Endlich richtig Pegeln (28.02.2015)

Wie war's immer ?

Servus beinand,

sicherlich hat jeder ATV-Amateur schon einmal an seiner Basisbandaufbereitung und seinem Sender geschraubt. Bis zu den Zeiten als es noch Astra Analog-TV gab hat man seinen Eigenbau RX oder ein Flohmarktschnäppchen an die SAT-Anlage angeschlossen, den Videoausgang gemessen und dann den Pegel an 75 Ohm auf 1Vss eingestellt. Somit war der Empfänger bestens eingestellt. Dann kam der eigene Sender ggf. mit Konverter „irgendwie“ an den RX dran, es wurde wieder gemessen und der TX so eingestellt bis 1Vss aus dem RX rauskam. Schon war das Equipment einsatzklar !???!
Ich hatte mir irgendwann einmal die Mühe gemacht und gesucht wie ich denn am besten einen RX einstelle, damit ich meine Sender testen kann, ob das dann auch alles wirklich hübsch aussieht, was ich da so baue. Nun zu meiner Überraschung musste ich feststellen, dass die wenigsten Signale über Astra den gleichen Pegel haben. Das, was an einem „jungfräulichen“ professionellen Empfänger zu messen war, lag im Bereich von 0,8-1,3 Vss … TOLL … Also wem traue ich am meisten … ARD-Sendeanstalten …. diese gemessen und verglichen … selbiges Dilemma. Wie finden wir den besten Kompromiss? 10 Sender messen, Mittelwert bilden …schließlich feststellen,, dass Arte den Mittelwert als bester abbildet.
Das war nun über Jahre hinweg die Referenz. Nun ist ja seit geraumer Zeit kein analoger Empfang mehr möglich. Zähne zusammenbeißen, Finger weg von den Videoreglern der Empfänger und hoffen, dass die soweit passen … Das war unbefriedigend, aber mein Denkapparat kam nun mal auch nicht in Wallung. Einzig ein paar Gespräche mit dem einen oder anderen, der sich dazu auch einmal Gedanken gemacht hatte und viel Sucherei im Netz, blieben über Jahre erfolgsfrei. Niemand konnte mir so wirklich sagen, wie denn das sei mit der richtigen Hubeinstellung bei FM-ATV. Das klappernde, mechanische Etwas zwischen meinen Ohren hatte dazu auch nix vernünftiges zu Tage gefördert.
Sämtliche Sender und Empfänger wurden quasi an meinem eigenen Werkstatt-Normal-SAT-RX angepasst und mit ein paar anderen Stationen gegengeprüft. Das lief nun einige Zeit. Es kamen Digital TV in Form von DVB-S und DVB-T dazu. Klar da verschwendet man keinen Gedanken mehr an die Bandbreite in Bezug auf das Videosignal.
Nun kam es im Laufe der Zeit immer mehr zu Problemen bei der Verbreitung des ATV-Rundspruchs über die direkt angeschlossen Relais. Dies warf wieder diesen problematischen Gedankengang auf. Diesmal wollte ich das nicht ohne Lösung angehen und der richtige Impuls kam von Willi DF2ML.
Nach messen, telefonieren, Emails schreiben, wieder messen, telefonieren … kristallisierte sich bald eine Lösung heraus.

Ein neuer Weg ... ein Holzweg !??!

Den Testbildgenerator habe ich an einer professionellen Preemphasis an einem neuen 10 GHz-PLL-ATV-TX angeschlossen und mir dann das Spektrum angesehen, nachdem ich an meinen Referenz-Empfängern 1 Vss gemessen hatte. Bei einem 100% Weißbild fanden sich zwei Spektrallinien im Abstand von 3 MHz. Also Poti am TX nochmals verstellen und probieren wie genau sich denn das mit den 1 Vss einstellen lässt. Und siehe da, das haut prima hin und ließ sich so ebenfalls exakt einstellen, wie mit dem riesengroßen Umweg über einen RX.
Hier die Messbilder dazu:


Eine Zeile von 100% weiß liegt über eine Wandel&Goltermann-Premphase am 10 GHz Probanden


Das Spektrum auf dem Anritsu 500 kHz/div bei 1189 MHz


Das Spektrum auf dem Anritsu 2 MHz/div bei 1189 MHz

Die Gegenprobe:


Das Spektrum auf dem alten HP 500 kHz/div bei 10198 MHz


Das Spektrum auf dem alten HP 2 MHz/div bei 10198 MHz

Was für Frequenzanteile sind hierbei relevant?
Alle die im Signal verwendet werden … also 50Hz Halbbildwechsel, 15,625 kHz Zeilen-Frequenz und 4,43361875 MHz Farbhilfsträger-Frequenz. Also ein vergleichsweise kräftiger Frequenz-Cocktail. Wie sieht das mit den Pegeln aus? Der größte Pegel ist dann bei 15,625 kHz, denn der Bild/Zeilen-Inhalt ist maximal/weiß, also 1 Vss, dazu noch mit 300 mV die 50 Hz und 300 mV der Farbhilfsträger. Aber das Spektrum wirkt doch sehr unruhig, der Anteil im Spektrum vom Farbhilfsträger ist massiver als von den 50 Hz. Ach ja, wir nutzen ja eine Preemphasis nach CCIRR-601. (QI-BBA V4 erläutert das näher) zur Höhenanhebung. Diese wird dann nach der Demodulation wieder abgesenkt. Die Frequenzen, die nahezu unbehelligt bleiben, liegen also unter 100 kHz.
Wenn jemand schon öfter den Hub eines FM-Senders bei verschiedenen Frequenzen betrachtet hat, wird den Unterschied schnell erkennen. Bei höheren Frequenzen hat die spektrale Hüllkurve ausgeprägtere Maxima als bei niedrigeren. Der Hub ist also durch die Preemphasis sehr Frequenzabhängig. 15,625 kHz ist die Zeilenfrequenz und diese wird nahezu 1:1 übertragen. Daher auch diese eigenartigen alten R&S Generatoren mit der Zeilenfrequenz und sonst nix (also kein Synchron-Rahmen). Damit wurden wohl auch die Schwarz-Weiß-AM-Sender gemessen, in Bezug auf Modulation.

Ein anderer Ansatz

Nach Aussagen verschiedener Relaisverantwortlicher, verwenden auch die BNA-Prüfer ein kleines Kästchen mit 1 Vss/15-16 kHz und betrachten das Spektrum. Da nun aber zu den hohen Frequenzanteilen der Pegel steigt, steigt auch der Hub des ausgesendeten Signals.

Hier die Messungen mit noch unveränderter Einstellung der Empfänger:


Das Spektrum auf dem Anritsu 500 kHz/div bei 1189 MHz


Das Spektrum auf dem alten HP 500 Hz/div bei 10198 MHz

Das Signal welches eingespeist wird, ist jetzt ein 16kHz-Rechtecksignal mit 1 Vss (violett/lila), das zweite Signal (gelb) habe ich invertiert. Es kommt direkt aus dem Video-Ausgang vom Empfänger an dem ein 10 GHz LNB angeschlossen ist:

Die Aussage, die sich jetzt soweit treffen lässt, ist, dass das Übertragungssystem in Ordnung ist. Nur mit der Bandbreite haut das nicht hin, die ist nicht lizenzkonform. Wenn man nun definiert, dass bei diesem Signal ein Abstand der beiden Maxima von 3,5 MHz das Maß der Dinge ist, weil messtechnisch die ausgesendete Bandbreite passt, wäre das auch in Ordnung. Aber wie macht man das exakt und wie sehen dann die tatsächlichen Abstände der "16kHz-Methode" aus?

Jetzt hilft nur noch blanke Theorie

Was sind nun eigentlich die Vorgaben? In der Zuteilung und Erlaubnis zum Betrieb einer Amateurfunkstelle findet man folgenden Text:

Auflagen zu ATV: Für Aussendungen in den Frequenzbereichen zwischen 1,24 und 2,45 GHz beträgt die maximal zulässige belegte Bandbreite von 16 MHz bei -40 dBc.
in den Frequenzbereichen oberhalb 3,4 GHz darf eine belegte Bandbreite von 18 MHz bei -40dBc nicht überschritten werden. Die Verwendung eines Tonunterträgers von 5,5 MHz wird empfohlen. Andere Hilfs- oder Unterträger sind zulässig. Auch mit den Hilfs- und Unterträgern darf die Aussendung die zulässig belegte Bandbreite nicht überschreiten.

Das ist der Anhaltspunkt der mir gefehlt hatte, im Hinterkopf war der ja da, aber nicht in dem Zusammenhang nicht einmal im Ansatz ... GUTEN MORGEN ... für den doch immer etwas überraschend nützlichen Schlag auf den Hinterkopf lieber Helmut, OE5FHM und lieber Willi, DF2ML !!! Jetzt ist das fehlende Bausteinchen endlich in den Fokus geraten und schon dämmerts: Bandbreite -> Hub -> Spektrum -> Besselfunktionen ... Bingo ...

Die Bandbreite (B) eines FM-Signals wird über die maximal übertragene Frequenz (Fmax) und den Modulationsindex (M) bestimmt. Der maximale Hub (H) ist von der maximal übertragene Frequenz und dem Modulationsindex (M) abhängig. In zwei Gleichungen ausgedrückt:

Bandbreite: B = 2 x Fmax x (M+1)

maximaler Hub: H = Fmax x M

Aus der ersten Gleichung lässt sich der Modulationsindex berechnen. Eingesetzt in die zweite Gleichung erhalten wir unseren maximaler Hub. Bei verschiedenen Veröffentlichungen wird als Fmax die Farbhilfsträgerfrequenz mit 4,433 MHz verwendet. Unser Videosignal kann aber ohne Weiteres Frequenzen bis 6MHZ enthalten, die jedoch über ein Videofilter mit einer Bandbreite von 5 MHz begrenzt werden. Ebenso findet nach CCIRR 601 eine Preemphasis in unserem Signalweg Verwendung. Damit ist der maximal mögliche Hub auch bei Fmax = 5,5 MHz, abhängig vom Videofilter, oder vom Filter der im Eingang eines FM-ATV-Senders meist verwendet wird.
Wegen der Verwendung einer Preemphasis kann man das Signal eigentlich nicht als reines FM Signal bezeichnen, da diese FM zu höheren Frequenzen hin zur PM (Phasenmodulation) wird. Die Nutzung der Carson-Formel ist trotzdem in Ordnung.

Endlich wissen wir den maximalen Hub auf den wir unseren TX einstellen müssen.

Wie die Theorie in die Praxis umsetzen ?

Der maximale Hub ist uns jetzt bekannt. Nun helfen uns nur noch die Besselfunktionen und ein interessanter Effekt der sich mit ihnen verbindet. Die Besselfunktionen beschreiben die Trägerleistung in Abhängigkeit der Seitenbänder und deren Vielfache. Das bedeutet, dass die gesamte abgegebene Leistung in Träger und den Seitenbänder verteilt ist. Jedoch gibt es bei einem bestimmtem Hub, also einer bestimmten Spannung einer Frequenz die am Modulator anliegt einen Moment, in dem die Trägerleistung 0 ist. Genau dieser Punkt ist jetzt von Interesse. wir haben also bei einer Fmax = 5,5 MHz und dem Modulationsindex der ersten Nullstelle 2,4:

Bandbreite
[MHz]
Modulationsindex
[ ]
Hub
[MHz ]
Frequenz der erste Nullstelle (2,4) der Besselfunktionen
(Hub:2,4) [MHz]
12
0,0909
0,5
0,208333
16
0,4545
2,5
1,041666
18
0,6363
3,5
1,458333
27
1,4545
8
3,333333

Ran an den Specki

Jetzt geht's ans Einstellen ... Am Videoeingang (75 Ohm) liegt die gewünschte Nullstellen-Frequenz (Sinus) der ausgewählten Bandbreite mit 1Vss an. Nun wird vom Minimum ausgehend der Pegel im Basisband oder im Sender langsam erhöht. Am Specki ist zunächst nur die Träger-Spektrallinie zu sehen. Aber bald sind 3 Spektrallinien zu erkennen und es werden mehr. Irgendwann kommt der Punkt an dem die Trägerlinie kleiner wird, wir drehen weiter bis die Trägerlinie im Rauschen verschwindet. Fertig!
Das Ganze sieht in der Bildfolge so aus:

Das Einstellen der Nullstelle ist so denkbar einfach und exakt. Je nach Regelbereich der Potis ist die Einstellung mehr oder weniger empfindlich. Es fühlt sich an wie eine "Dip"-Einstellung. Je näher man an die Nullstelle herankommt, desto schneller ändert sich die Höhe der Trägerlinie. Hat man zu weit gedreht, wird der Träger wieder sichtbar.
Nochmals die Methode gegenprüfen: Nachdem die meisten SAT-Empfänger mit 27 MHz Bandbreite gearbeitet haben, müsste auch die Testanordnung eigentlich dem hier entsprechen. Also den 3,333333 MHz Sinusgenerator ab- und den 16 kHz Rechteckgenerator angesteckt, und siehe da, das Specki-Bild entspricht dem Bild der letzten "16 kHz"- Messung ganz am Anfang, also ein Abstand von 4,35 Mhz der beiden Maxima.
Noch ein Test mit den anderen Bandbreiten, und die Werte der "16 kHz-Methode" aufgeschrieben:

Bandbreite
[MHz]
Abstand "16kHz Rechteck"
[kHz]
12
880
16
1850
18
2150
27
4350

Eine Anmerkung noch zu den 16 kHz ... hierbei ist es nicht wichtig ob 1 kHz oder 100 kHz, die bessere Ablesbarkeit entscheidet hier.


Wer noch tiefer in die Materie einsteigen will, dieses Dokument hat mir beim Verständnis weitergeholfen:
http://www.diru-beze.de/modulationen/skripte/SuS_W0506/Frequenz_Modulation_WS0506.pdf

Fazit

Genauer einstellen lässt sich der Hub über die Nutzung der Trägernullstelle, das gilt auch für die Einstellung mit Vervielfacher. Da muss auf der Endfrequenz gemessen werden, da sich auch der Hub vervielfacht.

Die "16 kHz-Messung" ist bequem, da es jetzt in einem Rutsch geht. Den TX im Specki einstellen, das Oszi stellt sowieso schon die 1 Vss/16 kHz dar, einfach noch das Signal aus einem RX mit 75 Ohm abgeschlossen dran und im RX auf 1 Vss einstellen. Das Rechtecksignal des RX muss deckungsgleich mit dem des Generators sein … fertig … es sind also keine Referenzen mehr notwendig :D! Die Bandbreite ist auch im erlaubten Bereich. Nun kann ein echtes Videosignal angeschlossen und geprüft werden, wie die Übertragung des doch recht komplexen Videosignals, als Spektrum aus dem Sender herauskommt.

Mit einem Specki und einem einfachen Generator ist eine ATV-Station, ein ATV-Relais ganz bequem, schnell und richtig abgeglichen. Denn:
Das System bleibt intern bei 1 Vss, nur um die Bandbreite einzuhalten wird der Sender nicht soweit wie im "Broadcast-Betrieb" ausgesteuert.

S/N am Video-Messeisen R&S UAF

Um einen Eindruck davon zu bekommen wie sich der Rauschabstand benimmt, hab ich einmal das Videosignal vom Generator gemessen und dann über das Gesamtsystem. Generator -> Preemphasis -> 10GHz-Sender -> 10 GHz-LNB -> Satro-RX mit Deemphasis. Direkt vom Generator zum Messeisen ergab einen S/N von 73,4 dB. Bei einer Hubeinstellung für 27 Mhz wurden 64,4 dB, bei 18 MHz 59,4 dB angezeigt. Der Verlust ist schon deutlich.

Messen und Probieren was geht denn eigentlich ...

... und wie weit kann man das jetzt ausreizen. Was für Frequenzen kommen denn mit welchen Amplituden vor? Die Frequenzen und Amplituden des Synchronrahmens sind von den Bandbreitegrenzen zu weit weg. Die Frequenzen die wirklich Probleme machen sind bei der höchsten Frequenz des Videosignals. Die Amplitude hier beträgt maximal 700 mVss. Zuerst einmal 5 Mhz mit 700 mVss einspeisen und dann mit der Frequenz laaaaangsam nach unten gehen. Gemessen wird mit der Maximum-Halte-Funktion

Wieder in der ZF-Ebene gemessen 10 MHz/Div. 10 dB/Div.

Schöner sieht das aus mit 5 MHz/Div.

Schon interessant, wie breit das Signal wird und dieser schöne Sprung bei 20 MHz /-40 dB !!!

Einmal mit 27 MHz Bandbreite probiert:

Jetzt beide Kurven übereinander gelegt:

Also so gravierend ist der Unterschied dann auch wieder nicht ...

Nach vielen Versuchen mit den unterschiedlichsten Videoinhalten habe ich festgestellt, dass die stressigsten Signale ein gesweepter Burst (100 kHz bis 5 MHz bei 700 mVss) und ein 100% Farbbalken sind. Ich habe den Hub dann so weit aufgedreht bis die Bandbreite gerade so ausgefüllt wird:

Nur mit 100% Farbbalken gerade so noch in den Grenzen:

Jetzt umschalten auf ein multiburstähnliches Signal welches von 0,1-5 MHz kontinuierlich erhöht wird und 700 mVss hat:

Noch ein Stück den Hub angehoben:

!!! Andere Bildinhalte zeigen bei der Hubeinstellung keinerlei Spektrallinien die über die -40dB an den Bandbreiten Grenzen hinaus gehen !!!

Mit der 16 kHz Methode ist das vorletzte Bild bei 3 Mhz Höckerabstand und das letzte Bild bei 3,4 MHz Höckerabstand. Dieser Hub kann also gerade noch lizenzkonform verwendet werden. Das jetzt wieder rückwärts gemessen, bezogen auf den 27 MHz Hub, dass eine Video-Spannung von 0,8 Vss ergibt ... Dieser Wert ist immer wieder aufgetaucht, nur leider ohne Begründung, diese ist jetzt erfolgt mit der Messreihe.

Überraschung

Insofern lässt sich jetzt die Tabelle für FM-ATV noch erweitern:

Bandbreite
[MHz]
Abstand "16kHz Rechteck"
[kHz]
12
880
(ohne Bezug auf ein Videosignal)
16
1850
(ohne Bezug auf ein Videosignal)
18
2150
(ohne Bezug auf ein Videosignal)
18
3000
(Sicherer Hafen mit Bezug auf tatsächliches Pal-Signal, einschließlich 100% Farbbalken)
18
3400
(Die Wahrscheinlichkeit eines 100% Farbbalkens ist äußerst gering, und kratzt gerade so an den Grenzen)
27
4350
(ohne Bezug auf ein Videosignal)

Die Überraschung und Begeisterung waren groß !!!

Der Vollständigkeit Rechnung zu tragen:
Wer lieber über die Nullstelle arbeitet, der nimmt eine Sinus-Frequenz von 2,669333 MHz (3400 kHz Höckerabstand).
Wer mit Ver-X-Facher arbeitet stellt danach den Regler wieder auf den X-ten Teil der Spannung ein, oder mit der 16 kHz Methode den X-ten Teil von 3,4 MHz.

Jetzt bleibt nur noch sich mit den anderen Relaisbetreibern abzusprechen, welcher Hub / Höckerabstand soll nun der Standard werden ?

Zusammengefasste Tabelle

Abschließend nochmal die Tabelle mit berücksichtigtem Video:

Bandbreite
[MHz]
Modulationsindex
[ ]
Hub
[MHz]
Frequenz der erste Nullstelle (2,4) der Besselfunktionen
(Hub:2,4) [MHz]
Abstand "16 kHz Rechteck"
[kHz]
12
0,0909
0,5
0,208333
880
(ohne Bezug auf ein Videosignal)
16
0,4545
2,5
1,041666
1850
(ohne Bezug auf ein Videosignal)
16
0,6206
3,4
1,422333
2100
(Die Wahrscheinlichkeit einer 100% Farbfläche ist äußerst gering, und kratzt gerade so an den Grenzen)
FBAS-Signal = 475 mVss
18
0,6363
3,5
1,458333
2150
(ohne Bezug auf ein Videosignal)
18
1,1648
6,4
2,669333
3400
(Die Wahrscheinlichkeit eines 100% Farbbalkens ist äußerst gering, und kratzt gerade so an den Grenzen)
FBAS-Signal  = 800 mVss
27
1,4545
8
3,333333
4350
(ohne Bezug auf ein Videosignal)
FBAS-Signal = 1000 mVss

Damit ist jetzt ein FM-ATV-Sender und -Empfänger mit Generator, Oszilloskop und Spektrum Analysator eindeutig und bequem einstellbar:

Für 23 cm und 13 cm gilt:
TX: 2100kHz Höckerabstand oder Trägernullstelle bei 1,422333 MHz
RX: das 16kHz Rechteck-Signal muss dann beim Empfängerausgang mit 1Vss an 75Ohm anliegen.

Ab 9 cm gilt:
TX: 3400kHz Höckerabstand oder Trägernullstelle bei 3,333333 MHz
RX: Das 16kHz Rechteck-Signal muss dann beim Empfängerausgang mit 1Vss an 75Ohm anliegen.

In der VO Amateurfunk vom 15.02.2005 steht für FM ATV auf 23cm nur die Angabe, daß das Signal 18MHz breit sein darf und ab 13cm 20MHz. Es fehlt vielleicht der Zusatz von -40dB. Bei 20MHz ist, wenn der Bezug auf -40dB zutrifft, auch möglich einen Höckerabstand von 4MHz zu verwenden.

Als Generator für beide Methoden bieten sich DDS-Generatoren an. Diese gibt bei EBay (ohne Gehäuse und Netzteil) zu unglaublichen Preisen. Als Oszilloskop Ersatz kann man auch den Waveformmonitor verwenden, der bei den meisten Relais vorhanden ist.

Video-AGC

Die Verwendung einer Video-AGC (z.B. MAX7452) ist eine bequeme Sache um die ausgesendete Bandbreite zu begrenzen. Der Vorteil ist gleichzeitig auch ein Nachteil, denn wenn ein am Relais ankommendes Videosignal zu klein oder zu groß ist, wird das bei der/den Ausgabe(n) "hingebügelt". Der Aussender des Signals bemerkt also nicht ob das Sendesignal daneben liegt. Meines Erachtens ist die Verwendung nur auf Linkstrecken sinnvoll, da wird dann jeweils das passende Signal weitergereicht. Bei den direkten Ausgaben sollte deswegen diese automatische Nachregelung nicht verwendet werden. Um die Bandbreite nun zu nicht zu verletzten ist eine harte Begrenzung: "alles was über 1 Vss ist wird oben abgeschnitten", evtl. notwendig.

Die MAX7452 bergen nun ein Problem. bei der Hubeinstellung. Bei eingeschalteter AGC werden aus den 1 Vss 16kHz 0,3Vss, bei ausgeschalteter AGC 0,6 Vss. Erst bei viel mehr Eingangsspannung gibt der AGC-IC bei 16kHz 1Vss aus. Das bitte beim Pegeln überprüfen, sonst gibt es eine Überraschung :D

Noch Fragen ???

73 de Tomtom

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