ОТВЕТ СОМНЕВАЮЩЕМУСЯ ОППОНЕНТУ

В. Костычев, UN8CB   г. Петропавловск. Казахстан.

    На одном из форумов на сайте CQHAM  недавно снова возникла дискуссия относительно физического смысла понятия «Пиковая мощность». Один из моих оппонентов  в ответ на мои доводы заявил: «Если это относится к  пиковой (мощности) при данных условиях – это одно. РЕР – совсем другое». А что другое, он не пояснил, но по его реплике я понял, что он явно блудит в этих вопросах.

   Я ему не стал разъяснять, тема эта обширна и объёмна, да там и посетителей было немного. А решил ответить оппоненту моему здесь, на сайте RA4A, который популярен у р/любителей и многие его посещают. Может быть, это будет полезно  тем, кто ещё не разобрался в этих вопросах, а может быть заглянет сюда на сайт и мой оппонент.

   Начнём с перевода определения Peak envelope power  - PEP.

   Некоторые переводят это как «Пиковая мощность огибающей», другие как «Мощность на пике огибающей». Одни считают, что эти определения выражают одно и то же, другие наоборот считают, что нет, не одно и то же.

   Я считаю, что эти разногласия возникли  из-за неполного перевода  на русский язык определения «Peak envelope power». В обоих случаях переведены  с английского на русский  только два слова, а третье слово «Peak» не переведено, а используется целиком, т.к. это иностранное слово прочно закрепилось  целиком в русском языке, В каком же смысле это иностранное слово «Peak»  используется  в этом определении? Давайте разбираться вместе!

   Заглянем в Википедию.

Peak: варианты перевода.

Имя существительное: пик, вершина, максимум, остроконечная вершина, вершина горы, высшая точка, острие, гребень;

Имя прилагательное: пиковый, максимальный.

   А вот как трактует физический смысл   мощности РЕР  Регламент Радиосвязи ITU:

1.157. Peak  envelope power (PEP): The average power supplied to the antenna transmission line by a transmitter during  one radio frequency cycle at the crest  of the modulation envelope taken under  normal operating conditions.

   Перевод  Anatoly (KC8HYR).

« 1.157. Пиковая мощность огибающей  (РЕР): Средняя мощность, посылаемая в антенно-фидерную линию передатчиком за один период радиочастоты на вершине модуляционной посылки (огибающей) в нормальных условиях связи".

В этом определении РЕР – это средняя мощность на вершине (at the crest) , а не на пике (at the peak) огибающей».

    А теперь  заглянем в энциклопедию. Also found in: Acronyms, Encyclopedia.

   Peak envelope power (PEP) is the highest envelope power supplied to the antenna transmission line by a transmitter during any full undistorted RF cycle or series of complete radio frequency cycles. PEP is normally considered the occasional or continuously repeating crest of the modulation envelope under normal operating conditions.

   Мой перевод.

«  …????... мощность огибающей (PEP) - ЭТО НАИБОЛЬШАЯ  мощность (МАКСИМАЛЬНАЯ – пик мощности) огибающей, отдаваемая в линию передачи антенны от передатчика в течение любого полного цикла неискаженной Радио Частоты или серии полных радиочастотных циклов  (очевидно, имеется ввиду синусоидальный сигнал). РЕР – это обычно рассматриваемый средний  вариант (значение) при непрерывной огибающей гребень  посылки  модуляции при нормальных условиях эксплуатации.

    Из этого  энциклопедического определения мощности РЕР однозначно  явствует, что здесь слово  PEAK  употребляется в значении  максимальная мощность, максимум мощности, пик мощности. Т.е. ПИКОВАЯ мощность, а не на пике (было бы at the peak). Теперь во  втором определении вместо вопросов  смело ставим слово ПИКОВАЯ.  Итак, правильный перевод определения «Peak envelope power» – «Пиковая мощность огибающей», а не «Мощность на пике огибающей». Т.е. максимальная мощность, но не мгновенная (амплитудная), а средняя (эффективная), что вытекает из первого определения  (average).

    Теперь приведём официальный перевод  статьи 1.157 из  переведённого на русский язык Регламента Радиосвязи.      

1.157   Пиковая мощность огибающей (радиопередатчика). Подводимая от передатчика к фидеру антенны мощность, усреднённая за время одного радиочастотного периода, соответствующего максимальной амплитуде модуляционной огибающей при нормальных режимах работы.

   То есть Пиковая (максимальная) мощность огибающей – это средняя (эффективная)  мощность только одного колебания, амплитуда которого наибольшая в модулированном сигнале и определяется за один период этого колебания.

Поясним изложенное  с помощью осциллограмм.

                                                          Рис. 1

   На Рис.1а представлена осциллограмма синусоидального ВЧ сигнала на выходе передатчика (усилителя) в режиме CW при «нажатии», когда осциллограф (широкополосный) ещё не настроен соответствующим образом и высокочастотный сигнал  сливается в одну сплошную полосу, будет «размытым».  При соответствующей частоте развёртки и синхронизации осциллографа размытость изображения исчезнет (будет  «растянуто»), и отчётливо станет видна синусоида (Рис.1b). PEV – peak envelope voltage, амплитудное напряжение ВЧ сигнала, его можно определить по осциллографу, затем вычислить  эффективное значение напряжения как: Uэф = 0,707PEV  и вычислить эффективную мощность:

 Pэф = (Uэф)²/ Rн.

   На Рис. 2а представлена осциллограмма SSB сигнала на выходе передатчика (усилителя) когда оператор «посылает» общий вызов «CQ, CQ, CQ». Высокочастотное заполнение  в этой посылке сигналов  здесь также «размыто». Видно несколько вершин модуляционной огибающей, наибольшую амплитуду имеют положительная и отрицательная  вершины «А».

                                         Рис. 2

   «Растянем» изображение пока не станет видно высокочастотное заполнение  в исследуемом сигнале. На Рис.2b условно изображена часть «растянутого» SSB сигнала с вершинами  «А».

Так как в голосовом спектре содержится множество колебаний различных частот и амплитуды, то в результате сложения колебаний нескольких частот с различными  амплитудами, амплитуда суммарного колебания не будет постоянной, а будет изменяться со временем, а его форма будет зависеть от количества  суммируемых частот и сдвига фаз между ними, и может отличаться от синусоидальной. В нашем случае наибольшая амплитуда суммарного колебания образовалась на вершинах «А», на Рис.2 b это колебание обведено зелёным цветом. Амплитудное напряжение – PEV этого колебания также можно определить по осциллографу, пересчитать в эффективное Uэфф, и вычислить эффективную (среднюю) мощность этого колебания за его период.

 Вот эта мощность и будет пиковой – Pрер для этой посылки SSB сигнала (CQ, CQ).

    И ещё одно существенное замечание.

Во всех рассмотренных определениях пиковой мощности отмечается, что пиковая мощность определяется «при нормальных условиях эксплуатации (связи), (normal operating conditions), т.е. в линейном режиме работы, без искажения радиочастотного сигнала.

 Об этом пишут и Яйленко с Буниным:  «Пиковая колебательная мощность  есть максимальная  эффективная мощность колебаний высокой частоты, достигаемая на пиках огибающей модулированного сигнала при условии, что искажения, вносимые усилителем, находятся в допустимых пределах».

   А каковы эти допустимые пределы?  Согласно нормам Международной Контрольной Комиссии  Радиосвязи (МККР) общая мощность паразитных излучений радиопередающего устройства, работающего в диапазоне от 10 МГц до 60 МГц должна быть не меньше чем на 40 дБ ниже уровня основного сигнала.

   Так что нужно иметь в виду, что рассмотренные нами выше исследования  (Рис.1 и Рис.2) производились при работе передатчика (усилителя)  исключительно в линейном режиме.

 Вот тогда  пиковая мощность  SSB сигнала   будет равна    эффективной мощности синусоидального сигнала такой же амплитуды, как и  амплитуда вершины «А»:

       Ppep=Pэф = (Uэф)²/ Rн  

   Выходная мощность передатчика (усилителя) обычно указывается  при определённой величине нелинейных искажений, так как эти две характеристики находятся в тесной связи. При превышении передатчиком (усилителем) этого уровня мощности процент нелинейных искажений начинает быстро возрастать до недопустимого уровня. Такой предельной мощностью передатчика и  является пиковая мощность – РЕР. Таким образом, пиковая мощность PEP является «мерилом»  линейности передатчика (усилителя).  При этой мощности средняя мощность паразитных излучений передатчика (усилителя) меньше мощности РЕР (пиковой)  на 40 дБ. Если же мощность паразитных излучений не удовлетворяет этим условиям (отношение больше или меньше 40 дБ), вот тогда в таких случаях уместно говорить  просто о «мощности на пике огибающей», но не о «пиковой мощности огибающей».  

   Так как на практике измерить среднюю мощность нежелательных (паразитных) излучений довольно сложно, то для этой цели используют  двухтональный метод. При подаче на вход  усилителя двухчастотного сигнала (с  частотами  f1 и f2) на его выходе частотный спектр будет содержать кроме основных частот  и их гармоник также комбинационные частотные составляющие (интермодуляционные составляющие) вида  mf1 +/_ nf2  (Рис.3), уровень которых можно измерить селективным вольтметром или анализатором спектра.

                                                 Рис.3

    Отношение амплитуды комбинационных составляющих к амплитуде основных составляющих частот f1 или f2  (b1/bn), выраженное в децибелах, называют коэффициентом комбинационных искажений (ККИ) 3-го,  5-го, 7-го и т.д. порядков. (Его так же называют коэфф. интермодуляционных искажений – КИИ, а также интермодулем n-го порядка). Вот этими коэффициентами и принято характеризовать линейность усилителей.

   Но сами по себе эти коэффициенты ни о чём не говорят. Скажем, ККИ-5  (пятого порядка) равен 20 дБ. О чём это  говорит? Непонятно!  Надо установить какую-то норму, с которой и  сравнивать.  Поэтому, договорились  судить о линейности усилителя по ККИ-3 (интермодуль 3-го порядка), когда средняя мощность комбинационной составляющей 3-го порядка (ИМД-3) меньше пиковой мощности суммарного 2-х тонового сигнала на 40 дБ.

   А поскольку пиковая мощность суммарного 2-х тонового сигнала на 6 дБ больше средней мощности одного из тонов, то ККИ-3 (отношение амплитуды  ИМД-3  к амплитуде одного тона частотой f1  или f2) будет равно 34дБ -  (норма).

  Допустим, ККИ-3 передатчика (усилителя)  30 дБ. Это значит, что   при максимальной мощности  он работает в нелинейном режиме и эту мощность нельзя называть пиковой. Понизив же мощность возбуждения, можно получить ККИ-3  = 34 дБ, но при меньшей выходной мощности. Вот тогда эта мощность будет пиковой. Ну а если ККИ-3 = 45 дБ и более – это очень хорошая линейность, но передатчик (усилитель) в этом случае работает не на полную мощность, которая не достигает пиковой.  Можно увеличить мощность возбуждения, доведя  до ККИ-3 =34 дБ, выходная мощность увеличится до пикового значения, однако этот усилитель ещё будет удовлетворять требованиям, поскольку в этом случае нежелательные (паразитные) излучения ещё будут в норме (конечно, если возбудитель будет достаточно линейный).

    При ККИ-3 = 34 дБ передатчик (усилитель)  имеет предельную мощность, когда паразитные излучения ещё не превышают норму. Вот эту предельную мощность и называют пиковой - РЕР. Мы привыкли считать, что понятие пиковая мощность – РЕР применимо только к однополосной модуляции – SSB. Однако из статей иностранных авторов видно, что это понятие распространяется на все виды модуляции (таблица 1), и приводят такое определение пиковой мощности: « (PEP) The maximum power output by a radio transmitter over one complete RF cycle at any modulation». Конечно же, в нормальном, линейном режиме (когда ККИ-3 = 34 дБ).  

Как проверить и установить линейный режим передатчика (усилителя) с помощью двухтонального сигнала,  можно прочитать  здесь же, на этом сайте, в статье «Ещё раз о пиковой мощности».

  В. Костычев, UN8CB   г. Петропавловск. Казахстан.