Επιλεκτικότητα και Ευαισθησία στους Δέκτες NBFM: Θεμελιώδεις Παράμετροι Απόδοσης
Περιεχόμενα
Στο πλαίσιο των ασύρματων επικοινωνιών, η ποιότητα και οι επιδόσεις ενός δέκτη συνιστούν καθοριστικούς παράγοντες για την αξιοπιστία και αποδοτικότητα του συστήματος. Στη διαμόρφωση συχνότητας στενής ζώνης (Narrowband Frequency Modulation – NBFM), ιδιαίτερη σημασία αποδίδεται σε δύο κρίσιμες παραμέτρους: την επιλεκτικότητα (selectivity) και την ευαισθησία (sensitivity) του δέκτη. Η επιλεκτικότητα καθορίζει την ικανότητα του δέκτη να διακρίνει το επιθυμητό σήμα από παρεμβολές σε γειτονικές συχνότητες, ενώ η ευαισθησία εκφράζει την ελάχιστη ισχύ σήματος που απαιτείται για την αξιόπιστη ανίχνευση και αποκωδικοποίησή του. Οι παράμετροι αυτές επηρεάζουν άμεσα τη συνολική απόδοση του δέκτη, ειδικά σε περιβάλλοντα με υψηλή πυκνότητα φασματικής συμφόρησης και χαμηλά επίπεδα σήματος.
Επιλεκτικότητα
Η επιλεκτικότητα ενός δέκτη στενής ζώνης διαμόρφωσης συχνότητας (NBFM – Narrowband Frequency Modulation) ορίζεται ως η ικανότητά του να απομονώνει και να λαμβάνει ένα επιθυμητό σήμα, απορρίπτοντας παράλληλα ανεπιθύμητα σήματα που βρίσκονται σε παραπλήσιες συχνότητες. Η παράμετρος αυτή είναι κρίσιμη σε περιβάλλοντα ραδιοεπικοινωνιών με υψηλή φασματική πυκνότητα, όπου πολλαπλά σήματα εκπέμπονται σε γειτονικά κανάλια.
Η επιλεκτικότητα καθορίζεται κυρίως από τα χαρακτηριστικά των φίλτρων RF (Radio Frequency) και IF (Intermediate Frequency) που ενσωματώνονται στον δέκτη, καθώς και από το εύρος ζώνης του. Ικανοποιητικά επίπεδα επιλεκτικότητας επιτρέπουν την αποτελεσματική απόρριψη παρεμβολών από γειτονικά κανάλια (adjacent channel interference), μειώνοντας τον θόρυβο και βελτιώνοντας την ποιότητα του σήματος εξόδου. Η επίδοση αυτή μετράται συχνά ως λόγος ισχύος μεταξύ επιθυμητού και ανεπιθύμητου σήματος σε προκαθορισμένη διαφορά συχνότητας.
Μέτρηση της Επιλεκτικότητας
Για να μετρηθεί η επιλεκτικότητα ενός δέκτη, χρησιμοποιείται η εξής διαδικασία:
Απαιτούμενος Εξοπλισμός
- Δύο γεννήτριες RF για παραγωγή του επιθυμητού και ανεπιθύμητου σήματος.
- Διάταξη σύζευξης (Τ) για ανάμειξη των δύο σημάτων στην είσοδο του δέκτη.
- Φίλτρο αποκοπής 1 kHz για απομόνωση του σήματος εξόδου.
- Ψοφόμετρο (μετρητής στάθμης ήχου) για ανάλυση του σήματος εξόδου.
Διάταξη: Γεννήτριες – δέκτης – φίλτρο αποκοπής – ψοφόμετρο.
Διαδικασία Μέτρησης
Ρύθμιση του επιθυμητού σήματος:
Αρχικά, εφαρμόζεται μόνο το επιθυμητό σήμα με τη συχνότητα λήψης του δέκτη, διαμορφωμένο με 1000 Hz και απόκλιση 60% της μέγιστης επιτρεπόμενης.(κανονική διαμόρφωση δοκιμής)
Η στάθμη του επιθυμητού σήματος ρυθμίζεται στη μέγιστη χρησιμοποιήσιμη ευαισθησία, ώστε ο λόγος SINAD:
(σήμα+θορυβο+παραμόρφωση, προς θόρυβο και παραμόρφωση) στην έξοδο του δέκτη να είναι 20 dB.
Σημείωση για τις μετρήσεις RF:
Σύμφωνα με το πρότυπο CEPT/ERC 74-01E (πρώην CEPT-17) , οι στάθμες των σημάτων RF εκφράζονται ως Ηλεκτρεγερτική Δύναμη Η.Ε.Δ. ( E.M.F – Electromotive Force).
Στις τεχνικές προδιαγραφές του Π/Δ, οι στάθμες εκφράζονται ως τάση σε τερματισμό 50Ω (I.E.C.60315) και είναι κατά 6 dB μικρότερες από τις αντίστοιχες του CEPT/ERC 74-01E.
Ρύθμιση του ανεπιθύμητου σήματος:
Στη συνέχεια, εφαρμόζεται και το ανεπιθύμητο σήμα στη συχνότητα του γειτονικού καναλιού, διαμορφωμένο με 400 Hz και απόκλιση 60% της μέγιστης επιτρεπόμενης.
Η στάθμη του ανεπιθύμητου σήματος αυξάνεται μέχρι ο λόγος SINAD στην έξοδο του δέκτη να πέσει από 20 dB σε 14 dB.
Η μέτρηση επαναλαμβάνεται και για το πάνω και για το κάτω γειτονικό κανάλι.
Υπολογισμός Επιλεκτικότητας:
Με άλλα λόγια όταν η στάθμη του επιθυμητού σήματος στην είσοδο του δέκτη είναι π.χ. 1 μV για να έχω στην έξοδο λόγο SINAD 20 dB και αν αυτός ο λόγος χαλάσει κατά 6dB, δηλαδή πέσει στα 14 dB λόγω της παρουσίας ανεπιθύμητου σήματος RF στο διπλανό πάνω ή κάτω κανάλι, τότε μετράμε την στάθμη του RF ανεπιθύμητου σήματος και ο λόγος αυτής της στάθμης ως προς 1 μV (στάθμη επιθυμητού σήματος) εκπεφρασμένος σε dB είναι η επιλεκτικότητα του γειτονικού καναλιού.
Για παράδειγμα, αν το επιθυμητό σήμα στην είσοδο είναι 1 μV και το ανεπιθύμητο σήμα εισόδου στο γειτονικό κανάλι απαιτείται να φτάσει στα 50 μV για να υποβαθμίσει τον λόγο SINAD στην έξοδο του δέκτη κατά 6dB, τότε η επιλεκτικότητα θα είναι:
20 log(50 / 1) = 34 dB (log 50 ≈ 1,698)
Η τελική επιλεκτικότητα γειτονικού καναλιού είναι η μικρότερη τιμή από τις δύο μετρήσεις (πάνω και κάτω γειτονικό κανάλι).
Αφού εξετάσαμε πώς η επιλεκτικότητα επηρεάζει την ικανότητα ενός δέκτη να απομονώνει το επιθυμητό σήμα από γειτονικές παρεμβολές, είναι εξίσου σημαντικό να κατανοήσουμε και την ευαισθησία.
Η ευαισθησία προσδιορίζει τη χαμηλότερη ένταση σήματος που μπορεί να ανιχνεύσει ο δέκτης και να την αναπαράγει με αποδεκτή ποιότητα. Οι δύο αυτές παράμετροι λειτουργούν συμπληρωματικά και είναι καθοριστικές για την επιλογή δέκτη σε περιβάλλοντα με χαμηλά σήματα ή έντονο φάσμα δραστηριότητας.
Eυαισθησία
Η ευαισθησία του δέκτη είναι η ελάχιστη στάθμη σήματος στην καθορισμένη συχνότητα λήψης που απαιτείται ώστε η έξοδος του δέκτη να έχει ένα αποδεκτό λόγο σήματος προς θόρυβο και παραμόρφωση. Με άλλα λόγια, είναι το όριο κάτω από το οποίο ο δέκτης αδυνατεί να ξεχωρίσει το σήμα από τον θόρυβο.
Μέθοδοι μέτρησης της ευαισθησίας
Υπάρχουν διαφορετικά πρότυπα για τον καθορισμό αυτής της μέτρησης:
1. Κατά CEPT/ERC 74-01E (πρώην CEPT-17) (Ευρωπαϊκό Πρότυπο):
Ορίζεται ως το ελάχιστο σήμα εισόδου που επιτρέπει στην έξοδο έναν λόγο SINAD 20dB.
2. Κατά I.E.C 60315. (Διεθνές Ηλεκτροτεχνικό Πρότυπο):
Ορίζεται ως το ελάχιστο σήμα εισόδου που επιτρέπει στην έξοδο έναν λόγο SINAD 12dB.
3. Κατά Quieting – Στάθμη προς Θόρυβο (S/N) = 20 dB:
Σε αυτή την περίπτωση το σήμα θεωρείται αδιαμόρφωτο, επομένως δεν υπάρχει παραμόρφωση (Π).
Αν και αυτή η μέθοδος απέδιδε καλύτερες τιμές ευαισθησίας στους δέκτες, εγκαταλείφθηκε καθώς δεν ήταν αντικειμενική.
Σύγκριση των προτύπων CEPT/ERC 74-01E και I.E.C. 60315
Υπάρχει διαφορά 8 dB μεταξύ των δύο αυτών προτύπων, που σημαίνει ότι ένας δέκτης με ευαισθησία 0,5 μV κατά I.E.C. 60315 είναι ισοδύναμος με έναν δέκτη με ευαισθησία 1,25 μV κατά CEPT/ERC 74-01E, καθώς:
20 log(1.25 / 0.5) = 8 dB
Ψοφομετρική διόρθωση
Η μέτρηση της ευαισθησίας γίνεται με ψοφομετρικό φίλτρο, το οποίο λαμβάνει υπόψη τη χαρακτηριστική απόκριση του ανθρώπινου αυτιού, ώστε να είναι πιο αντιπροσωπευτική της πραγματικής ακουστικής εμπειρίας.
Τυπικές Τιμές Επιλεκτικότητας και Ευαισθησίας για Δέκτες NBFM
| ΠαρAμετρος | ΤΥΠΙΚΗ ΤΙΜΗ | ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ / ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ |
|---|---|---|
| Ευαισθησία (12 dB SINAD) | 0.20 – 0.35 μV | @ 12 dB SINAD, 1 kHz deviation, 1 kHz AF, 50Ω input |
| Ευαισθησία (BER 1%) | -116 έως -120 dBm | Ψηφιακή μετρολογία, για συστήματα με FEC |
| Επιλεκτικότητα (±6.25 kHz) | ≥ 60 dB | Adjacent Channel Selectivity @ ±6.25 kHz απόκλιση |
| Επιλεκτικότητα (±12.5 kHz) | ≥ 70–75 dB | Narrowband, 12.5 kHz κανάλωση |
| Επιλεκτικότητα (±25 kHz) | ≥ 80 dB | Wideband, για σύγκριση με παλαιότερους δέκτες |
| AF Signal-to-Noise Ratio | ≥ 45–55 dB | @ 1 kHz modulation tone, 3 kHz deviation |
| Intermodulation Rejection | ≥ 65–75 dB | Συνήθως μετράται με δύο ανεπιθύμητα σήματα σε ±±400 kHz |
| Spurious Response Rejection | ≥ 70–80 dB | Προστασία από ανεπιθύμητες λήψεις εκτός ζώνης |
Οι παραπάνω τιμές είναι ενδεικτικές και μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τον τύπο δέκτη (π.χ. φορητός, σταθερός, SDR) και τον κατασκευαστή.
Τα περισσότερα επαγγελματικά πρότυπα (π.χ. ETSI EN 300 086 για PMR) απαιτούν επιλεκτικότητα >60 dB σε adjacent channels.(γειτονικά κανάλια )
Η ευαισθησία μετριέται συνήθως με 12 dB SINAD, που αντιπροσωπεύει αποδεκτή ποιότητα ήχου σε αναλογικούς δέκτες.
Στους σύγχρονους SDR δέκτες, η ευαισθησία εξαρτάται και από την ψηφιακή επεξεργασία σήματος (DSP), όχι μόνο από το RF front-end.
Συμπεράσματα
Η κατανόηση και η ακριβής μέτρηση των βασικών παραμέτρων επιλεκτικότητας και ευαισθησίας αποτελούν θεμελιώδη κριτήρια για την τεχνική αξιολόγηση και τη σωστή επιλογή ενός δέκτη NBFM, ανάλογα με τις απαιτήσεις του ραδιοσταθμού. Η επιλεκτικότητα προσδιορίζει την ικανότητα του δέκτη να απομονώνει το επιθυμητό σήμα από παρεμβολές σε γειτονικές συχνότητες, διασφαλίζοντας αξιόπιστη λήψη ακόμη και σε περιβάλλοντα υψηλής φασματικής συμφόρησης. Αντίστοιχα, η ευαισθησία εκφράζει τη χαμηλότερη στάθμη ισχύος εισερχόμενου σήματος που μπορεί να ανιχνευτεί και να αποδιαμορφωθεί με αποδεκτή ποιότητα.
Και οι δύο αυτές παράμετροι είναι κρίσιμες για τη συνολική απόδοση ενός δέκτη στενής ζώνης, καθώς επηρεάζουν άμεσα τη συμπεριφορά του σε συνθήκες αδύναμου σήματος ή έντονης παρεμβολής. Η πλήρης κατανόηση αυτών των χαρακτηριστικών επιτρέπει στον ραδιοερασιτέχνη ή στον τεχνικό να συγκρίνει αντικειμενικά διαφορετικά μοντέλα και να επιλέγει εξοπλισμό βάσει τεκμηριωμένων προδιαγραφών, και όχι εμπειρικά.
Η αναφορά και η συμμόρφωση με διεθνή πρότυπα μέτρησης, όπως τα CEPT/ERC Recommendation 74-01E (πρώην CEPT-17) και IEC 60315, προσφέρουν ένα ενιαίο και συγκρίσιμο πλαίσιο αξιολόγησης. Μέσω αυτών, οι τεχνικές προδιαγραφές αποκτούν μετρήσιμη αξία και διευκολύνουν τη συγκριτική ανάλυση μεταξύ δεκτών διαφορετικών κατασκευαστών.
Τελικά, η επιλογή δέκτη δεν πρέπει να είναι θέμα τύχης, αλλά αποτέλεσμα γνώσης, τεχνικής ανάλυσης και συμμόρφωσης με διεθνώς αποδεκτά κριτήρια.
