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, wenn auch bei hohen Audiofrequenzen noch keine Begrenzung erfolgen soll. Das ist ein Manko, weil für Prüfmessungen an Empfängern oft ein Modulationshub von +/-40 kHz vorgesehen ist. Das ist bei den anderen getesteten Transmittern ähnlich

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. 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 max. Modulationshub: +/-40 kHz (dabei Begrenzung ab NF=7 kHz)
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, 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.

Das ist bei den anderen getesteten Transmittermodulen, die nicht ausdrücklich als "Mess- und Prüfsender" vorgesehen sind, ähnlich. Insofern steht dieser Transmitter nicht schlechter da.

Für seinen ausserordentlich günstigen Preis liefert dieses Transmittermodul hinsichtlich der NF-Qualität der Stereowidergabe (Frequenzgang, THD, Kanaltrennung) sehr gute Leistung ab. Die beiden Kritikpunkte sind lediglich die mangelhafte HF-Frequenzgenauigkeit und der hohe HF-Neben-und Oberwellenschmutz (spurious content) des HF-Trägers.

Das Transmittermodul basierend auf dem QN8066 Chip bleibt Gesamtsieger, da es nicht nur bei den NF-Eigenschaften sondern auch bei den HF-Eigenschaften überzeugen konnte.





Gruß
Reinhard

Zusammenfassung nachträglich editiert am 04.07.2024

Digitaler Pegelsteller des QN8027 Transmitter Moduls - ausführlicher
Was ist die beste Einstellung, was ist der "richtige" Eingangspegel?

Der 30-stufige digitale NF-Eingangspegelsteller (am Display einstellbar) befindet sich im Signalweg unmittelbar hinter den NF-Eingängen und vor der Preemphasis, der der Begrenzer (Limiter) folgt. Der Pegelsteller (V = 0...30) beeinflusst also den Audio-Pegel zusätzlich zur Amplitude des eingespeisten Tonsignals und damit die Wiedergabe-Lautstärke vom Empfänger. Die nachgeschaltete Preemphasis multipliziert den Gesamtpegel, der aus dem Zusammenwirken von Generator-Eingangspefel und eingestelltem V-Wert resultiert, mit der Preemphasis-Funktion (Zeitkonstante 50 µs). Dementsprechend werden die Amplituden von Frequenzen oberhalb 1 kHz angehoben.

An der (nicht beeinflussbaren) Begrenzungsschwelle werden die Amplituden im Limiter begrenzt, und zwar immer unter Einbeziehung der Preemphasis-Anhebung. Dadurch kommt es bei zu großem NF-Eingangspegel zu einer Pegeldämpfung und Frequenzgang- Verbiegung bei höheren Frequenzen, wenn die Begrenzungsschwelle erreicht oder überschritten wird. Bei Musikprogramm dürfte das seltener vorkommen, da die Amplituden von höherfrequenten Tönen viel kleiner sind als die von von Bässen und Mittenfrequenzen. Wird aber der Transmitter im Service als Messgerät zur Instandsetzung von UKW-Empfängern und Stereodekodern verwendet, darf nur mit Pegeln gearbeitet werden, die im gesamten verwendeten Frequenzbereich und einschliesslich der (hier nicht abschaltbaren) Preemphasis noch unterhalb der Begrenzerschwelle liegen.

Es gilt also, festzustellen, wo die Begrenzerschwelle bei diesem Transmitter liegt, bzw., mit welchen Kombinationen von Generator-Eingangspegel und V-Einstellung (am digitalen Pegelsteller) diese Schwelle noch nicht erreicht wird. Andererseits möchte man den Pegel nicht zu klein wählen, da sonst Rauschen und andere Effekte stören. Man hat damit auch gleichzeitig die beste Einstellung für Musikwiedergabe, da Frequenzgang und Verzerrungsfreiheit damit optimal sind.

Ich messe dafür den Frequenzgang von 20 Hz bis 15 kHz in Abhängigkeit vom Eingangspegel bei verschiedenen V-Werten für den digitalen Pegelsteller des Transmittermoduls.
Wenn keine Begrenzung vorhanden ist, gibt es keine Frequenzgang-Verbiegung (Pegelabsenkung) im höherfrequenten Audio-NF-Bereich. Ist aber die Begrenzerschwelle erreicht oder wird überschritten, wird bei den Frequenzen, bei denen dies passiert, der Pegel auf den Wert der Begrenzerschwelle begrenzt (bzw. abgesenkt).

Unterhalb der Begrenzerschwelle muss eine NF-Pegelabsenkung (oder Pegelerhöhung) am Transmitter um einen Faktor X auch am Empfänger um eine (Lautstärke-) Pegelabsenkung (bzw. Erhöhung) um den gleichen Faktor X führen. Beispiel: Halbierung des NF-Eingangspegels am Transmitter führt auch am Empfänger zu einer Halbierung dessen NF-Ausgangspegels.

Das sieht so aus:


In diesem Fall wurde bei festem Generatorpegel von 1 Veff (0 dBV) der V-Wert des digitalen Pegelstellers des Transmitters von V=30 ausgehend in Schritten von jeweils fünf Einheiten abgesenkt und dafür die Frequenzgänge am Empfängerausgang (SABA MD 292) gemessen.

Man erkennt:

• Die oberste Frequenzgangkurve für V= 30 bei 1 Veff ist über ihre gesamte Bandbreite in der Begrenzung. Das erkennt man daran, dass der Pegelabstand zur um fünf V-Einheiten abgesenkten nächsten Kurve für V=25 viel kleiner ist als die der anderen Frequenzgangkurven bei kleineren Pegeln.
  
• Bei V=25 wird durch die Preemphasis die Begrenzung ab 4 kHz errreicht und überschritten.
  
• Bei V=20 wird die Begrenzung ab 10 kHz errreicht und überschritten.
  
• Bei V=15 und darunter erfolgt über die gesamte Bandbreite keinerlei Begrenzung mehr. Tatsächlich ist bereits bei V=18 und 1 Veff Eingangspegel keine Begrenzung mehr feststellbar.
  
• Bei V=0 erfolgt keine Modulation mehr, der kleinste wirksame V-Wert ist 1.
  
• Die Schrittweite von fünf V-Stufen bewirkt eine Pegeländerung um 7 dB. D.h. eine V-Stufe entspricht einer Pegeländerung um 1,4 dB. Dementsprechend ist der Abstand zwischen V=5 und V=1 nur noch 5,6 dB (4 x 1,4 dB).
  

Sehr beruhigend: Es gibt keine zusätzliche Kompression, nur die Limiter-Schwelle ist zu beachten.


Nachdem die Wirkung des digitalen Pegelstellers (eine V-Stufe = 1,4 dB) und die Begrenzerschwelle bekannt ist, kann man sich beliebige Kombinationen von verwendetem Generatorpegel und einzustellenden V-Wert berechnen, bei denen man über die gesamte Bandbreite (bis 15 kHz) unterhalb der Begrenzerschwelle bleibt.

Beispiele:
Referenz: 1 Veff (0 dBV) Eingangsspannung und V=18 --> keine Begrenzung, linearer Frequenzgang bis 14 kHz, niedriger Klirrfaktor, THD

A) Ich habe einen Generatorpegel von 0,5 Veff ( = -6 dBV). Auf welchen Wert muss ich V einstellen, um maximalen Pegel ohne Begrenzung zu bekommen?
Antwort: Ich darf einen V-Wert einstellen, der um max. 6 dB grösser ist als bei der Referenz. Da eine V-Stufe = 1,4 dB ist, darf ich den V-Wert um vier Einheiten (4 x 1, 4 dB = 5,6 dB, also nächstkleineres Vielfaches von 1,4) gegenüber der Referenz anheben.
Ergibt: V = 22

B) Ich möchte mit einem Generatorpegel von 0,3 Veff (= -10,5 dBV) den Transmitter speisen. Auf welchen Wert muss ich V einstellen, um maximalen Pegel ohne Begrenzung zu bekommen?
Antwort: Ich darf einen V-Wert einstellen, der um max. 10,5 dB grösser ist als bei der Referenz. Da eine V-Stufe = 1,4 dB ist, darf ich den V-Wert um sieben Einheiten (7 x 1, 4 dB = 9,8 dB) gegenüber der Referenz anheben.
Ergibt: V = 25

C) Ich möchte mit einem Generatorpegel von 1,5 Veff (= +3,5 dBV) den Transmitter speisen. Auf welchen Wert muss ich V einstellen, um maximalen Pegel ohne Begrenzung zu bekommen?
Antwort: Ich muss einen V-Wert einstellen, der um min. 3,5 dB kleiner ist als bei der Referenz. Da eine V-Stufe = 1,4 dB ist, muss ich den V-Wert um drei Einheiten (3 x 1, 4 dB = 4,2 dB) gegenüber der Referenz absenken.
Ergibt: V = 15

D) Ich möchte mit einem Generatorpegel von 2 Veff (= +6 dBV) den Transmitter speisen. Auf welchen Wert muss ich V einstellen, um maximalen Pegel ohne Begrenzung zu bekommen?
Antwort: Ich muss einen V-Wert einstellen, der um min. 6 dB kleiner ist als bei der Referenz. Da eine V-Stufe = 1,4 dB ist, muss ich den V-Wert um fünf Einheiten (5 x 1, 4 dB = 7 dB) gegenüber der Referenz absenken.
Ergibt: V = 13


Referenz und Beispiel A) im Vergleich:


Anmerkung zum Modulationshub:
Auch die anderen getesteten FM-Transmittermodelle mit anderen Chips gehen bei 40 kHz Modulationshub bei einer Frequenz >1 kHz in die Begrenzung. Insofern ist dies bei diesem Modell auch kein Mangel. Ich habe dies im voranstehenden Beitrag nachträglich korrigiert und die zusammenfassende Tabelle überarbeitet. Wichtig ist, dass 40 kHz Hub ohne Begrenzung bis zur Modulationsfrequenz von 1 kHz (und noch etwas darüber) erreicht werden kann. Das ist hier der Fall mit Eingangspegel von 1 Veff und V=22. Mit einer Modulationsfrequenz von 1 kHz sind mit diesem Hub problemlos Messungen möglich.

Habt Ihr noch Fragen zu diesem FM-Transmitter (oder den anderen davor besprochenen Transmittern)?

Gruß
Reinhard

Hallo Andreas,

Die Frequenzgangmessungen, die Du ansprichst sind mit einzelnen, aufeinanderfolgenden kurzen Sinus-Bursts gemessen (sog. "stepped sine"), nicht mit kontinuierlichem Sweep. Im Ergebnis ist das aber gleich mit Sweep. Monochromes Signal. Was Du meinst ist die Mehrtonmessung.


Dabei zu berücksichtigen:

In der Zeitdomäne ist "plötzlich" ja synonym mit hochfrequent (=hoher Ton), da Anstiegsgeschwindigkeit und Frequenz zwei Seiten derselben Medaille sind und sich gegenseitig ineinander umrechnen lassen. Wie der Frequenzgehalt eines Rechtecksignals. Die steilen Rechteck-Flanken bestimmen die hohe Frequenz (= hoher Ton, = plötzlich), die Rechteckfrequenz selbst kann niedrig sein (z.B. 500 Hz).

Rechteckmessung ist hier ja leider nicht erfolgversprechend (ich kann trotzdem mal probieren, zu was das führt).
Es wird vermutlich im Transmitterchip ein low-pass Filter geben, das bei irgendwo um 20 kHz oder schon etwas eher abschneidet. Das würde dem "schnellen" Anstieg transmitterseitig eine frühe Grenze setzen. Auf jeden Fall ist empfängerseitig ein Pre-MPX-Filter vorhanden, das bei ca. 60 kHz, bzw. spätestens um 114 kHz abschneidet, dann das Pilottonfilter, das bei knapp >15 kHz steil abschneidet und nur langsame Signale passieren lässt. Damit steht grundsätzlch fest, dass ein steiles Rechtecksignal eine Hürde für einen Empfänger mit seiner notwendigerweise 15 kHz Tiefpass-Eigenschaft haben muss - ganz ungeachtet der Bedingungen auf der Transmitterseite. Eine Rechteckmessung muss daher notwendigerweise scheitern und das Rechteck müsste spätestens empfängerseitig aufgrund von Pre-MPX-Filter, Pilotton- und Hilfsträgerfiltern in einen Sinus gewandelt werden. Ob ich die Möglichkeit für eine Trapezfunktion mit hinreichend langsamem Anstiegszeiten und Abfallzeiten für den 15 kHz Tiefpass habe, muss ich noch nachsehen.

Bleibt die 2-Ton Sinusmessung, wie von Dir genannt. Die Messung Ist technisch kein Problem, Amplitudenverhältnis und Frequenzen sind frei wählbar. interessiert mich auch.

Gruß
Reinhard

Dazu noch nachgeschoben, im Hinterkopf behalten:

"interessant bei Musik, wenn plötzlich laut ein hoher Ton kommt. Wie reagiert dann der Limiter?"

Es handelt sich dabei eigentlich mehr um eine hypothetische Frage als um ein praktisches Problem. Dennoch grundsätzlich interessant.

Warum weniger ein praktisches Problem bei Musikwidergabe?
Eine Betrachtung von Hochtonkalotten (oder andere Hochtöner, z.B. piezoelektrische) im Vergleich zu Basslautsprechern macht es anschaulich. Auch in Boxen für sehr hohe Ausgangsleistungen haben Hochtöner eine vergleichsweise sehr kleine Membranfläche und einen noch geringeren Membranhub und vergleichsweise kleine Leistung. Sie sind dennoch ausreichend, um selbst laute Hochtonsignale adäquat wiederzugeben. Für eine 100 W Lautsprecherbox ist typisch ein Hochtöner verbaut, der selbst nur eine Nenn-Leistung von max. 10 W hat. Oft sogar nur 5 W. Das verdeutlicht, was "sehr laut" eigentlich bei hohen Tönen (10 kHz) bei z.B. 8 Ohm Schwingspulenimpedanz für die Spannungsamplitude heisst. Bei hohen Tönen bedeutet "sehr laut" typisch nur 1/10 bis höchstens 1/5 (-20 dB bis -14 dB) der Spannungsamplitude, die im Tieftonbereich bis zum Mitteltonbereich (500 Hz) vorkommen, In Tonfrequenzspektren (FFT) von Musik kann man das nachvollziehen. Der Limiter würde bei Musikwiedergabe eher bei tiefen Tönen wirksam als bei hohen, die Anhebung der hohen Töne durch die Preemphasis würde deren Amplitude immer noch nicht auf die Amplitude heben, die die tiefen Töne haben.

Hohe Töne mit so ebenso großer Amplitude wie die von tiefen und und mittleren Tönen kommen in der Praxis allerdings bei Frequenzgangmessungen vor. Deshalb stellen Frequenzgangmessungen die ultimative Anforderung dar, sie würden, wenn mit Nennleistung der Lautsprecherbox gegeben, unweigerlich in Sekunden die Hochtöner selbst von leistungsstarken Lautsprechern zerstören. Das "Limiter-Problem" bei Transmittern ist deshalb in allererster Linie ein Problem bei Frequenzgang-Messung und nicht bei Musikwiedergabe. Und das auch nur, wenn die Preemphasis beim Transmitter aktiv ist.

Aber ich mache Messungen - davon unabhängig.

Bei Chips mit aktivem Dynamikprozessor gibt es u.U. den Effekt der Erholungszeit (Abklingzeit), hier beschrieben: n-malek.de/4598/index.html
Für den Limiter ist mir das bisher aber nicht bekannt. Das hier von mir untersuchte Transmittermodul mit QN8027 hat keinen Kompressor oder der ist nicht aktiviert, arbeitet linear bis zum Limiter-Einsatz. Das hatte ich überprüft.


Gruß
Reinhard

dl2jas schrieb:

Da habe ich eine spannende Frage!

... wenn plötzlich laut ein hoher Ton kommt.
Wie reagiert dann der Limiter?

Wird alles abgeschwächt oder nur selektiv der Hochtonanteil?
...Wird alles abgeschwächt, erwarte ich eine Art Pumpen bei der Musikwiedergabe.

Andreas

Nun, nachgeprüft, beides stimmt!

1. Wenn das Hochtonsignal (z. B. 8 kHz oder 10 kHz) stark in die Begrenzung kommt und gleichzeitig niederfrequente Töne vorhanden sind, werden die Pegel der niederfrequenten Töne ebenfalls abgesenkt. Allerdings nicht in dem gleichen Mass, wie die höherfrequenten Pegel begrenzt (abgesenkt) werden, sondern nur ungefähr um die Hälfte dessen, was die Begrenzung beim Hochton ausmacht, gut messbar.

Versuch 1
Zweitonmessung, 500 Hz : 10 kHz, Amplitudenverhältnis 1:4 (beide Sinus)
Digitaler Pegelabschwächer des Transmitters auf V = 22

1. Generator-Eingangspegel der Summe von beiden Tönen = -6 dBV (0,5 Veff)
Vorher hatte ich bereits gezeigt, dass unter dieser Bedingung der 10 kHz Ton nicht in der Begrenzung ist - der viel schwächere 500 Hz-Ton sowieso nicht, da er zudem auch nicht von der Preemphasis angehoben wird. Die Pegeldifferenz zwischen beiden Tönen beträgt unter dieser Bedingung -12 dB (= 1/4). Das ist der theoretische (Soll-)Wert.

2. Generator-Eingangspegel um 6 dB erhöht auf 1 Veff (0 dBV).
Unter dieser Bedingung gerät der Hochtonbereich oberhalb von 7 kHz in die Begrenzung. Der Pegel des 500 Hz-Tons fällt um 2 dB auf -14 dB Pegeldifferenz zwischen dem 10 kHz- und dem 500 Hz-Pegel.

3. Generator Eingangspegel auf +2 dB (+8 dB über dem Pegel ohne Begrenzung)
Der Pegel des 500 Hz-Tons fällt um 4 dB auf -16 dB Pegeldifferenz zwischen dem 10 kHz- und dem 500 Hz-Pegel.


Versuch 2
Ist "eine Art Pumpen" feststellbar, wenn die Begrenzung wirksam ist?

Das war in der FFT in der 2-Ton Analyse nicht erkennbar. FFT ist einfach zu langsam, um das mit dem blossen Auge erkennen zu können. Die Signale standen sofort nach dem Einschalten "fest". Pegel-Schwankungen, die man Pumpen nennen könnte, konnte ich dort nicht erkennen. Das könnte aber daran liegen, dass sowohl das Auge als auch der Zeitmassstab, in dem die FFT arbeitet, viel zu langsam sind und dadurch ein höherfrequentes Pumpen unerkannt bleibt.

Es wurde deshalb dieser Messaufbau verwendet, um Pumpen am Oszuilloskop feststellen zu können, wenn Begrenzung vorhanden ist:


Versuch 2:
Zweitonmessung, Dreiecksignal mit 2,5 ms Anstiegszeit und 10 kHz Sinus.
Das Dreiecksignal wird mit dem Sinussignal PSK-moduliert. Dadurch wird der Sinus in ein Rechtecksignal transformiert, das die Dreiecksfunktion, die zur Raute wird, "ausfüllt". und sowohl die 100 Hz Dreiecksignalkomponente als auch die 10 kHz Rechtecksignalkomponente enthält. Also im Ergebnis ein 10 kHz Rechteck, das mit einem 100 Hz-Dreieck amplitudenmoduliert ist. Damit wird der Transmitter "gefüttert" und am Oszilloskop geschaut, was der Empfänger (SABA MD292) damit "ausspuckt".
Mit der Dreiecksamplitude kann das Signal in die Begrenzung gebracht werden, was sich an den oberen und unteren Dreiecksspitzen zeigen muss.

a) ohne Begrenzung
oben (gelb) Generatorsignal
unten (magenta) empfangenes vom Empfänger wiedergegebenes Signal


Die Wiedergabegüte ist ordentlich, es wird nichts abgeschnitten.


b) in der Begrenzung


Der Verlauf der Spitzen der 10 kHz Amplituden in der Begrenzung (magentafarbene Dreieckspitzen) werden zwar gekappt aber schwanken dabei (sieht wie ausgefranst aus). Das kann man tatsächlich als "eine Art Pumpen in der Begrenzung" bezeichnen, ist allerdings höherfrequent.


Detailansicht der Signalform des Generatorsignals (was der Transmitter geliefert bekommt, gelb) und was aus dem Empfänger davon wieder herauskommt (magenta):



Wie erwartet, wird durch die Tiefpassfilter im Übertragungsweg (insbesondere der 19 KHz Pilottonfilter, ggf. auch bereits durch LPF im Transmitter) die 10 kHz Rechteckfunktion in eine Sinusfunktion gewandelt, die im Ergebnis mit der 100 Hz Dreiecksfunktion noch amplitudenmoduliert ist.


Dieses "Pumpen" im Amplitudenverlauf sieht streng periodisch aus und mir scheint, das ist durch die starken Intermodulationsverzerrungen bedingt (oder umgekehrt), die im FFT auftauchen, wenn Töne in die Begrenzung geraten. Das dürfte einem die Freude an gutem Ton sofort rauben. Im FFT wurden diese IMD schnell sehr groß, wenn ein Signal stärker in Begrenzung kam.

Gruß
Reinhard