Het telefonie ontvangst-rapport

(Eerder gepubliceerd in Electron # 11, 2007)

INLEIDING
Kan iemand mij even een rapportje geven? Je hoort het vaak op de banden en ook ik maak er een gewoonte van om ontvangst rapporten uit te delen tijdens een verbinding; tenslotte dient onze hobby voor een belangrijk deel het vergroten van ons inzicht in ons radio-station en de propagatie condities. Zo'n rapport wordt gegeven volgens de   R S T code, waarbij de T (voor toon kwaliteit) wordt weggelaten bij telefonie communicatie.

VERSTAANBAARHEID
Het eerste cijfer, dat de neembaarheid aangeeft, varieert tussen de 1 en 5, met 1 voor onneembaar, 2 voor nu en dan neembaar, 3 voor neembaar maar moeilijk, 4 voor neembaar en 5 voor uitstekend neembaar. Bij vele amateurs is dit enigszins verwaterd tot 5 voor een goede verbinding, 4 voor een sterk onderbroken verbinding en 3 voor praktisch onneembaar, meestal vooral gebaseerd op de sterkte van de modulatie. Bij dit laatste rapport wordt de verbinding doorgaans snel beëindigd vanwege de vereiste extra inspanning. 

Het is jammer dat er geen code bestaat voor de modulatie kwaliteit bij telefonie, omdat dit nu juist zo belangrijk is voor een verstaanbare verbinding. Soms worden aan zo'n neembaarheid rapport dan ook nog enkele woorden toegevoegd om hier toch iets over te kunnen zeggen. Jaren geleden betrof zo'n toevoeging soms een opmerking over aanwezige brom in het signaal maar tegenwoordig betreft dit vaker de audio-frequentie karakteristiek omdat moderne transceivers worden uitgerust met zoveel microfoon instel-mogelijkheden dat een verkeerde instelling makkelijker wordt gevonden dan een goede.

Omdat het niet erg moeilijk is om het spraak signaal te comprimeren alvorens dit aan de modulator toe te voeren, wordt dit vaak als een feature bij een transceiver aangeboden en dan natuurlijk ook graag gebruikt in het radio-verkeer. In het artikel over een digitale signaal processor voor spraak signalen kwam in principe het omgekeerde aan bod. In dit verhaal kwam naar voren dat de besproken processor voor het verbeteren van spraak in een ruiserige omgeving juist gebruik maakt van de omhullende van het spraak signaal. Het blijkt dat ook voor ons gehoor belangrijke informatie aanwezig is in juist deze omhullende. Verder is er ooit een vorm van kwaliteitsverbetering van het audio-signaal voor omroepzenders geweest dat van dit fenomeen gebruik maakte door de informatie van de omhullende en van de frequentie-inhoud van het audio-signaal als twee aparte signalen te verzenden en later weer samen te voegen. Het is duidelijk dat compressie van het audio-signaal weleenswaar de vermogensmeter van onze zender een 'mooi' hoog getal laat aanwijzen, maar de verstaanbaarheid onder moeilijke omstandigheden zeker niet zal verbeteren.

Verder streven sommige amateurs naar een vorm van studio kwaliteit, waarbij het voor hun belangrijk is om vooral hun sonore stemgeluid goed over te brengen met speciale en dure microfoons, al dan niet aangevuld met enig galm effect. Vooral in landen met een sterke 'macho-cultuur' vindt men dit vaak belangrijk.

Het is duidelijk dat dit contra-productief is bij verbindingen onder moeilijke omstandigheden, waarbij de kwantiteit van de verstaanbare spraaksyllaben belangrijker is dan de kwaliteit. Hierbij wordt ook vaak vergeten dat er veel meer energie nodig is voor het overbrengen van  audio-frequenties beneden zeg 500 Hz., waarin bovendien weinig 'boodschap informatie' aanwezig is. Dit hangt mede samen met de manier waarop ons gehoor werkt. Om veel energie te stoppen in de lage audio frequenties is daarom niet erg effectief, zeker niet wanneer het maximale totale zendvermogen toch al wettelijk beperkt is.

In mijn radio-station maak ik daarom gebruik van een eenvoudige microfoon, gevolgd door een simpele equalizer waarmee ik de frequentie karakteristiek van de zender zodanig kan instellen dat vooral het audio-spectrum met de 'boodschap informatie' wordt benadrukt, ten koste van het fraaie geluid. Aan de andere zijde merkt men dan ook regelmatig op dat ik al verstaanbaar ben als de S-meter nog vrijwel niet uitslaat. Meer over dit onderwerp is te vinden het artikel 'De Hambus'.

STERKTE RAPPORT
Het tweede cijfer in de R S T code betreft de sterkte van het ontvangen signaal. Hoewel iedereen gewend is rapport cijfers rondom 'Sterkte 9', is het al jaren onduidelijk wat hier precies mee wordt bedoeld. Internationaal is hier vaak over gesproken maar overeenstemming tussen de diverse organisaties van amateur- en professionele zijde blijkt niet gemakkelijk te bereiken. Vaak ziet men tabellen die een verband aangeven tussen de sterkte van het ontvangen signaal op de antenne ingang en de aflezing van de S-meter. Deze tabellen zijn tot S-9 meestal afgeleid van de formule:

meter aflezing in S-punten = 9 + (20 / 6) log(μV/50),

met voor aflezingen boven S-9:

Decibel boven S-9 = 20 log(μV/50).

Hieruit kan men afleiden dat S-9 overeenkomt met 50 μV. op de antenne ingang en dit getal is al heel lang bekend in radio-amateur kringen.

In het VERON vademecum tot begin jaren '90 stond ook zo'n S-meter tabel afgedrukt met S9 tot S1, waarbij de spanning op de antenne-ingang vanaf 50 microVolt telkens halveert voor elk lager S-punt, overeenkomend met een logaritmische stap van 6 dB. In latere drukken zijn deze getallen vervangen door een beschrijvende tabel, met voor S-9 de aanduiding: 'zeer sterk', en voor de volgende stappen: 'sterk', 'tamelijk sterk', 'goed', 'redelijk goed', 'redelijk', 'zwak', 'zeer zwak' en 'nauwelijks waarneembaar'. Voor signalen boven de S-9 wordt dan weer aanbevolen om deze aan te geven met + 10, + 20 dB enz.

Deze subjectieve schaal geeft dus alleen aan welke indruk het ontvangen signaal maakt op de luisteraar en zegt niets meer over de ontvangen veldsterkte.  Dat toch ook weer met getallen wordt gewerkt boven de S-9 geeft aan dat het gebruik van de S-meter aanduidingen zo diep is ingesleten dat men hier toch niet omheen kon. Dat men tot deze subjectieve schaal is over gegaan is een gevolg van de eerder genoemde moeilijkheid om tot overeenstemming te raken.

SIGNAAL METING
Laten we eens zien hoe de signaalsterkte in een gemiddelde amateur-ontvanger wordt gemeten. De S-meter geeft doorgaans een afgeleide van de spanning die gemeten wordt op de lijn die de automatische sterkteregeling (ASR) van de ontvanger bestuurt. Deze regelspanning wordt bepaald aan de hand van het binnenkomende signaal, waarbij het verband hiertussen wordt bepaald door de totale versterking in de hele ontvangerketen en de regelkarakteristiek van de diverse HF en MF versterkers.

Als er geen signaal wordt ontvangen is deze regelspanning doorgaans 0 volt. Dit is meteen al het eerste probleem omdat de logaritmische meterschaal telkens een S-punt minder aangeeft wanneer de spanning op de ingang van de ontvanger wordt gehalveerd. De aflezing S-0 betekent daarom dat het signaal op de ingang weer de helft is van de waarde bij de aflezing S-1, en niet dat er geen spanning op de ingang, en dus op de meter, staat. Een S-meter zou dus in principe altijd een zekere aanwijzing moeten geven en dat is niet mogelijk als er geen ASR regelspanning aanwezig is.

Als er een signaal van een zekere sterkte wordt aangeboden op de ingang van de ontvanger, wordt spanning op de uitgang van de ASR detector ook hoger waarna de ASR versterker de totale versterking laat afnemen door de spanning op de ASR lijn te laten stijgen. Hoeveel spanning op de ASR lijn hiervoor nodig is wordt bepaald door de regelkarakteristieken van alle versterkertrappen die hierbij betrokken zijn; doorgaans enkele middenfrequent versterkers, bij dubbel of meervoudige super-ontvangers ook de volgende middenfrequent versterkers en de hoogfrequent versterkers trappen. Al deze regelversterkers doen vaak tegelijk mee, waarbij het verband tussen de regelspanning op de ingang van elke versterker en de mate van versterking per trap verschillend is.

Omdat men meestal direct op een basis of een gate van een transistor regelt, krijgt het verband tussen de versterking en deze regelspanning een logaritmisch karakter: bij een transistor is dit een e-macht en bij een FET of een radio-buis een 1 ½ - macht of een curve die afhangt van de specifieke regelspanning, zoals bij een z.g. staart buis, die specifiek ontworpen was voor zo'n ASR-regeling. In ieder geval zien we hier dus het logaritmische verband ontstaan dat we ook zo graag aflezen op de S-meter, met een factor twee in signaal sterkte voor elk streepje op de schaal. 

Bij een zeker ingangspanning regelt de ene versterker echter verder terug dan de andere en bij verder toenemende ingangspanning is de ene versterker ook eerder aan het einde van zijn regelbereik dan de andere. Het uiteindelijke verband tussen de ASR-regelspanning en het signaal op de ingang van de ontvanger is dus sterk afhankelijk van het specifieke ontvanger-ontwerp en binnen een specifiek ontwerp van de lokale versterker eigenschappen. Bovendien zal door dit product van de verschillende regelingen de helling van de regelcurve niet constant zijn, maar afhangen van de absolute grootte van de spanning op de ingang van de ontvanger.

METER AANWIJZING
Hoe lost een ontwerper dit ingewikkelde probleem doorgaans op?

In het S-meter circuit wordt als eerste een zekere spanning opgeteld bij de spanning op de ASR-lijn. Ook als er geen spanning op de ingang van de ontvanger staat krijgt de meter nu een zekere voor-spanning, waarmee het probleem van de '0' bij deze logaritmische aanwijzing wordt vermeden. Verder is er een tweede instelling waarmee de versterking van het S-meter circuit kan worden ingesteld; hiermee kan het verband worden bepaald tussen de regelspanning op de ASR-lijn en de aanwijzing op de S-meter. Deze laatste instelling wordt doorgaans uitgevoerd bij een zekere spanning op de ingang van de ontvanger, waarvoor men meestal een waarde van 50 microVolt kiest. Met de S-meter versterkingsinstelling wordt de meter nu netjes in het midden van de schaal gezet bij de stand S-9, zodat er ruimte boven en beneden S-9 ontstaat voor grotere en kleinere spanningen, waarbij de schaal mooi logaritmisch zal gaan verlopen, zoals we hiervoor al zagen.

Rondom deze afregeling zal de S-meter zich nu netjes gedragen omdat in dit 'midden-bereik' van de regelcurve alle regelelementen mee doen en er dus een redelijk direct verband zal zijn tussen de meter aanwijzing en het signaal op de ingang van de ontvanger. Komen we wat verder uit de buurt van de centrale instelling, dan krijgt de regelcurve een wat andere helling en wordt de meter aanwijzing onnauwkeurig.

Bij kleine signalen worden de versterkers meer naar het onzekere startpunt gebracht van hun individuele regelingen, waar de verschillen het grootst zijn. De helling van de regel curve wordt daarmee kleiner en dus wordt de S-meter 'pessimistischer'; geeft een b.v. waarde aan van S-5 als het signaal eigenlijk een sterkte heeft van S-6. Afhankelijk van de ontvanger is het bereik vanaf S-6 en lager ook de plaats waar de afwijkingen zeer merkbaar gaan worden.

Bij grote signalen komen sommige versterkers aan het einde van hun regeling waardoor de opbouw van ASR spanning afneemt en de S-meter curve opnieuw gaat afwijken. Een S-9+20 dB aanwijzing kan dan in werkelijkheid best S-9 + 30 dB zijn.

Het is natuurlijk mogelijk om de meterschaal op dit soort afwijkingen te corrigeren, maar dan komen de streepjes op minder regelmatige afstanden op de schaal te staan hetgeen vragen zou kunnen oproepen van de klanten. Er zijn overigens professionele ontvangers die voor al dit soort zaken gecorrigeerd zijn en wel degelijk over een groot bereik de juiste aflezingen laten zien.

STERKTE METING
Een uitzondering hierop is de aanwijzing van vele SDR-ontvangers, althans het type dat het binnenkomende signaal direct omzet naar een LF spectrum m.b.v. een z.g. Tayloe mixer. Voor het verder verwerken van de signalen in software bestaan vele vrij verkrijgbare programma's op internet, waarbij FlexRadio een bekende is. De display bij deze software geeft een gestileerde indruk van een conventionele ontvanger, met daarbij het meest in het oog springend de grote display waarop als in een panorama ontvanger een ruim gebied rondom de 'afstemmingsfrequentie' wordt getoond. Verder bevat deze ontvanger nog meer interessante zaken, maar voor dit verhaal concentreren we ons op de verdere paneel meters.

De meter die de sterkte van het binnenkomende signaal aanwijst op deze ontvanger blijkt zo nauwkeurig, dat gesproken kan worden van een echt meetinstrument. Het gestileerde display op de PC geeft naast een panoramisch overzicht van alle binnenkomende signalen over een gebied van enkele tientallen kHz. ook enkele meter schalen, waarbij er een de binnenkomende signaalsterkte aangeeft in dBm, een ander in S-punten. De eerdere van deze meters heeft een oplossend vermogen van 0,1 dBm. en blijkt bij vergelijking met een nauwkeurig meetinstrument ook werkelijk deze nauwkeurigheid waar te kunnen maken, over het hele gebied vanaf ca 10 dB boven de ruisvloer tot aan het maximale niveau waarop het systeem vast loopt. De grootte van dit meetgebied hangt voornamelijk af van de gebruikte geluidskaart in de PC, maar zelfs bij de chip-set die doorgaans aanwezig is op het moederboord blijkt dit nog een gebied van een kleine 100 dB te beslaan.

De reden van deze grote lineariteit is te vinden in de wijze waarop het signaal van deze ontvanger verwerkt wordt. Na een vernuftige frequentie-omzettingsstap, wordt het hele HF signaal binnen het  ontvangstgebied omgezet naar het LF-domein, en vervolgens in een binaire code, die verder in de SW wordt verwerkt. De omzetting naar het digitale domein plaats vindt in een Digitaal naar Analoog omzetter, die dank zij de ontwikkelingen in de digitale geluidstechniek een hoge resolutie en precisie hebben bereikt voor een relatief lage prijs. Zelfs de eenvoudigste A/D omzetter met een resolutie van 16 bit, heeft dan een bereik van een factor 216 = 65.536 of ruim 96 dB. Een beetje kwaliteitsomzetter haalt ook wel 24 bits en dan is duidelijk dat hier weinig meer te wensen over blijft. 

IJKING 2-METER
Bij de meeste ontvangers treedt nog een probleem op dat een belangrijke bron is van de eeuwige discussie over de S-meter. Hiervoor spraken we over een spanning van 50 microVolt op de ingang van de ontvanger voor een meter uitslag van S-9. Deze spanning stellen we in m.b.v. een HF generator.

Vroeger gaven deze generatoren op een meter aan, hoe groot de spanning was die op de uitgangsklemmen stond. Als deze uitgang werd belast, dan zakte deze uitgangspanning in elkaar, afhankelijk van de waarde van de uitgangsimpedantie, die doorgaans 50 Ohm was, maar ook 60 en 75 Ohm kwamen voor. Van het meter circuit werd dus verwacht dat het bij alle frequenties en alle waarden van de uitgangspanning de juiste waarde aan wees. Dit is natuurlijk een zware eis aan de ingebouwde versterker voor deze meter, omdat deze goed moet zijn bij hoge en lage uitgangsspanningen en hoge en lage frequenties.

Tegenwoordig brengt men daarom het meter circuit liever aan voor de uitgangsverzwakkers. Omdat nu niet meer direct de uitgangsspanning wordt gemeten, worden hoge eisen gesteld aan de nauwkeurigheid en de frequentie-onafhankelijkheid van de uitgangsverzwakker, die daar gemakkelijker aan kan voldoen dan een versterker op dit punt. Omdat echter niet meer wordt gemeten op de uitgang en ook om de verzwakker nauwkeurig te laten werken, wordt geëist dat de generator wordt afgesloten met de karakteristieke impedantie voor een juiste aanwijzing van de meter.

Zowel de oudere als de nieuwe generatoren worden vervolgens aangesloten op de ontvanger m.b.v. een transmissielijn. Deze transmissielijn moet dus ook de karakteristieke impedantie vertonen van de generator en ook weer worden afgesloten met zijn karakteristieke impedantie om op de uitgang hiervan de juiste spanning van de generator over te brengen.

INGANGSIMPEDANTIE
Juist bij deze laatste eis ontstaan de problemen bij het ijken van de S-meter van de ontvanger.

Stilzwijgend wordt doorgaans aangenomen dat een transceiver die volgens de fabrikant moet worden afgesloten met 50 Ohm in zend-bedrijf, ook wel een uitgangsimpedantie zal hebben van 50 Ohm. In het artikel 'Uitgangsimpedantie' reken ik af met dit idee, door de uitgangsimpedantie van de zender ook echt te meten. Deze bleek afhankelijk van de frequentie en de mate van uitsturing en varieerde bij de set die ik heb gemeten van 25 tot 180 Ohm.

Een volgende veronderstelling is vaak, dat de ingangsimpedantie van de ontvanger dan wel 50 Ohm zal zijn. Ook deze heb ik al eerder gemeten bij diverse ontvangers en ook hier bleek dat deze impedantie kon variëren over een aanzienlijk bereik, afhankelijk van de frequentie. Als we dus een generator aansluiten op onze ontvanger, waarbij we op de meter een spanning instellen van 50 microVolt, dan is het doorgaans volledig onbekend welke spanning er nu werkelijk op de ingang van de ontvanger terecht komt.

Omdat de fabrikanten van amateur-ontvangers niet konden of wilden garanderen dat de ingangsimpedantie 50 Ohm is, werd ooit een compromis gesloten tussen deze fabrikanten en de amateur wereld, dat als volgt luidde: Bij het instellen van de S-meter dient de generator een uitgangsimpedantie te hebben van 50 Ohm. Vervolgens wordt de open spanning van de generator ingesteld op 100 microVolt en aangesloten via een zo kort mogelijke kabel op de ingang van de ontvanger. Deze dient nu een ontvangststerkte aan te geven van S-9.

Wie dacht dat hiermee het probleem uit de wereld was, moet even bedenken dat de ingangsimpedantie van de ontvanger ook nog frequentie afhankelijk is, waardoor een goed geijkte S-meter op de ene frequentie een verkeerde aanwijzing kan geven op een andere. Zelfs bij ontvangst op dezelfde frequentie moet nog rekening worden gehouden met een eventuele voorversterker en de lineariteit hiervan, of een ingeschakelde verzwakker.

VELDSTERKTE
Om het nog ingewikkelder te maken speelt ook de antenne mee in dit verhaal. Zoals we weten heeft de ene antenne meer versterking dan de andere, waardoor een veldsterkte ter plaatse van de antenne in de ene situatie tot een hogere uitgangsspanning leidt dan bij de andere. Verder is de aansluitimpedantie van de ene antenne beslist anders dan van de andere en zal een antenne altijd met een transmissielijn worden aangesloten op de transceiver, die een niet- karakteristieke impedantie van de antenne zal transformeren naar weer een andere impedantie en bovendien nog de nodige verliezen opleveren, zie ook het artikel 'Waar blijft het vermogen?'.

Een bepaalde aanwijzing van de S-meter op onze ontvanger is daarom zelden of nooit te herleiden naar een bepaalde veldsterkte ter plaatse van de antenne. De S-meter aanwijzing is daarom ook alleen nuttig om te vergelijken tussen de signalen van verschillende stations en om het tegenstation een indruk te geven van de kwaliteit waarop zijn signaal wordt ontvangen.

Door de variabele meterschaal is het verder alleen mogelijk een redelijke relatieve meter-aflezing te geven voor signalen tussen ca S6 en S9+10 dB. ; daarbuiten worden de fouten te groot om zelfs maar te kunnen zeggen dat het signaal 6 dB. (een S-punt) verschilt met een ander station, of, bij aan schakeling van een krachtversterker, met dit bedrag is toegenomen.

CONCLUSIE
Het is nu niet meer zo verwonderlijk dat het VERON vademecum tegenwoordig een subjectieve benadering geeft van de S-meter aanwijzingen. Om echt een indruk te krijgen van de ontvangst kwaliteit dient daarom bij elk sterkte rapport ook een indruk gegeven te worden van het achtergrond lawaai waar tegen dit station wordt ontvangen. Een rapport van S-9 tegen een achtergrond van S6 krijgt eigenlijk dan pas enige betekenis.

Bob van Donselaar

ON9CVD@AMSAT.org