«Besselin0» oder: nicht jede Null ist nutzlos

  • Liebe Freunde der Wellenbastelei,

    Ich möchte Euch meinen «Besselin0» vorstellen. Ein FM Frequenzubmesser nach dem Prinzip der «Bessel Null» Methode (Quelle 1).



    Das Prinzip ist wie folgt:

    • Audioausgang wird mit dem Mikrofon verbunden.
    • Antennenausgang über einen Abschwächer mit dem RF Eingang des Messgerätes.
    • Das abgeschwächtes RF Signal wird auf eine IF von ~ 10.7 Mhz gemischt.
    • Die IF geht durch ein ca. 250 Hz breites Ladder Quarzfilter.
    • Danach wird das Signal verstärkt und geht in ein AD8307.
    • Das DC Ausgangssignal des AD8307 wird einem AD Wandler des Arduino Nano’s zugeführt.
    • Der Arduino steuert den SI5351, der das LO Signal erzeugt, den AD9833, der das NF Signal generiert und das LCD Display.
    • Über die Bandtaste kann man zwei Bänder aussuchen: 2m (145.000.000) und 11m (27.205.000).
    • Mittels der RF/NF Taste kann man auswählen, ob man die Filtermitte sucht, oder den NF Bereich durchläuft, um Bessel 0 zu finden.
    • Mit der Sweep Taste wird der Scan gestartet.




    Beispiel:
    TRX auf 145.000.000 stellen.
    Bandauswahl am Besselin0 auf 2m stellen.
    RF Carrier Modus wählen, PTT drücken und Sweep starten.

    Der SI5351 erzeugt ein Signal von 145 Mhz - IF - 500 Hz bis 145 Mhz - IF + 500 hz. Die Frequenz wird in Schritten von 5Hz verändert. Nach jeder Änderung misst der AD-Wander 35 mal mittels der Exponential Moving Average Methode (alpha = 0.2). Die LO Frequenz, bei der der höchste Wert gemessen wurde, wird gespeichert (rf_peak).
    Dieser RF Sweep findet statt, um sicherzustellen, dass das Trägersignal genau in der Mitte des sehr schmalen Filters liegt (der SI5351 ist zwar kalibriert aber eben nicht temperaturstabil und auch das zu vermessende Funkgerät liegt vielleicht nicht genau auf der Frequenz)

    Dann wechselt man auf den NF Bessel Modus. Das LO Signal wird automatisch auf die entsprechende rf_peak Frequenz angepasst. Bei einen NF Sweep wird der AD9833 eingeschaltet und die NF Frequenz wird von 400 Hz bis 2.5 Khz (2 Khz im 11m Bereich) ebenfalls in 5Hz Schritte durchgefahren (die PTT Taste ist natürlich wieder zu drücken). Diesmal merkt sich der Arduino allerdings die NF Frequenz mit dem tiefsten Wert. Der Audio Scan benötigt ca. 3 Sekunden.

    Aus der NF Frequenz berechnet sich dann der FM Hub in Khz.
    (FM Hub in Khz = 2.40483 * NF Frequenz bei welcher der Träger verschwindet / 1000)

    Das Diplay zeigt das folgende an:
    - Die RF Frequenz bei welcher der max. Peak gefunden wurde und den Eingangspegel in Prozent vom ADC Maximalwert.
    - Den Frequenzhub in Khz und ebenso den Pegel in Prozent vom ADC Maximalwert.
    Der SI5351 und der AD9833 wurden kalibriert.

    Nach meiner Erfahrung liegt die Wiederholgenauigkeit der Messung mit 5 Hz Schritten und 35 ADC Zyklen bei ca. 0.02 Khz (rechnerisch bei 0.012 Khz mit 5 Hz Schritten).

    Messung: mit "Narrow" Setting an einem Team Tecom Duo 2m/70cm Handfunkgerät



    Messung: mit "Wide" Setting an einem Team Tecom Duo 2m/70cm Handfunkgerät




    Technischer Teil:
    - Der Mixer ist Pin kompatibel mit einem SBL-1 (gab es mal sehr günstig an der «Küste»).
    - Das Ladder Filter ist nach meiner üblichen Methode «ich löte solange Kondensatoren an die Quarze, bis mir das Resultat auf dem FA-NTW2 gefällt» entstanden. Die Anpassung ist, sagen wir mal optimistisch «mässig» gelungen. Der Verlust ist recht hoch (–5 dB, wenn ich mich recht erinnere). Der 50 Ohm Abschlusswiderstand am Mixer machte den Verlust auch nicht besser, reduzierte aber die Mischprodukte laut meinem Tiny SA erheblich.
    - Der RF Verstärker ist ein TIA AGC nach w7zoi (Quelle 2). Das AGC muss allerdings zwingend abgeschaltet sein. Ein solcher Verstärker lag schlicht zusammengebastelt in der «Ich mach irgendwann mal was ganz tolles damit»-Kiste.
    - Der Arduino bekam eine externe 2.5 V ADC Referenz. Per Skript wird eine Spannung von 2.4 Volt als 100% angesehen.
    - Der Audio-Buffer ist mit einem NE5534 aufgebaut.
    - Dann gibt es noch einen p-MOS Reverse-Protection-Schussel-Schutz (Quelle 3).
    - Das Skript ist zum grössten Teil mit ChatGPT o1 geschrieben.

    Alles zusammen steckt in einem ELV Gehäuse.





    Das Projekt startete schon vor einem Jahr. Damals noch mit Drehgeber und Analog Instrument um den Peak bzw. Null-Punkt zu finden. Die Software blieb aber immer wieder hängen und ich fand das Problem nicht. Vor einigen Wochen habe ich es dann auf den automatischen Scan Modus umgebaut. Lief toll, aber auf 2m crashte der Arduino sofort. Nach langer Diskussion mit ChatGPT wurde das Problem dann erkannt. Irgendwo ging verloren, dass die SI5351 Library die Frequenz doch gerne als Integer hätte, vorallem bei so grossen Zahlen wie im 2m Band. Nachdem dies korrigiert wurde, lief es.

    Nun..., ich hätte auch einfach meinen Heathkit IM-4180 nehmen können, aber der ist eben in der anderen, noch viel grösseren Kiste, auf der steht: «ich kümmere mich irgendwann ganz sicher darum, was da nicht geht...».

    Aber so ist das nun mal mit dem Basteln, es muss einfach nur Spass machen.

    73 aus Basel,
    Matthias


    Quellen:

    1) w2aew: How to measure FM Frequency Deviation without special equipment using Carrier / Bessel Null

    #101: How to measure FM Frequency Deviation without special equipment using Carrier / Bessel Null
    **More details here, please read**This video shows how to measure FM Frequency Deviation using the Carrier or Bessel Null method. Ideally, no special equipm...
    www.youtube.com


    2) Wes Hayward, w7zoi: Adding AGC to a Termination Insensitive Amplifier
    https://w7zoi.net/tia+agc.pdf

    3) afrotechmods: Wie schützt man Stromkreise vor umgekehrter Polarität?
    https://www.youtube.com/results?search_query=reverse%20protection

    Edited once, last by HB9EFY: Kleinere Korrekturen und Ergänzungen (February 5, 2025 at 1:49 PM).

  • Hallo Matthias,

    danke für deinen Baubericht. Ich ermittele den Frequenzhub noch von "Hand" mittels klirrarmen NF-Generator und Spektrumanalyser. Geht hier sehr gut und ist reproduzierbar. Die zu erwirkende Nullstelle bei ca. 2,4 der Bessel J0-Kurve lässt sich eindrucksvoll einstellen und ist gut ausgeprägt. Noch mit der dazu eingestellten NF-Frequenz multipliziert und der Frequenzhub ist ermittelt.

    Unabhängig davon ist natürlich dein Aufbau eine Augenweide.

    vy 73 de Dirk, DH4YM

  • Ja der Wahnsinn, ich bin beeindruckt!

    Das Projekt vereint alle Techniksparten von denen ich keinen Dunst habe.

    Bessel 0, what the hell is that? :)

    vy 73, Arno

  • Hallo,

    was Matthias geschaffen hat, steckt voller Wissen.

    Dazu hab ich einige Fragen:

    FM: Da wird die Frequenz des Trägers mit der NF-Spannung verändert. Die Spitzen der NF-Spannung sind der max. Hub des HF-Trägers. Nun sind die nicht gleich hoch: Ein OM spricht leise aus größerer Entfernung ins Mikro, der andere schreit ganz nah hinein. Wie gut gleicht die Verstärkungsreglung der NF das aus? So exakt und scharf ist das nicht. Davon hängt ja dann der Hub ab.

    Quote

    In der Erklärung zum Gerät steht

    ,Aus der NF Frequenz berechnet sich dann der FM Hub in Khz'

    Das verstehe ich nicht. Ist der Hub nicht von der NF-Spannung abhängig? Wie wird die NF in dass Testgerät eingespeist? Über einen Kautsprecher ins Mikro = Akustikkoppler' oder per Kabel. Welche Spannung? Jedes Mikrofon hat eine andere Empfindlichkeit.

    Der Modulationsindex ist das nicht max. Hub / Freuenz der NF ?

    73

    Hans-Jürgen

  • Moin,

    Wie wird die NF in dass Testgerät eingespeist?

    Nicht direkt, würde auch keinen Sinn ergeben, denn wir wollen ja ein Funkgerät vermessen. Das beschreibt Matthias so:

    Das Prinzip ist wie folgt:

    Audioausgang wird mit dem Mikrofon verbunden.
    Antennenausgang über einen Abschwächer mit dem RF Eingang des Messgerätes.

    Das Messgerät hat einen Audioausgang, dessen Signal in den Mikrofoneingang gespeist wird. Das HF-Signal des Funkgerätes wird dann wieder in das Messgerät eingespeist und gemessen. Siehe Blockschaltbild und weitere Beschreibung. Wobei Matthias nicht beschrieben hat, ob die NF per Draht oder über einen Schallwandler in das Gerät gelangt. Letzteres würde allerdings Verfälschungen ergeben.

    Wie beim W7ZOI Direktmischer-Thread finden wir auf dem folgenden YT-Kanal Grundlagen. In diesem Fall zu FM, Modulation und Demodulation. Der Autor erklärt viele Grundlagen sehr ruhig, anschaulich und ohne Ballast.

    External Content youtu.be
    Content embedded from external sources will not be displayed without your consent.
    Through the activation of external content, you agree that personal data may be transferred to third party platforms. We have provided more information on this in our privacy policy.

    Für viel mehr Theorie- und Mathematikkenntnisse gibt es in diesen Beitrag Erklärungen. Bessel, Modulationsindex und mehr.

    Matthias, Du hast ein feines Gerät gebaut und ebenso präsentiert.

    73, Michael, DF2OK.
    ~ AFU seit 1975 ~ DARC ~ G-QRP-Club ~ DL-QRP-AG GM ~ AGCW ~ FISTS ~ QRPARCI ~ SKCC ~ QRZ.COM ~
    "Dat Sichtbore hebbt wi verloorn, aver dat Erinnern blifft jümmers in uns Harten." Das ist plattdeutsche Sprache.

    Edited 5 times, last by DF2OK (February 5, 2025 at 1:10 AM).

  • Vielen Dank Euch allen für das positive Feedback, eure Fragen und die tollen zusätzlichen Videos :)
    Ich habe in meinen originalen Post noch einige Korrekturen und Ergänzungen eingefügt.

    Wie wird die NF in dass Testgerät eingespeist? Über einen Kautsprecher ins Mikro = Akustikkoppler' oder per Kabel. Welche Spannung? Jedes Mikrofon hat eine andere Empfindlichkeit.

    Ich habe beide Methoden probiert. Direkt angelötet am geöffneten Mikrofon und über eine Art Akkustikkopler.
    Bei der Akkustikkoppler-Methode gab es noch ein TDA2003 und ein kleiner Lautsprecher in der Halbsschale eines alten Gehörschutzes. Die Methode funktionierte nicht, zu empfindlich auf die Laustärke, Lage des Mikrofons usw. Die Ergenisse waren leider nicht reproduzierbar. So blieb ich bei der direkten Methode über Draht.

    Der AD9833 macht 600 mV Peak-Peak, der nachgeschaltete Buffer hat keine Verstärkung. Bei meinen modernen Funkgeräten mit Elektret-Kapsel ist die Einspeisespannung meiner Erfahrung nach recht unkritisch. Verschiedene Pegel machen am Ergebnis keinen Unterschied. Bei den mir zur Verfügung stehenden Funkgeräten mit dynamischen Kapseln braucht es meiner Erfahrung nach aber recht hohe Pegel. Es gäbe in den Service-Unterlagen des Funkgerätes aber auch die Angaben, welcher NF Pegel angelegt werden soll.

    Ist der Hub nicht von der NF-Spannung abhängig

    Ja im Grunde ist das so. Allerdings hat man sich ja mal auf einen maximalen Hub geeinigt. Sagen wir mal auf 2m früher die 5 Khz. Schaltungstechnisch wurden die Funkgeräte dann so ausgelegt, dass die 5 Khz nicht überschritten werden, egal wie laut man in das Mikrofon spricht. Ich bin kein Experte darin, aber ich denke heute hat man eine wirksame NF AGC und Clipped den NF Pegel nicht einfach.

    Der primäre Verwendungszweck des Gerätes ist nicht etwa herauszufinden, welche NF Spannung welchen Hub erzeugt, sondern zu messen, ob das Funkgerät den maximal zulässigen Wert einhält.