Einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme

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DD8JM
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Einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme

Beitragvon DD8JM » 27 Okt 2017, 17:30

Detlev DL4AOI hat mir einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug
auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme geschick, mit der Freigabe es auch hier zu veröffentlichen.



Die Definition des Begriffes wie hier verwendet :
Ein SDR-Directsampling-Empfangssystem besteht in der genannten Reihenfolge aus den
Baugruppen Empfangsantenne -> Abschwächer(schaltbar) -> Vorverstärker -> [Bandpassfilter] ->
Analog zu Digital Converter(ADC) -> anschließende digitale Verarbeitung der vom ADC
gelieferten Binär-Zahlen.

Unter dem Forum-Link
viewtopic.php?f=36&t=141
habe ich vor etwa einem Jahr beschrieben, dass sich die Qualität unseres Sendesignales
bei niedriger Aussteuerung des Digital zu Analog Converters(DAC) verschlechtert. Je geringer
die Aussteuerung(also mit kleinen Binärzahlen ansteuern), desto mehr Gewicht bekommen die
unerwünschten Nebeneffekte unseres DAC und verfälschen das Sendesignal.
Da von den Lesern niemand nachgefragt hat, war das offensichtlich für alle nachvollziehbar.

Genauso - nur im umgekehrten Sinne - verhält es sich im Empfangszweig mit unserem ADC.
Je kleiner die Eingangsspannung des ADC, desto kleiner ist die Binärzahl, die der ADC an
seinem Ausgang für die anschließende digitale Verarbeitung bereitstellt.

Machen wir ein Beispiel an einem gedachten idealen 16Bit-ADC(gilt auch für DAC!) :

Ein 16Bit ADC hat einen Ausgangswertebereich von -32768...0...+32767 bei +/- 100%
Eingangsspannungsamplitude.
Leider hat er auch noch einen Quantisierungsfehler von +/- 0,5(1/2 LSB), weil er eben nur
ganze Bits liefert und die Werte hinter dem Komma irgendwie runden muß.
Dieser Fehler +/- 0,5 ist aber konstant, also unabhängig von der Größe der Eingangsspannung!

Wenn die Eingangsspannung so klein ist, daß der ADC nur die Zahl 10 liefert, dann sind das
real 10 +/- 0,5 also +- 5 % Fehler!
Wenn die Eingangsspannung hoch ist das der ADC z.B. 20000 liefert, dann sind das real
20000 +- 0,5 also 0,0025 % Fehler(100 * 0,5 / 20000)!
Damit sind kleine Eingangsspannungen nach der Wandlung mit einem größeren Fehler
behaftet als große.

Zurück zur Realität :

Unser 16Bit ADC ist leider nicht ideal und besonders Hochgeschwindigkeits-ADC wie
für SDR gebraucht haben nicht die Auflösung Brutto = Netto. Heißt der 16Bit ADC
liefert effektiv eine geringere Auflösung als 16Bit.
Deshalb bezeichnet man die reale Auflösung des ADC nicht mit Bit sondern mit der
Maßeinheit ENOB(effective number of bits).
Unter dem Link
http://www.adat.ch/pub/Vortrag_Friedric ... 260511.pdf
(HB9CBU) kann man auf S.11 "Einfluss der Auflösung des AD-Wandlers" sehen, dass ab
8Bit-ADC die ENOB's sichtlich weniger werden. Bei einem 16Bit ADC können wir mit
ca. 13Bit real rechnen.

Fassen wir die Eigenschaften eines ADC zusammen :

- Je kleiner die Eingangsspannung, desto mehr undefinierte Störungen des ADC machen sich
bemerkbar, weil sie eine konstante Größe haben.
Einige ADC-Hersteller versuchen diesen Effekt zu kompensieren durch Hilfsmittel wie
z.B. Dithering(Addition eines Rauschsignales zum Eingangssignal).

- Je größer die Eingangsspannung, desto weniger fallen die ADC-bedingten Störungen ins
Gewicht wegen ihrer konstanten Größe.

- Übersteuerung(Overload) tritt ein, wenn die ADC-Eingangsspannung höher als
+/- max. Amplitude liegt. In diesem Fall gibt der ADC den jeweiligen Max-Wert aus, also
-32768 oder +32767 bei einem 16Bit ADC.

Soweit zum allgemeinen Verständnis und nun zum Thema Bandpässe, IP3 usw. :


- Bandpässe :

Ein Bandpass ist eine Baugruppe, die ein vorgegebenes Frequenzband mit möglichst geringer
Dämpfung(und möglichst geringer Gruppenlaufzeit) passieren läßt und Anteile außerhalb des
Durchlaßbereiches mit möglichst hoher Dämpfung belastet.
Ideal für Empfänger nach dem analogen Prinzip.
Nachteilig für Directsampling-RX wenn die ADC-Eingangsspannung soweit verringert wird,
dass der ADC im suboptimalen Bereich angesteuert wird. Das ist dann kontraproduktiv.
In diesem Falle wären Signale außerhalb des Bandpass-Durchlaßbereiches willkommen, die
den Eingangspegel des ADC in dessen optimalen Arbeitsbereich anheben.

Deshalb sollte man prüfen, ob Bandpässe am RX-Eingang wirklich einen Nutzen bewirken
oder man sich den Aufwand sparen kann.

Im einfachsten Falle sollte man Mut zum Risiko zeigen und einfach einen schaltbaren
Abschwächer mit nachfolgendem Breitbandverstäker aufbauen und testen.
Wenn NIX-Verstehen, dann den Abschächer stufenweise zuschalten.
Im CQ-NRW-Forum wurde im Zeitraum Feb. bis Apr. 2016 von Gerd DC6HL eine
einfache Breitbandverstärker-Baugruppe propagiert, die alles hat was man braucht.
Der Schaltplan sollte im Archiv noch verfügbar sein.

- IP3 (Third-order intercept point) :

Über die Jahrzehnte mittlerweile für RX, TX, Linearverstärker usw. - also für alle
analogen nichtlinearen Systeme(andere gibt es nicht) - eine feste Größe und gut
meßbar, berechenbar und extrapolierbar.

Aufbauend auf dem bisherigen kann man sagen :
Bei kleinen ADC-Eingangsspannungen überwiegen unerwünschte Effekte, die sich
unter anderen in einem ungünstigeren IP3 äußern. Je mehr man in den optimalen
Arbeitsbereich des ADC hineinläuft, desto mehr bleibt der IP3 konstant und bei
Overload ist schlagartig Sense Kamerad.
Dies ist kein lineares Verhalten wie bei einem analogen System!

Wer also den IP3 eines analogen RX mit dem eines SDR-Directsamplers vergleicht,
der vergleicht Äpfel mit Birnen.
Es gibt Versuche und Methoden, die IP3-Werte ineinander umzurechnen.
Es macht aber keinen Sinn :
- Bei einem analogen System kann ich durch geeignete Auswahl an Bauelementen
und Baugruppen (z.B. Hochstrom-FET's wie P8002/CP643 und Hochleistungsmischer)
den IP3 beeinflussen. Zusätzlich durch vorgeschaltete Bandpässe, die das von der
Antenne gelieferte Spektrum eingrenzen.
- Bei einem Directsampling-RX ist ein IP3 in dem Sinne nicht vorhanden, weil es dem
ADC egal ist, wieviel Sender in seinem Eingangssignal verschlüsselt sind und sein
Eigenanteil an Verzerrungen nicht durch die Anzahl an Sendern beeinflußbar ist.


Bleibt die Frage : Wieviel IP3 brauchen wir(noch)? :


Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, das Streben nach dem immer zu überbietenden
aktuellen Weltrekord oder die Dimensionierung eines Systems nach anderen Kriterien wie
Kosten/Nutzen oder was ist mindestens notwendig.

Dazu ein kurzer Ausflug in die Vergangenheit :

Beginnend in den 1930er Jahren bis etwa 2005-2010 war alle Kommunikation sowohl draht-
gebunden als auch drahtlos über die AM-, FM- und Fernseh-Bereiche.
Nach dem zweiten Weltkrieg bis Anfang der 1990er standen sich zwei antagonistische Weltsysteme
gegenüber, maximal hochgerüstet sowohl militärisch als auch bezüglich Kommunikationstechnik.
Der Austausch der Ideologien fand über Rundfunk und Fernsehen statt mit hoher Sendeleistung.

Gerade aus heutiger Sicht profilierte sich damals ein Paradoxon :
Man begann Breitband-Kommunikationsempfänger zu bauen, die lückenlos und ohne Vorselektion
(nur Tiefpass/Hochpass zum Trennen KW von MW/LW) den Bereich 30kHz bis 30MHz empfangen
konnten.
Diese RX mußten zumindest im ersten Vorverstärker und ersten Mischer die volle Breitseite
von KW oder LW/MW verkraften. Das waren Meisterwerke der Ingenieurskunst!

Heute hat sich die Belegung der AM-Bereiche mit Rundfunksendern weitgehend "konsolidiert".
So gibt es wohl im deutschsprachigen Raum keine AM-Sender mehr. Durch den Rückbau der
Sender und Antennen ist diese Ära unwiederbringlich verloren.

So bleibt an IP3-trächtigen Signalen nur noch ein Bruchteil dessen übrig, was vor 10 und mehr
Jahren einmal war. Deshalb sind die Anforderungen an den IP3 eines RX auch um Größenord-
nungen niedriger. Da ist wohl eher der IP3 unseres Sendesignales interessant.


Bleibt die letzte Frage : Was will ich dem geneigten Leser eigentlich mitteilen? :

Unser SDR-Directsample-(T)RX ist wie die Breitband-Kommunikationsempfänger der
Vergangenheit ebenfalls ein Meisterwerk der Ingenieurskunst und ebenfalls ein Breit-
bandsystem.
Das Vorschalten von Bandpässen verbessert den IP3 dieses Systems nicht und sollte
der Ausnahmefall sein.
Im Gegenteil schränkt man die Möglichkeiten ein, die diese Systeme bieten.
Ich betreibe nun gut 1,5 Jahre ein Red Pitaya mit vorgeschaltetem Breitbandverstärker
von Gerd DC6HL und es war noch nie notwendig, den 20dB-Abschwächer wegen
Übersteuerung einzuschalten.
Dies können sicher auch andere Funkamateure bestätigen, die das gleiche oder andere
Breitbandkonzepte betreiben oder z.B. ein Hermes-Board RX-seitig direkt an der Antenne.

Herzliche 73 aus Gotha

Detlev dl4aoi
Die Bässe breit die Höhen schmal das ist der Funk aus Wuppertal.
DM6TT
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Re: Einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme

Beitragvon DM6TT » 27 Okt 2017, 17:52

Hallo Detlev,
sehr interessant und so noch nirgends gelesen.
Wäre es nicht auch eine Möglichkeit den Vorverstärker so zu steuern, dass man immer im oberen ADC Pegelbereich liegt?

73, Marcus
Uli DF5SF
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Re: Einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme

Beitragvon Uli DF5SF » 27 Okt 2017, 18:20

Hallo
DD8JM hat geschrieben:
Bandpass:
....
Ideal für Empfänger nach dem analogen Prinzip.
Nachteilig für Directsampling-RX wenn die ADC-Eingangsspannung soweit verringert wird,
dass der ADC im suboptimalen Bereich angesteuert wird. Das ist dann kontraproduktiv.
In diesem Falle wären Signale außerhalb des Bandpass-Durchlaßbereiches willkommen, die
den Eingangspegel des ADC in dessen optimalen Arbeitsbereich anheben.
....



Hallo,

Hilfe(!), das kann ich nicht nachvollziehen.
Nach meinem Verständnis würde das folgendes bedeuten:
Um von starken Signalen außerhalb des Bandpasses unabhängig zu sein, sollte man sich einen Generator bauen, welcher neben der eigentlichen Empfangsfrequenz sendet.
Den Pegel erhöht man solange, bis der ADC im optimalen Bereich arbeitet, bzw. bis man das schwache Signal am besten hört.

Denkfehler ???
Zuletzt geändert von Uli DF5SF am 29 Okt 2017, 22:48, insgesamt 1-mal geändert.
73 de Uli, DF5SF
dj9xg-Uwe
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Re: Einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme

Beitragvon dj9xg-Uwe » 27 Okt 2017, 20:22

Detlev, eine tolle Erklärung des direct samplings. Danke dafür
73 Uwe DJ9XG
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DH1KLM
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Re: Einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme

Beitragvon DH1KLM » 28 Okt 2017, 16:20

Danke für diesen interessanten Beitrag.
Kommt gerade zur rechten Zeit da ich mich mit dem Gedanken spielte einen Bandpassfilter zu besorgen.
So wie ich das nun verstanden habe kann ich mir diesen getrost sparen oder liege ich da falsch.
73 de Sigi, DH1KLM
DL2BBF
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Re: Einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme

Beitragvon DL2BBF » 28 Okt 2017, 19:01

Hallo,
vielen Dank an Detlef für die Gedanken zum Einsatz einer Bandpass -Filterplatine am RP

Dabei wird nur die Seite beim Empfang betrachtet. Das Bandpassfilter vom Gerd DC6HL wird jedoch auch beim Senden eingesetzt.
Ich bin kein HF-Fachmann wie der Derd, DC6HL , jedoch haben mich seine Meßprotokolle beindruckt. Das Spectrum beim Senden mit und ohne Bandpass spricht für sich.
Wenn man so wie ich in unmittelbarer Nähe einen, recht aktiven Funkamateur hat, darf man diesen Punkt nicht außer acht lassen.

BP_Pitaya.pdf
(875.67 KiB) 68-mal heruntergeladen

Hier das PDF File hier aus dem Forum.
73de DL2BBF
Hans

Mi parolas Esperanton
https://sites.google.com/site/dl2bbf/Home
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Re: Einige Gedanken über die Bandpass- und IP3-Mania in Bezug auf SDR-Directsampling-Empfangssysteme

Beitragvon DD8JM » 01 Nov 2017, 18:59

Helmut DC6NY hat mir seinen Kommentar zum Beitrag von Detlev per Mail geschickt.
Helmut ist hier im Forum nicht angemeldet, so übernehme ich die Einstellung des Kommentars und Diskussionsbeitrag.

Gedanken zu den Gedanken…
So sehr lobenswert Beiträge wie von Detlev, DL4AOI, auch sind, so müssen dort korrigiert werden,
wo falsche Folgerungen gezogen werden könnten oder kennzeichnende Größen verwechselt werden:

Zunächst muss festgehalten, dass der Interceptpoint IP3 bei digitalen RX völlig unsinnig und wertlos
ist. Der Analog-Digital-Wandler ist ein Bauelement welches nach (weitgehend) linearem Verlauf
schlagartig begrenzt (‚clippt‘) Diese Grenze ist ein wichtiger Bezugspunkt und wird als ‚FullScale`(FS)
bezeichnet.

1. Ein ADC wird im Wesentlichen durch die 3 Größen SNR, SFDR und ENOB beschrieben, die sich
auf die gesamte Nyquistzone und auf rein sinusförmige Signale beziehen. Der Abstand des
zitierten Quantisierungsrauschens zum ‚FullSale‘ Punkt bestimmt das SNR (Signal-
Rauschverhältnis):

SNR = 6.02N + 1,76 dB wobei N=ENOB (effektive number of bit)

Beschränkt man sich auf eine geringere Bandbreite BW kommt noch additiv 10log f s /2 BW –
der sog. Prozessgewinn - hinzu. Dieser Dynamikbereich endet also schlagartig beim Erreichen
von FullScale-Austeuerung, egal ob mit zu starkem Nutzsignal oder der Summe beliebiger
diskreter Signale. Dieser ‚overload‘ hat nichts mit Intermodulation oder gar IP3 zu tun.

2. Intermodulation bedarf der Präsenz zweier gleichstarker Störträger, ein Szenario, welches
nach dem Abschalten der starken Rundfunkstationen kaum noch zu finden ist. Dennoch muss
das IM-Verhalten von digitalen RX bewertet werden. Es fällt auf, dass bei kleinen Mess-
Pegeln störende IM-Produkte bzw. Artefakte auftauchen, die bei höheren Messpegeln
wieder verschwinden. Im Messlabor kann man diesem Verhalten durch Zuschalten von
‚Dithering‘, was übrigens die Systemrauschzahl leicht erhöht, erfolgreich begegnen. Im
praktischen Betrieb ist dieses Hilfsmittel nicht notwendig, da die Antenne genügend
Fremdpegel außerhalb des Nutzkanals liefert.

3. Bandfilter in der 1. Nyquistzone haben keinerlei klassische Selektionsaufgaben wie bei
analogen RX (Spiegelselektion etc.) und sind per se nicht notwendig. Afu-Anwendungen
nehmen zu, die ein Monitoring aller Bänder von 2 – 50 MHz anstreben. Dort wären
Bandpässe unerwünscht. Andererseits geht der positive ‚Dithereffekt‘ bei Verwendung von
Bandpässen nicht verloren, da sie üblicherweise mindestens so breit wie das gesamte Afu-
Band sind und sich darin genügend ‚Dither-Noise‘ findet. Bandpässe sind also nicht schädlich.

Bei übermäßigen Summensignalproblemen hilft oft auch eine externe Frequenzfalle (Notch)
auf der Frequenz des Hauptverursachers. Auch hat die Antenne selbst oft BP-Charakter.
Überflüssige Durchgangsverstärkung vor dem ADC, die die begrenzende Wirkung des
Antennenrauschen ignoriert, ist Hauptursache für sog. ‚overload‘.


Mehr:
http://www.nitehawk.com/sm5bsz/dynrange/qex/digital-imd.pdf
http://www.ti.com/lit/wp/slyy068/slyy068.pdf
Die Bässe breit die Höhen schmal das ist der Funk aus Wuppertal.

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