1 Lösungsansätze

1.1      Dynamikbereich

Logarithmische Verstärker wie der AD8307 lassen mit einem nutzbaren linearen Dynamikbereich von ca. -60 bis +10dBm unsere Dioden ziemlich alt aussehen, wie die Überschlagsrechnung ohne Einschränkungen infolge einer begrenzten Richtschärfe zeigt:

  Transmission Reflexion
Leistung 100W 50dBm 0,001W 0dBm
Kopplungsfaktor   -28dB   -28dB
Auskopplung   22dBm   -29dBm
Abschwächer   12dB   12dB
Log Amp Eingang   10dBm   -40dBm
VSWR   1,01    

Tab. 1.1: Beispielrechnung zur Messdynamik.

Dabei ist mit -40dBm der Dynamikbereich nach unten noch gar nicht ausgereizt.

1.2      Messung der Peak envelope Power (PEP)

Zur Ermittlung der Peak envelope Power (PEP) findet man zumeist Sample&hold-Schaltungen mit zwei Operationsverstärkern, wobei der erste niederohmig einen Kondensator auflädt und der zweite hochohmig die Ladespannung über eine festlegbare Zeitkonstante abgreift.

Die Peak envelope Power (Hüllkurvenspitzenleistung) ist nach Wikipedia die mittlere hochfrequente Wirkleistung am Ausgang einer Sendeendstufe, während das modulierende Signal seinen Spitzenwert hat.

Peak envelope

Abb. 1.1: Relevante Größen eines Zweitonsignals.

Mit einem Scope lassen sich die relevanten Größen wie in Abb. 1.1 leicht messen. Die Peak envelope Power ergibt sich zu

Es geht also darum, die jeweils aktuelle Spitzenspannung des modulierten HF-Signals zu ermitteln, um daraus die Effektivspannung VRMS zu berechnen, nach Abb. 1.1 also der rot angedeuteten Peak envelope zu folgen. Bei einem reinen CW-Träger mit konstanter Amplitude wäre die Peak envelope eine Waagerechte, PEP und mittlere Leistung also identisch.

Da wir ohnehin einen Microcontroller mit ADC zur Verfügung haben, sollte die Messung der aktuellen Spitzenspannung Vp auch ohne Umweg über die o.a. Sample&hold-Schaltung gehen.

Der ADC im Transmissionskanal tastet das Signal über eine festgelegte Zeit nach der maximalen Amplitude ab. Mit den Einstellungen des Controllers:

Controller-Takt   16MHz
ADC-Teiler 128, damit ADC-Takt 125kHz
13 ADC-Takte für eine Messung ADC Sample rate 9,6kHz

Das sollte nach Nyquist ausreichen, das modulierte Sprachspektrum nach Spitzen abzutasten.

Erste Tests mit dem NF-Signal aus einem UKW-Radio zeigten eine brauchbare Übereinstimmung zwischen dem Spitzenwert auf dem Scope und der vom ADC gemessenen Spannung, soweit das Auge dem folgen konnte.

Messungen am TX-Zweitonsignal mit einem Log Amp AD8307 kamen freundlicherweise zu dem gleichen Ergebnis:
Eintonmodulation (HF-Träger mit einer festen Frequenz): z.B. 0,8W.
Zweitonmodulation wie in Abb. 1.1: 3,2W.

Die gleich großen Zweitonsignale erzeugen eine Schwebung mit doppelter Amplitude. Da die Spannung quadratisch in die Leistungsgleichung eingeht, muss die Verdoppelung der Spannung zu einer Vervierfachung der Leistung führen.

Ganz genau wird der Faktor 4 und damit eine präzise PEP-Messung infolge Quantisierungsfehlern im 10Bit-ADC des AVR nicht zu erreichen sein. Ein wackelndes ADC-Bit, entsprechend ca. 2,5mV bei einer Referenzspannung von 2,5V, hat wegen der Zehnerpotenz in der Berechnung von dBm aus der Kalibrierungsgeraden des Log Amps in die Watt-Anzeige schon merkbare Auswirkungen.