключаемые к антенному разъёму SDR.

Методика проведения измерений такая же, какую рекомендуют Бунин и Яйленко в своих книгах [1,2]. «При налаживании усилителя и испытании его двухтоновым сигналом необходимо иметь возможность плавно регулировать амплитуду сигнала от нуля до значения, соответствующего максимальной мощности передатчика». «Регулируя его уровень (2-х тонового сигнала), степень связи с нагрузкой в режиме усиления, добиваются максимальной отдаваемой мощности при допустимом уровне внеполосных излучений». Уровень сигнала двухтонального генератора устанавливается таким же, как оптимальный уровень сигнала, развиваемый микрофоном [6].

 

На скринах с панорамника SDR (Fig 1-3) представлен результат испытания трансивера (без усилителя) 2-х тоновым сигналом на разных этапах. ALC и компрессия отключены, регулятор выходной мощности на максимуме. Изменялось только усиление микрофонного усилителя (мощность возбуждения). Но, возможно, потребуется уменьшить и выходную мощность трансивера, чтобы получить требуемое ослабление внеполосного излучения. Уровни 2-х тонального сигнала и внеполосного излучения измеряет компьютерная программа, результат считывается по дисплею S- метра в баллах, а также в децибелах по отношению к 1 мВт – в дБм (Fig.4) или по положению курсора, наведённого на вершину сигнала.

Fig.1. Усиление микрофонного усилителя слишком велико (перевозбуждение). Видны интермодуляционные составляющие 3-го, 5-го, 7-го и более порядков Уровень составляющей 3-го порядка имеет ослабление по отношению к уровню 2-х тонового сигнала около -15 дБ.

 

Fig.1-4

 

Fig.2. При оптимальном усилении микрофонного усилителя. Ослабление IMD 3-го порядка около - 40 дБ, что удовлетворяет требованиям Регламента радиосвязи.

Fig.3. Здесь для сравнения показан однотональный телеграфный сигнал в линейном (оптимальном) режиме, уровень которого на 3 дБ больше уровня 2-х тонового сигнала (в два раза по мощности). Как и должно быть в линейном режиме.

 

Было также произведено измерение выходной мощности и ВЧ напряжения трансивера приборами на Rн=50 Ом. При усилении 2-х тонов SX-100 зафиксировал Рср = 50 Вт, а Рпик = 80 Вт. Самодельный ваттметр-вольтметр показал Рср =50 Вт и Uср =50 В, а В7-15 показал ВЧ напряжение около 70 В.

При усилении одного тона (режим «нажатия») SX-100 зафиксировал Рср = 95 Вт. Самодельный ваттметр-вольтметр показал Рср = 100 Вт и Uэфф = 70 В, а вольтметр В7-15 зарегистрировал Uэфф = 71 В.

 

Из этих измерений видно, что вольтметр В7-15 не различает 2-х тональный модулированный сигнал от немодулированного однотонального. Поэтому за уровень напряжения 2-х тонального сигнала принимаем показания самодельного вольтметра Uср = 50 В, а за уровень напряжения однотоналного сигнала принимаем показания вольтметра В7-15: Uэфф = 71 В.

 

Среднюю мощность 2-х тонального сигнала SX-100 и самодельный ваттметр зарегистрировали одинаково: Рср = 50 Вт. А вот пиковую мощность 2-х тонального сигнала, зарегистрированную SX-100 и равную 80 Вт, считаю сильно заниженной, она должна быть в два раза больше средней мощности 2-х тонального сигнала и равна эффективной мощности однотонального сигнала, которую SX-100 оценил в 95 Вт, но скорее всего она равна 100 Вт (согласно измерениям самодельного ваттметра и вольтметра В7-15).

 

И ещё о приборе SX-100. На мой взгляд, более-менее реальный результат по измерению как средней, так и пиковой мощности модулированных сигналов регистрируется при мощности до 100 Вт. При большей мощности разница в мощностях 2-х тонального и однотонального сигналов становится меньше, также занижается пиковая мощность. Более-менее реальный результат при измерении средней мощности модулированных колебаний даёт и самодельный ваттметр, но он не измеряет пиковую мощность.

 

При испытании усилителя двумя тонами нужно дополнительно ещё изменять и выходную мощность возбудителя (трансивера). Так для усилителя с ОС с выходной мощность РЕР около 200 Вт для получения такой картинки как на Fig.2 и 3 выходная мощность трансивера (возбудителя) составила около 16 Вт (рис.5). При этом для 2-х тонального сигнала анодный ток усилителя составил 250 мА, средняя мощность по прибору SX-100 Рср=120 Вт, а для режима CW (1 тон) анодный ток составил 330 мА, Рср=190 Вт.

 

В крайнем случае, можно сделать качественный (в смысле не количественный) анализ своего сигнала, если в своём QTH или в ближайшем регионе у кого-либо имеется трансивер SDR, попросив своего коллегу (владельца SDR) охарактеризовать качество сигнала.

Рис.5

 

На рис.5 (Fig.1) скриншот части панорамника SDR, на котором зафиксирована спектрограмма принятого SSB сигнала фирменного трансивера. В этом сигнале чётко зафиксировано наличие незначительного внеполосного излучения, уровень которого меньше уровня основного сигнала на 40 дБ (координатная сетка по вертикали с ценой деления 10 дБ). Основной сигнал имеет полосу около 2,7 кГц, а внеполосное излучение занимает полосу на уровне шума эфира около 7 кГц (координатная сетка по горизонтали с ценой деления 2 кГц). Всегда можно отличить нормальный сигнал (Fig.1) от ненормального (Fig.2) и принять соответствующие меры.

 

 

Литература:

 

1.С Бунимович, Л.Яйленко. Техника однополосной любительской радиосвязи. – Москва, 1970.

2.С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. Справочник радиолюбителя- коротковолновика. - Киев. 1984.

3.Б.Г.Степанов. Справочник коротковолновика. - Москва, 1986.

4.И.Казанский (UA3FT). Регламент радиосвязи. КВ и УКВ. 9/2001, стр.4.

5.Б.Степанов (RU3AX). SSB - пиковая мощность. – Радио,7/ 2011, стр.62.

6.Г.Шульгин (ex UA3ACМ). Двухтональный генератор. – Радио, 4/2007, стр. 68 (ретро).

7.Н.Филенко (UA9XBI). Двухтональный генератор – простейший инструмент для проверки линейности усилителей мощности. (cqham.ru.dualt/htm).

8. В.Башкатов (US0IZ). Плавный компенсационный мостовой аттенюатор. – Радиохобби, 5/2000, стр.46.

 

 

В. Костычев, UN8CB

г. Петропавловск.

http://smham.ucoz.ru/publ/12-1-0-334