UKW Stereo Sender / Transmitter / FM exciter

Hallo Rolf,

uhh, die Durchmogler, die das in ihrem Leben immer weiter perfektionieren und damit hoch aufsteigen - ja wer kennt so einen nicht?

Aber zurück zum Thema:
Tatsächlich, Bluetooth ist dazu eine perfekte Ergänzung, da damit auch noch Streaming vom Smartphone zusätzlich funktioniert. Und wenn auch noch DAB+ Empfang dazukommt - einige der KFZ-Transmitter können das ja auch noch, bleiben eigentlich keine Wünsche mehr offen.

Jetzt bin ich also auch auf "Abwegen" gelandet! Gestartet war ich ja mit UKW-Transmitter als Prüf- und Mess-Sender.

Gruß
Reinhard

Wieviel Sendeleistung braucht man eigentlich für ordentliche Übertragung (für den Nahbereich, Stereo, einige Meter) wenn die Sendeleistung (ERP = equivalente abgestrahlte Leistung, bezogen auf eine Dipolantenne) nicht mehr als der Grenzwert von 50 Nanowatt, sein soll?

Dazu habe ich wenig Konkretes gefunden. Vielleicht habe ich aber nur nicht gründlich genug gesucht. Klar hängt nicht nur von der Ausgangsleistung des Senderleins ab, auch noch von der konkreten Antenne, Richtwirkung, d.h. Antennnengewinn bei Sender und Empfänger, Verlusten usw.
Aber jetzt mal angenommen nur ein Stück (ca. 60 cm) isolierten Langdraht jeweils als Antenne am Sender und am Empfänger genommen. Und angenommen diese Sende- und Empfangsantennen sind in ca. 1 m Abstand parallel verlegt.

Wieviel Sendeleistung reichen dann für ordentlichen Stereoempfang? Durchschnittlich guter Empfänger vorausgesetzt.

Ich habe es ausprobiert.
Vom 50-Ohm Senderausgang mit 50 Ohm Koax-Kabel an einen variablen Abschwächer (der verwendete hat 60 Ohm Wellenwiderstand), an dessen Ausgang über 50 Ohm Koax-Kabel einen HF-Leistungsmesser, der bis ca. -74 dBm herunter messen kann und eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm hat. Die leichte Fehlanpassung durch die 60 Ohm Wellenwiderstand des Abschwächers ignoriere ich hier, dürfte nicht viel ausmachen.
Auf -53 dBm HF-Leistung am Ausgang des Abschwächers eingestellt, das entpricht 0,5 mVeff HF an 50 Ohm oder der HF-Leistung von 5 Nanowatt an 50 Ohm (87,50 MHz).
Anschliessend habe ich den Leistungsmesser durch ein BNC-T-Stück ersetzt, an einem Schenkel einen 50 Ohm Abschlusswiderstand, am anderen die 60 cm lange Drahtantenne horizontal auf dem Fußboden.

Und...?
Einwandfreier Stereoempfang am Empfänger, dessen ebenfalls 60 cm lange Drahtantenne in 1 m Abstand parallel zur Sendeantenne lag!

Ich schrieb ja, auch wenn der Transmitter an seinem BNC-Ausgang direkt mit 50 Ohm abgeschlossen ist, er also nicht mehr senden sollte, sendet er immer noch durch Abstrahlung von der Schaltung. Allerdings ist dann der Stereoempfang nicht mehr rauschfrei, viel wird in diesem Fall also nicht abgestrahlt, ich vermute im einstelligen Nanowattbereich, denn bei 5 Nanowatt Antennenabstrahlung bin ich ja in Stereo schon rauschfrei.

Ca. 5 Meter entfernt schräg über dem Senderlein (Dachboden mit hölzerner Zwischendecke mit Glaswolledämmung) befindet sich für Fernsehen/Sat-Schüssel der Multiswitch, der auch einen UKW-Antenneneingang hat. Dort ist als UKW-Behelfsantenne ein auf die Dachbodendielen geklebeter ringförmig verlegter isolierter Draht von ca. 30 cm Durchmesser mit dem Innenleiter der UKW-Eingangsbuchse vom Multiswitch verbunden. Das reicht bei mir. Diese Behelfsantenne fängt natürlich auch die Übertragung vom Heimsenderleins ein und verteilt sie auf die hausinterne Verkabelung an vier Rundfunk/Fernsehsteckdosen im Haus. Im Betonkeller habe ich die schlechtesten Empfangsbedingungen und längsten Leitungsweg. Deshalb ist der Antennensteckdose dort noch ein 10 dB Verstärker nachgeschaltet. Immerhin kommt über diesen Weg das Heimsenderleinprogramm in Stereo hörenswert auch im Keller noch an, aber mit geringer Empfangssignal-Stärke und mit etwas Rauschen hörbar unterlegt. Also reichen 5 Nanowatt unter diesen Bedingungen nicht (mit der Nebenabstrahlung werden es etwas mehr sein), wenn man es "ordentlich" in stereo haben will, um ein "Hausnetz" zu versorgen.

Ausserhalb vom Haus (Massivbauweise, Porotonstein-Mauerwerk) habe ich bei 5 Nanowatt Sendeleistung die Reichweite mit einem sehr gut empfangenden Kofferradio Blaupunkt Derby 618 (in mono natürlich) überprüft. Mit horizontal ausgerichteter Stabantenne konnte ich in 16 Meter Entfernung vom Senderlein noch empfangen, in 20 Meter nicht mehr. Bei eingeschobener Kofferradioantenne war ausserhalb des Hauses auch in unmittelbarer Hausnähe kein Empfang mehr möglich.

Ich sollte noch unbedingt ausprobieren, wie der Empfang über die Hausverkabelung ist, wenn ich mit < 50 Nanowatt hinter dem Abschwächer direkt auf die UKW-Eingangsbuchse des Multiswitch gehe. Das ist ja die entscheidende Frage, nämlich ohne Antenne, stattdessen Direktverkabelung. Das hole ich noch nach. Es besteht m.E. Hoffnung, dass <50 Nanowatt für eine Haus-UKW-Verteilung direkt via Koax-Kabel reichen könnte. Ich werde es herausfinden.

Wird fortgesetzt.

Gruß
Reinhard

Das war noch eine Frage:
"Wie der Empfang über die Hausverkabelung ist, wenn ich mit < 50 Nanowatt hinter dem Abschwächer direkt auf die UKW-Eingangsbuchse des Multiswitch gehe. Das ist ja die entscheidende Frage, nämlich ohne Antenne, stattdessen Direktverkabelung. Das hole ich noch nach. Es besteht m.E. Hoffnung, dass <50 Nanowatt für eine Haus-UKW-Verteilung direkt via Koax-Kabel reichen könnte."

Ich habe es getestet. In meinem Fall benötige ich 50 nW am Hauskabel, damit im Keller noch genug ankommt. Ausserhalb des Hauses kann ich allerdings dann immer noch 15 Meter vom Haus empfangen. Also eine Lösung, damit der direkt angrenzende Nachbar nichts mehr empfängt, ist das auch nicht. Ich brauche ein grösseres Grundstück!

Gruß
Reinhard

Untersuchung eines FM-Transmitters mit dem Chip QN8027

Derzeit werden von vielen Händlern billige UKW-Transmitter-Module (7-14 € typisch; direkt aus China schon ab 7 € einschl. Versand) mit dem Transmitter-Chip QN8027 angeboten. Der QN8027 war in diesem Thread vorher schon mal kurz angesprochen worden. Er wurde in einigen Beiträgen im www besprochen und kam dabei nicht gut weg. Kritisiert wurde vor allem die vergleichsweise sehr schlechte Qualität des Trägers, der merklich verzerrt ist, bereits am Oszilloskop mit bloßem Auge erkennbar, und auch bestätigt durch quantitative Messungen.

Bei dem hier untersuchten Transmitter-Modul mit diesem Chip handelt es sich um den hier:






Es gibt ihn in zwei Bauformen, die sich nur im verbauten Display unterscheiden:


Der hier untersuchte ist folglich der "neuere".

Im Internet verfügbare Beiträge zu Transmittern mit dem QN8027:










Sowie diese Beiträge:

thingiverse.com/thing:1862082

karusisemus.wordpress.com/2019…ers-based-on-qn8027-chip/

goughlui.com/2016/09/27/review…ransmitter-fm_mic_v5-0-9/


Demnach waren meine Erwartungen an dieses Transmitter-Modul sehr gemässigt, zumal ja UKW-Transmitter mit dem schon praktisch HiFi-tauglichen QN8066 Chip für unter 30 € inzwischen verfügbar sind, der in meinem vorstehenden Test überzeugen konnte, sowohl in der HF- als auch NF-Qualität.



Zurück zum QN8027, zunächst die Überprüfung der Qualität des HF-Trägersignals.

Das Modul hat eine Lötöffnung für eine 75 cm lange Draht- bzw. Stab- (whip-) Antenne. Ein in dessen Nähe befindlicher Massekontakt zum Anlöten des Schirms, wenn man statt der Drahtantenne ein Koax-Kabel anlöten will, fehlt. Dafür müsste man die Lackierung der Massefläche ankratzen und den Schirm direkt auf die massefläche löten. Ich habe das nicht gemacht, sondern in das "Antennen-Lötloch" eine Klemme eines Koax-Kabels gesetzt und die andere Klemme (für den Schirm) mit der Masse an der USB-Buchse verbunden. Das Kabel ging an ein 200 MHz Oszilloskop und war an dessen BNC-Buchse mit 50 Ohm abgeschlossen.

1. Ausgangspegel des Transmittermoduls an dessen Antennenausgang (gemessen an 50 Ohm):
bei 87 MHz ca. 0,7 Veff (9-10 mW)
bei 98 MHz ca. 0,6 Veff (ca. 7 mW)
bei 108 MHz ca. 0,36 mVeff (ca. 2,6 mW)

Da das längere Anschlusskabel mit seinen Klemmen nicht exakt 50 Ohm Wellenwiderstand hat, kann ein Teil des Pegel-Abfalls zu höherer Frequenz auch durch das Kabel mitbedingt sein. Es ist in jedem Fall mehr als genügend Ausgangsleistung vorhanden. Zulässig wären in Deutschland bei Antennenbetrieb nur 50 nW, die würden bei weitem überschritten, weshalb bei uns der Betrieb mit einer angeschlossenen Antenne (auch mit einem Stück Draht als Antenne) nicht zulässig wäre.


2. Frequenzabweichung des HF-Trägers von der eingestellten (Soll-)Frequenz
bei 87 MHz: +23 kHz
bei 100 MHz: +26 kHz

Die Frequenzabweichung von anderen Billig-Transmittern ist typisch 1-4 kHz (wie zuvor in diesem Thread gemessen). Hier sind es typisch 23-26 kHz Abweichung. Das ist katastrophal schlecht! Zum "ungefähren" Einstellen eines UKW-Oszillators (für die Skalenanzeige) reicht das zwar gerade noch, aber zur Überprüfung eines Empfangsteils mit digitaler Frequenzanzeige schon u.U. nicht mehr.


3. Qualität des HF-Trägersignals

Y-Achse (Pegel) in dBV (10 dBV / DIV)
Bei Trägerfrequenz f0 = 100 MHz
x-Achse: 0 - 500 MHz; 50 kHz/DIV



Die Oberwelle bei 200 MHz ist nur um 21-25 dBc gegenüber dem Träger (bei 100 MHz) gedämpft. Auch das ist ein sehr schlechtes Resultat, ist aber in Übereinstimmung mit den Ergebnissen der oben verlinkten Untersuchungen, die ebenfalls Nebenwellendämpfungswerte von nur 20-25 dBc nannten.
Die Verbreiterung des Signals durch Phasenrauschen setzt hier bereits bei ca. -45 dBc ein. Zum Vergleich: Beim FM-Transmitter basierend auf dem besseren QN8066 setzte die Verbreiterung erst unterhalb -60 dBc ein.
Bei niedriger Trägerfrequenz (87 MHz) ist die Trägerqualität etwas besser, erreicht aber auch dort bei weitem noch nicht gute Werte.

Nachfolgend FFT des Trägers (hier bei 98 MHz) höher aufgelöst mit Nebenwellen bei +/- 12 MHz vom Träger. Diese sind ebenfalls moduliert und erscheinen im Empfänger. Also keine mehrfachempfangsstellen beim Empfänger sondern "dreckiger Sender".



4. Die schlechtere Qualität des Trägers ist auch am hochaufgelösten Trägersignal (bei Stereo = ein, nicht moduliert) erkennbar:

QN8027 Transmitter
F0 = 88 MHz
x-Achse: 87,75 - 88,25 MHz; 50 kHz/DIV



Zum Vergleich: QN8066 Transmitter

Deutlich weniger Linienverbreiterung


5. Modulationshub des QN8027 Moduls ("NF-Empfindlichkeit")
Es soll bei einem NF-Eingangspegel von höchstens 1 Veff (0 dBV) des Transmitter-Moduls bei 1 kHz Modulation ein FM-Modulationshub von ca. +/- 40 kHz (oder mehr) erzielt werden können. Ich konnte für 1 kHz/ 1 Veff einen Hub von fast +/- 40 kHz bei V=22 (VOL Einstellung am Modul) messen. Der Wert geht also in Ordnung.




Es geht anschliessend weiter mit der Messung der NF-Eigenschaften.



Gruß
Reinhard

Andreas, kommt ja noch einiges.

Audio-Eigenschaften

1. Frequenzgang
Der chinesische Händler gibt an "50 Hz bis 18 kHz". Das wäre tatsächlich in doppelter Hinsicht "schräg": Einerseits wäre die untere Grenze bei 50 Hz zu hoch, es sollte schon 20-30 Hz sein. Andererseits wäre die Obergrenze bei 18 kHz unsinnig hoch und auch nutzlos, denn das Pilotton-Filter im Empfänger schneidet sowieso spätestens bei 15 kHz steilflankig ab.
Da ist es schon beruhigend, dass die Messung einen sehr guten Frequenzgang zeigt: 20 Hz bis 14 kHz innerhalb von 0/-1 dB. Dabei weicht er nur an den Bandenden bei 20 und 14000 Hz um jeweils 1 dB nach unten ab. Auch 15 kHz werden mit -2 dB noch gut gemeistert (gemessen an SABA MD292).

QN8027 Transmitter-Modul, bester Frequenzgang


Erkennbar ist die 50 µs Preemphasis immer aktiv. Stereo ist by default auch immer aktiv, für Mono müsste eine Brücke (Jumper) gesetzt werden. Es sind nur die Lötkontakte vorhanden. Für einen Jumper-Stecker müsste man die Platine selbst noch einrichten.

Nun ist es mit dem Frequenzgang bei Transmittern nicht so einfach. Auch vorher in diesem Thread hat ja deshalb die Besprechung der Einflüsse von Limter (Begrenzer) und Kompressor (wenn vorhanden) viel Raum eingenommen. In jedem Transmitter ist ein Limiter erforderlich, damit es durch die Preemphasis nicht zur Übersteuerung bei hohen Audiofrequenzen kommt. Das bedeutet aber auch, dass der Frequenzgang bei höheren Frequenzen nach "unten" abgebogen wird, sobald der Limiter-Pegel (einschliesslich der zusätzlichen Preemphasis) erreicht wird. Idealerweise sollte ein Limiter abschaltbar sein, wenn das Modul für Messzwecke eingesetzt wird. Ein Kompressor ist für Messzwecke immer unerwünscht und hat mit HiFi auch nichts mehr zu tun (habe bei diesem Transmitter-Modul noch keine Kompression gefunden).

Der Audio-Pegel ist einerseits durch den Generatorpegel der externen Tonquelle bestimmt (in Veff bzw. dBV gemessen, bei f=1 kHz) und andererseits durch den Modul-internen digitalen Pegelsteller (Volume, V), der einen Bereich von V= 0-30 umfasst.

Frequenzgänge bei V= 30 fürdie genannten externen Audiopegel (bei 1 kHz)
-20 dBV (0,1 Veff) - grün, Limitergrenze bei keiner Frequenz erreicht
-15 dBV (0,175 Veff) - blau, Limitergrenze bei 12 kHz erreicht
-12 dBV (0,25 Veff) - braun, Limitergrenze bei 8 kHz erreicht
-10 dBV (0,31 Veff) - magenta; Limitergrenze bei 6 kHz erreicht



Das bedeutet,

• dass die Eingangs-Generatorspannung (vom NF-Audio-Zuspielgerät, bezogen auf ein 1 kHz Signal) für Musik- und allgemeine Audiowiedergabe unter ca. 0,2 Veff bleiben sollte, wenn man am Transmitter-Modul V=30 eingestellt hat.
  
• Bei allgemeiner Audiowiedergabe haben hohe Frequenzen eine viel kleinere Amplitude als tiefe und mittlere, so dass sie - anders als bei der Frequenzgangmessung, wo alle Frequenzen dieselbe Amplitude haben, die Limiterschwelle noch nicht erreichen.
  
• Benutzt man allerdings dieses Transmittermodul zu Messzwecken (u.a. zur Messung von Frequenzgang und Übersprechen), darf bei V=30 die Generatoramplitude 0,1 Veff bei 1 kHz nicht überschreiten (allenfalls geht auch noch bis -17 dBV, wenn man sich mit max. 12 kHz begnügt).
  

So kleine Generatorpegel sind häufig nicht standardmässig vorhanden. Bequemer wäre es, wenn der Eingangspegel höher sein dürfte. Deshalb hier die entsprechenden Messungen für die Einstellung V=22.

A) Frequenzgang für V= 22 mit Generator-Eingangspegel von -6 dBV (0,5 Veff) bei 1 kHz (beide Kanäle)

Für V= 22 und 0,5 Veff Eingangsamplitude wird die Limiterschwelle gerade noch nicht erreicht. Es resultiert ein gerader, unverfälschter Frequenzgang bis 14 kHz, der sich auch für Messzwecke gut eignet.


B) Frequenzgang für V= 22 mit Generator-Eingangspegel bei 1 kHz von
-4 dBV (0,62 Veff), magenta, Limiter begrenzt ab 12 kHz
-2 dBV (0,8 Veff), blau, Limiter begrenzt ab 9 kHz
0 dBV (1 Veff), grün, Limiter begrenzt ab 7 kHz



Für die Einstellung V=22 gilt demnach

• dass die Eingangs-Generatorspannung (vom NF-Audio-Zuspielgerät, bezogen auf ein 1 kHz Signal) für Musik- und allgemeine Audiowiedergabe unter ca. 0,8 Veff bleiben sollte, wenn man am Transmitter-Modul V=22 eingestellt hat.
  
• Bei allgemeiner Audiowiedergabe (Musik) wird damit die Limiterschwelle i.a. noch nicht erreicht
  
• Benutzt man allerdings dieses Transmittermodul zu Messzwecken (u.a. zur Messung von Frequenzgang und Übersprechen), darf bei V=22 die Generatoramplitude 0,5 Veff bei 1 kHz nicht überschreiten (allenfalls geht auch noch bis -4 dBV (0,6 Veff), wenn man sich mit max. 12 kHz Wiedergabe begnügt).
  

Ich hatte weiter oben geschrieben, dass sich ein Modulations-Hub von +/- 40 kHz bei V= 22 mit 1 Veff erreicht werden kann. Wie aber auch festgestellt, ist bei der Frequenzgangmessung mit dieser Eingangsspannung der Transmitter ab 7 kHz bereits in der Begrenzung. Tatsächlich ist unlimitierter Frequenzgang aber erst bei einer Generator-Eingangsspannung von 0,5 Veff (und darunter) möglich. Der tatsächliche (praktikable) Frequenzhub beträgt deshalb nur +/- 20 kHz bei 0,5 Veff mit 0,5Veff Eingangspegel. Das ist ein Manko, weil für Prüfmessungen an Empfängern oft ein Modulationshub von +/-40 kHz vorgesehen ist.

Das Verhalten bei Einstellung unterhalb von V=22, bzw. über den gesamten V-Bereich, habe ich noch nicht untersucht. Ergänze ich noch.


2. Klirrfaktor (THD)

Hier gemessen am SABA MD292 für die von mir für dieses Transmittermodul bevorzugten Einstellung V= 22 und Eingangs-NF-Amplitude von 0,5 Veff und bei der Trägerfrequenz von 96 MHz



Der Klirrfaktor bleibt selbst an den Grenzen von 20 Hz und 7 kHz unter 0,2 %. Im übrigen ist er sogar < 0,1 %. Das ist, wie auch der Frequenzgang dieses Transmitters, hervorragend.
(Oberhalb 7 kHz macht die Klirrfaktorangabe bei UKW keinen Sinn, da die 1. Harmonische schon aussserhalb des Übertragungsbereichs, 14 kHz, liegen würde).



3. Stereo-Übersprechdämpfung (Stereo-Kanaltrennung)

Wieder gemessen mit dem Empfänger SABA MD292.



Auch bei der Stereo-Übersprechdämpfung ein hervorragendes Ergebnis mit diesem QN8027 Transmitter von > 40 dB bei 1 kHz und immer noch grösser oder gleich 34 dB bei 10 kHz und 28 dB bei 15 kHz. Diese Werte dürften den Grenzwerten des verwendeten Empfängers MD 292 selbst entsprechen.



4. Vorläufige Zusammenfassung:

HF-Eigenschaften (Signalreinheit, Signalqualität): schlecht
Wer UKW-Empfänger damit prüft oder diesen Transmitter als "Heimsenderlein" verwendet, wird das vermutlich gar nicht merken. Funkamateuren wird das aber wenig behagen.

HF-Frequenzgenauigkeit: katastrophal schlecht
Für UKW-Oszillatorabgleich, wenn es auf 25 kHz mehr oder weniger nicht ankommt, wird es genügen. Für höhere Ansprüche nicht.

HF-Frequenzbereich: sehr gut

Ausgangsleistung: für Antennenbetrieb in Deutschland unzulässig, sonst gut.

Praktikabler Modulationshub: zu klein (20 kHz), darüber begrenzt bereits der Limiter.
Praktikabler NF-Eingangsspannungsbereich (0,1 Veff bis 0,5 Veff), gut

Stereo-Mono-Umschaltung nicht vorhanden (durch nachgerüsteten Jumper ergänzbar)


Preemphasis 50 µs, nicht (ab)schaltbar

Limiter (nicht abschaltbar)

Frequenzgang: sehr gut (wenn unterhalb Limiterschwelle)
Klirrfaktor (THD): sehr gut
Übersprechdämpfung (stereo): sehr gut

Rauschen: kein störendes Rauschen erkannt

Nutzwert bei Verwendung als "Heimsenderlein": gut. Bei Nicht-Überschreitung der/des Eingangs-Pegel(s), so dass die Limiterschwelle noch nicht erreicht wird, ist HiFi-Stereo-Qualität zu erwarten. Die NF-Audioeigenschaften sind dann sehr gut. Angesichts des günstigen Preises überraschend gute Audio-Qualität.

Nutzwert bei Verwendung als "Mess-und Prüfgerät zur Einstellung von UKW-Stereo-Empfängern und Stereodekodern": nur eingeschränkt tauglich. Fehlende Mono-Stereo-Umschaltung (allerdings nachrüstbar), nicht abschaltbare Preemphasis, nicht abschaltbarer Limiter, nicht ausreichender Modulationshub (nur 20 kHz) ohne dass bereits die Limiterschwelle erreicht wird. Sehr schlechte HF-Frequenzgenauigkeit (Abweichung bis zu +26 kHz).
Um einen Stereodekoder zu überprüfen und einzustellen oder den UKW-Oszillator für Übereinstimmung mit der Hauptskala einzustellen, genügt dieser Transmitter, wie auch alle anderen untersuchten Transmitter der Tabelle. Ein Oszilloskop zusätzlich ist empfohlen, um sich zu vergewissern, was am Eingang des Stereodekoders "ankommt". Man sollte sich allerdings ausführlich mit dem Transmitter befasst haben und verstanden haben, wie man nur einen (den linken oder den rechten Kanal, also nur L, bzw. nur R) benutzt und wie man "mono" (L+R = Main) einstellt und auch, wie man nur den Pilotton alleine sendet. Solche Dinge sind u.U. bei der Dekoder-Einstellung gefordert. Für "Sub" = L-R muss man vor dem NF-Eingang das Signal eines der beiden Eingänge bei gleicher Amplitude invertieren. Das kann dieser Transmitter von sich aus alleine nicht. Man invertiert meist mit einer einfachen OpAmp-Schaltung oder einer Transistorstufe.




Gruß
Reinhard