AATiS AS600 und Electraft XG3 im Vergleich am KX3

Sehr aufschlussreich Holger, ich wusste bislang nicht, dass das Elecraft XG3 Teil ein Rechtecksignal abgibt. Das Oszillogramm verdeutlicht mir die Fallstricke, auf die man beim Rückschluss von Spannung im Zeitbereich und HF-Leistung bie so einem "Kalibriergenerator" reinfallen kann. Denn im Zeitbereich sieht man hier eine Spannungsmessung zweier unterschiedlicher Signalformen an 50 Ohm.

Der über eine Periode gemittelte Wert der Leistung eines Wechselstromsignals ist bekanntlich P = U × I × cos j. Man errechnet die Leistung aus den Effektivwerten von Spannung und Stromstärke sowie der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. In Falle des AS600 0dBm Generators geht man an einem guten 50 Ohm Abschluss von einer vernachlässigbaren Phasenverschiebung aus und errechnet die Leistung aus dem errechneten Effektivwert der oszillografierten Spannungsspitzen und dem Widerstand nach dem Zusammenhang P = (0,707xUSpitze)^2/50 Ohm. Dieser vereinfachte Zusammenhang gilt allerdings nur für ein sinusförmiges periodisches Signal. Die Sinusform des AS600 0dBm Generators nach dem Tiefpass ist ziemlich sauber, so dass diese Rechnung zu einem verlässlichen Ergebnis der an 50 Ohm abgegebenen Leistung führt.

Anders ist es bei dem Elecraft XG3. Der gibt ein verklingeltes Rechtecksignal ab. Die Rechteck-Spannung im Oszillogramm zeigt annähernd die gleiche Spannung wie die Sinusspannung aus dem AS600 an. Wie man aber weiß, ist der Effektivwert eines periodischen Rechtecksignals nicht gleich dem Effektivwert eines Sinussignals gleicher Spannung. Dann darf auch die Leistung nicht so wie beim Sinussignal aus der Spannung berechnet werden.

In der Produktinformation des XG3 lesen wir: "Kalibrierte Ausgangsleistung (-107 dBm, -73 dBm, -33dBm und 0dBm) zwischen 1.5 und 200 MHz." Was sagt das wohl aus? Entweder ist es die Leistung des periodischen Rechtecksignals, dann gilt das für die Summenleistung der einzelnen Sinus-Frequenzkomponenten aus denen das Rechtecksignal zusammengesetzt ist. Es gilt aber nicht für die Leistung von jedem der diskreten Sinussignalkomponenten im beworbenen Frequenzbereichs zwischen 1,5 und 200 MHz. Das Elecraft XG3 ist m.E. daher treffender als Signal-Spannungsgenerator zu betrachten, der AS600 hingegen gibt, richtig justiert, tatsächlich 0dBm Leistung an 50 Ohm ab.

73

Günter

Hallo Holger, hallo Günter,

entsprechend der Spezifikation von Elecraft, gefunden im QRP-Shop

"Signal Characteristik: Hochstabiles Rechteck, Phasenrauschen -105 dBc/Hz"

gibt der XG3 wirklich ein Rechtecksignal aus. Sieht man auch auf dem Bild von Holger.

Ohne die Rechteckform wäre sicher die folgende Aussage nicht möglich:
"Oberwellen nutzbar bis 1400MHz"

Was mich interessierte ist, wie genau ist die Pegelangabe auf der Sollfrequenz.

Dazu habe ich den XG3 mit meinem FA-Dummy verbunden. Dieses hat einen Ausgang von -40dB.

Der Analyzer zeigte auf der Sollfrequenz -39dBm bei Ausgabe XG3 auf 0dBm

Das ist sicher innerhalb der Fehlertoleranzen meiner Messgeräte und des XG3.

Die ungeraden Oberwellen sind deutlich zu sehen, die ersten bei rund 10dB unter dem Pegel der Sollfrequenz.

So bald ich mehr Zeit habe beschäftige ich mich etwas intensiver mit dem Thema.

Viele Grüße

Jürgen

PS: Ich finde Günters letzten Satz treffend

Zitat von DL4ZAO

... nach dem Zusammenhang P = (0,707xUSpitze)^2/50 Ohm. Dieser vereinfachte Zusammenhang gilt allerdings nur für ein sinusförmiges periodisches Signal. Die Sinusform des AS600 0dBm Generators nach dem Tiefpass ist ziemlich sauber, so dass diese Rechnung zu einem verlässlichen Ergebnis der an 50 Ohm abgegebenen Leistung führt.

Zitat von DL4ZAO

Wie man aber weiß, ist der Effektivwert eines periodischen Rechtecksignals nicht gleich dem Effektivwert eines Sinussignals gleicher Spannung.

Gemeint ist hier sicher die halbe Spitzen-Spitzenspannung. Das ist richtig, aber ...

Beim AS600 wird intern ein Rechtecksignal erzeugt und ein Tiefpass sorgt dann für einen recht sauberen Sinus am Ausgang.

Beim XG3 wird auch ein Rechtecksignal erzeugt und dieses aber ungefiltert auf den Ausgang gegeben. Dieser Generator ist für die Prüfung/ Kalibrierung von Funkempfängern gedacht. Die Funkempfänger sind schmalbandig. Hier übernimmt die Selektion im Rx die Rolle des Tiefpasses beim AS600. Ist der Generator richtig kalibriert, dann "sieht", besser "hört", der Empfänger ein Sinussignal der angegebenen Stärke. Die beim XG3 angegebene Leistung bezieht sich auf das vom Rx gefilterte Sinussignal. Das ganze funktioniert sauber. Man darf nur nicht die Leistung des breitbandigen Rechtecksignals heranziehen.

73 Ludwig

Die von Elecraft angegebenen Output Level sind genau wie angegeben --> 0dBm (+-3dB), -33dBm, -73dBm, -107dBm (+-1dB typ).

Zitat von dl2ydp

Die von Elecraft angegebenen Output Level sind genau wie angegeben --> 0dBm (+-3dB), -33dBm, -73dBm, -107dBm (+-1dB typ).

Roger, da wäre interessant, wie wurde hier die Leistung des Rechtecksignals ermittelt?
Durch Spitzenspannungsmessung und Umrechung auf den Effektivwert? Welcher Umrechnungsfaktor (Crestfaktor) wurde benutzt?

Der XG3 mit Rechteck-Ausgang eignet sich sehr gut für den Zweck, für den er auch gemacht und gedacht ist, zum Kalibrieren eines Empfänger S-Meters. Denn ein S-Meter ist vom Grunde her ein Spannungsmesser.

In dem Zusammenhang gibt es aber noch das Bedürfnis, die Anzeige des QRP-Wattmeters von DL4JAL mit Amateurmitteln zu kalibrieren. Mit dem AS600/DL4JAL 0dBm-Sinus-Generator und einem Oszilloskop geht das sehr genau. Es stellt sich dabei die Frage: eignet sich ein Rechtecksignal, wie das aus dem XG3 Signalgenerator, genauso gut zum Kalibrieren des DL4JAL QRP-Wattmeters? Denn ein Rechteck enthält bekanntlich bei gleicher Spannung eine höhere Leistung als ein Sinus.

Das ließe sich beispielsweise rausfinden, in dem man am QRP-Wattmeter mal 0dB aus den AS600 0dbm-Generator mit dem auf 0dBm eingestellten Rechteck des XG3 vergleicht. Ich vermute, das QRP-Wattmeter wird unterschiedliche Werte anzeigen.

Die "richtige" Leistung, unabhängig von der Kurvenform, ermitteln die Profis mit einem thermischen Leistungsmesser. Bei einer Leistungsmessung die auf einer einfachen Spannungsmessung an 50 Ohm und Umrechnung auf Leistung beruht, würde sich eine Abweichung zwischen Sinussignal und Rechtecksignal ergeben.

Background: Measurement and Control of RF-Power - Analog Devices (pdf)

73

Günter

Zitat von DL4ZAO

Das ließe sich beispielsweise rausfinden, in dem man am QRP-Wattmeter mal 0dB aus den AS600 0dbm-Generator mit dem auf 0dBm eingestellten Rechteck des XG3 vergleicht. Ich vermute, das QRP-Wattmeter wird unterschiedliche Werte anzeigen.

Auf 3,5 MHz sind die 0-dBm Werte ca. gleich ähnlich.

Mit der QRG-Erhöhung bei XG3 misst PWR-Meter immer mehr Mißt weil die enorme Oberwelen des XG3-Rechteck-Signals liegen immer mehr außerhalb des Spezifikationsbereiches des Kopplers.

Günter
Das hat mein Kollege mit einem R&S FSL 9kHz-6GHz gemessen (RMS-Detektor).

Irgendwas ist daran unstimmig.
Ein Sinus hat den Crestfaktor 1,41 und ein symmetrisches Rechteck den Crestfaktor 1. Also 40% Unterschied im Effektivwert.

Ermitteln wir doch mal die Leistung der beiden Signale in Holgers Oszillogramm aus den Effektivwerten an Hand der Skalierung. Die Leistung an einem konstanten Widerstand berechnet sich als: Urms^2/R.

Das Sinussignal des AS600 ist abgelesen mit einem Wert von 0,620Vss.

Das ergibt einen Effektivwert von (0,620V / 2) / 1,41 = 0,212V

An 50 Ohm ergibt das eine Leistung von 0,212V^2 / 50 Ohm = 0,9667 mW = -0,145 dBm (geringfügig weniger als der Sollwert von 0dBm)

Das symmetrische Rechteck aus dem XG3 abgelesen beträgt in der Mitte von Dach zu Dach 0,56Vss

Das ergibt einen Effektivwert von (0,56V / 2) / 1 = 0,28V

An 50 Ohm ergibt das eine Leistung von 0,28V^2 / 50 Ohm = 1,568 mW = 1,95dBm (beträchtlich mehr als 0dBm, obwohl die Spitzenspannung niedriger ist als beim Sinus)

Die Leistung der beiden Signale im Oszillogramm unterscheidet sich um 2,095dBm.

Was man aus der Überlegung mitnehmen kann ist:

Leistungsmessgeräte, die lediglich die Spannung an einem bekannten Widerstand auswerten (dazu zählen Diodengleichrichter und im Grunde auch der AD8307) und keinen echten Effektivwert bilden, zeigen nur bei Sinussignalen die richtige Leistung an. Zur Kalibrierung des QRP-Wattmeters sollte bevorzugt ein Generator mit einem Sinussignal bekannter Leistung benutzt werden.

73

Günter

Wie verhält sich das Signal vom XG3, wenn ich es an den Empfängereingang lege? Es durchläuft den Bandpass und nach dem Mischer den ZF Filter. Nach der Filterung ist das Signal ein Sinus. Aber welcher Spannung oder Leistung entspricht es danach?

73, Peter - HB9PJT

Hallo Peter,

das ist meiner Meinung nach nicht relevant.

Tausende verschiedene Empfängertypen werden tausende verschiedene Ergebnisse liefern.

Gleichgültig ob gut gefiltert oder gar nicht, unabhängig von der jeweiligen Schaltung sollte die Anzeige

eines S-Meters die Signalstärke am Eingang eines Empfängers darstellen und nicht das, was später

daraus entsteht.

Sonst wären das ja nicht mal mehr "Schätzeisen"

Viele Grüße

Jürgen

Eine genaue Aussage über die einzelnen spektralen Komponenten eines Rechtecks und deren Amplituden erhielte man durch eine Fourier Transformation und der Bestimmung der Koeffizienten. Das könnte man beispielsweise mit Multi-Sim oder LT-Spice numerisch berechnen.

Fouriertransformation eines Rechtecksignals

73

Günter

Hallo Günter,

Zitat von DL4ZAO

Die Leistung der beiden Signale im Oszillogramm unterscheidet sich um 2,095dBm.

ja, da hast Du recht (ohne es nachzurechnen). Die Ausgabe des XG3 bei 0dBm ist mit plus/minus 3 dB spezifiziert.

Sie eignet sich daher nur bedingt, wenn man ein 0dBm Signal genau braucht. Ich nehme diese Einstellung eigentlich nur, wenn ein Empfänger wirklich taub ist. Dann ist es zur Signalverfolgung sehr brauchbar.

Viele Grüße

Jürgen

Zitat von HB9PJT

Wie verhält sich das Signal vom XG3, wenn ich es an den Empfängereingang lege? Es durchläuft den Bandpass und nach dem Mischer den ZF Filter. Nach der Filterung ist das Signal ein Sinus. Aber welcher Spannung oder Leistung entspricht es danach?

DL4ZAO hatte schon auf die Fouriertransformation hingewiesen. Jedes nichtharmonische Signal, hier ein Rechtecksignal, kann als Summe von Sinus-/Cosinussignalen mit bestimmter Amplitude gebildet werden. Wenn ein Rx linear arbeitet, kommen keine weiteren Frequenzanteile hinzu. Beim XG3 wird der Rx auf die Rechteckfrequenz eingestellt (bzw. umgekehrt). Die Selektion im Rx filtert alle Frequenzanteile heraus, die nicht aus der Grundfrequenz des Rechtecks resultieren. (Das macht übrigens der Tiefpass im AS600 auch.) Nach den Filterungen im Rx ist dann genau das Signal übrig, was aus der Grundfrequenz des Rechtecksignals resultiert. Stellt man die Amplitude des Rechtecksignals entsprechend ein (hat hier der Hersteller des XG3 gemacht), hat die Grundfrequenz auch immer die richtige Amplitude für den angegebenen Leistungswert. Dieser Leistungswert ist nicht der des ganzen Rechtecksignals sondern nur der der Grundfrequenz. Das kann dann für jeden Rx verwendet werden.

Zitat von dl1jgs

Tausende verschiedene Empfängertypen werden tausende verschiedene Ergebnisse liefern.

Wenn die tausend+ Empfänger (linear arbeiten) und jeweilis ein korrekt justiertes S-Meter haben, zeigen die alle den gleichen Wert an.

Zitat von dl1jgs

unabhängig von der jeweiligen Schaltung sollte die Anzeige

eines S-Meters die Signalstärke am Eingang eines Empfängers darstellen und nicht das, was später

daraus entsteht.

Meines Wissens ist bei praktisch allen Empfängern das S-Meter NICHT direkt an den Eingang angeschlossen. Das dortige Signal wäre viel zu schwach. Außerdem liegt dort nicht nur DAS Signal an. Oft wird die Spannung für das S-Meter aus einer Regelspannung im ZF-Bereich abgeleitet. Teilweise wird wohl auch noch die Signalspannung im ZF-Zweig herangezogen. Zwischen der Spannung des (gewünschten) Empfangssignals und den Spannungen im ZF-Zweig besteht beim jeweiligen Empfänger ein betimmter mathematischer Zusammenhang. Über diesen kommt man zum Wert der Signalspannung am Empfängereingang. Das S-Meter richtet sich als danach, was in der ZF aus dem Eingangssignal entstanden ist.

73 Ludwig

Zitat von HB9PJT

Wie verhält sich das Signal vom XG3, wenn ich es an den Empfängereingang lege? Es durchläuft den Bandpass und nach dem Mischer den ZF Filter. Nach der Filterung ist das Signal ein Sinus. Aber welcher Spannung oder Leistung entspricht es danach?

73, Peter - HB9PJT

Weil das Interesse bestand habe ich mal mit LT-Spice eine FFT gerechnet. Es zeigt ein symmetrisches 1MHz - 1Vss (an 50 Ohm) Recktecksignal in seine Sinuskomponenten zerlegt. Die Spannungswerte in der FFT sind Effektivwerte.

Zum Nachrechnen per Hand hier noch die Formel für die Sinuskomponenten eines symmetrisches Rechtecks aus der Formelsammlung. Die Sinus-Grundwelle hat demnach eine Spitzenamplitude von 4/π (=1,27) mal der Reckteckamplitude, die dritte Oberwelle ein Drittel des Wertes der Grundwelle, die fünfte Oberwelle ein Fünftel des Wertes der Grundwelle usw... Da es ein symmetrisches Rechteck ist, kommen keine geradzahligen Sinuskomponenten vor.

73, Günter

Besten Dank für die interessanten Info und für die Berechnung von Günther. Ich bin da nicht so der Hirsch für Fourietransformationen. Nachfolgende Bilder habe ich im Netz gefunden. Die Sinus-Spitzenspannung ist Faktor 1.27 grösser als das Rechtecksignal. Das deckt sich exakt mit der Umrechnung des Effektivwerts von Günthers Berechnung.

Das bedeutet auch, dass Holgers Bild mit den Kurven der beiden Signalgeneratoren zeigt, dass der XG 1 wohl ziemlich denselben Sinusanteil hat wie der AS600.

73, Peter - HB9PJT

https://www.lntwww.de/Signaldarstellung/Fourierreihe

https://de.wikipedia.org/wiki/Fourierreihe

Hallo Ludwig,

leider habe ich mich wohl nicht gut ausgedrückt.

Ich möchte das jetzt hier auch nicht vertiefen.

Prinzipiell hast Du genau das beschrieben, was ich meinte.

Ich hatte es halt mit wenigen Worten versucht, scheint hier nicht gelungen zu sein.

Das Wissen, das ein S-Meter nicht am Empfängereingang angeschlossen ist, hatte ich vorausgesetzt.

Und das Wissen der Entwickler, wie sie den Pegel am Eingang des RX am S-Meter ausgeben, auch.

Tut mir leid, wenn ich Euch gelangweilt habe. Mir ging es darum zu beschreiben, das der XG3 genau das tut, wofür er hergestellt und spezifiziert wurde.

Jürgen

Zitat von HB9PJT

Nachfolgende Bilder habe ich im Netz gefunden. Die Sinus-Spitzenspannung ist Faktor 1.27 grösser als das Rechtecksignal. Das deckt sich exakt mit der Umrechnung des Effektivwerts von Günthers Berechnung.

Das bedeutet auch, dass Holgers Bild mit den Kurven der beiden Signalgeneratoren zeigt, dass der XG 1 wohl ziemlich denselben Sinusanteil hat wie der AS600.

Das bringt es auf den Punkt Peter.

Und damit beantwortet sich auch die Frage, ob ein Rechteckgenerator genauso gut zum Kalibrieren eines S-Meters oder eines auf Spannungsmessung basierenden Leistungsmessers geeignet ist wie ein Sinusgenerator:

- Ja, unter der Voraussetzung dass im Ausgangspegel die oben in der Fouriertransformation aufgezeigten Korrekturfaktoren zwischen Rechteckamplitude und Sinus-Amplitude der Grundwelle berücksichtigt sind.

- Ein Generator mit einen Sinusausgang ist für die Kalibrierung eines breitbandigen Leistungsmessers wie dem QRP-Wattmeter vorteilhafter, weil er wegen des fehlenden Oberwellengehaltes vom Selbstbauer mit einem Oszilloskop leichter und genauer auf den gewollten Effektivwert der Ausgangsspannung einzustellen ist.

73

Günter