Een caviteitsfilter, dat soms beschouwd wordt als een onnodige kost, is wel degelijk ALTIJD NODIG tussen de DAB+-zender en de antenne. Men kan niet zonder als men aan de wettelijke verplichtingen van een DAB+ zendinstallatie wil voldoen.
Men dient te weten dat bij DAB+ (C)OFDM als modulatiemethode gebruikt wordt. Voor de gemakkelijkheid laten we hier de beginletter “C” nog even weg. Deze letter staat voor “Coded” en heeft geen enkele relatie met het verplicht gebruik van het filter. Het is de OFDM-modulatie die oorzaak is van het feit dat een caviteitsfilter echt nodig is. Voor wie “modulatie” niet begrijpt, vermelden we dat dit een noodzakelijk proces is om informatie om te zetten in een signaal dat het mogelijk maakt de informatie te kunnen transporteren (hetzij via kabel of draadloos).
De OFDM-modulator levert het DAB+ basebandsignaal af (0 – 1540 kHz). Dit basebandsignaal dient nadien in het frequentiespectrum enkel verschoven te worden naar de eigenlijke zendfrequentie door de UP-CONVERTER. Je kan de OFDM-modulator vergelijken met de FM-modulator in een FM-zender. De modulator is meestal een onderdeel van de zender (ook het geval bij FM waar de FM-modulator in de zender te vinden is).
Naast de vele voordelen van OFDM heeft deze modulatie ook een bijzonder nadeel. Het OFDM-basebandsignaal, afgeleverd door de OFDM-modulator, heeft nml. een zeer hoge “Crest-factor” of hoge PAPR (Peak to Avergage Power Ratio). De “Up-Converter” verschuift dit signaal, inclusief de pieken, naar de ingang van de powerversterker.
Eenvoudig gezegd: het door de OFDM-modulator afgeleverd DAB(+) zendsignaal kan enorm grote pieken bevatten die de zender serieus kunnen oversturen.
Voor de echte techneuten willen we vermelden dat de “Crest-factor” van een wisselspanningsignaal de verhouding is van de hoogste piekwaarde (piekspanning) van het signaal t.o.v. de RMS-waarde van de wisselspanning (kwadratisch gemiddelde van de wisselspanning). Deze verhouding wordt logarithmisch uitgedrukt in dB. Voor spanning wordt
20 * LOG (piek waarde / RMS-waarde) gebruikt.
Voor OFDM (de modulatiemethode gebruikt voor DAB+ kan men zich indenken dat op een gegeven moment ALLE draaggolven de maximale of minimale waarde hebben. Theoretisch heeft men dan een Crest-factor van: 10 * log(2N)
Hier is N gelijk aan 1536 (het aantal gebruikte draaggolven in DAB+ Mode I). Dit resulteert in een Crest-factor van 10 * log (3072) = 34,87 dB. In de praktijk zal men echter voor een DAB+ zender een waarde van 13 dB hanteren.
(Bron: Rohde & Schwarz DAB Application Note – Transmitter Measurements for Acceptance, Commisioning an Maintenance – 3.1.2 Crest Factor pag. 10).
LET OP: 13dB komt overeen met een factor van bijna twintig! Je kan in de praktijk geen zender uitsturen met slechts 1/20 van zijn vermogen! Meestal hanteert men 1/4. Het risico op oversturing van een DAB(+) zender blijft dus nog steeds een hoog risico en dus blijft een filter absoluut noodzakelijk.
PAPR is eigenlijk identiek, maar dan voor het vermogen van een signaal. Deze waarde wordt eveneens uitgedrukt in dB. Gezien P = V²/R (toepassen wet van Ohm) weten we dat het vermogen overeenkomt met V². Voor vermogen wordt
10 * LOG (piekvermogen / gemiddeld vermogen) gebruikt.
Waarmee kunnen we dit fenomeen vergelijken?
Iedere lokale radio kent wel het fenomeen van pieken in de audioniveaus. Iedereen die met geluid bezig is, zal ooit wel eens het probleem van audio oversturing meegemaakt hebben (bv: VU-meters in het rood). Het resultaat van oversturing is (harmonische) vervorming. Om dit op te lossen verminderen we het audioniveau of gebruiken we audiolimiters en audiocompressors.
Met DAB+ hebben we dit probleem nu ook met het uitgangssignaal van de OFDM-modulator in de DAB+ zender.
Wat is de oorzaak van deze pieken?
Het feit dat het zendsignaal bestaat uit de som van 1536 individuele draaggolven, zorgt ervoor dat het zendsignaal varieert over een groot bereik (grote dynamiek). Iedere draaggolf kan (afhankelijk van zijn frequentie en de bits die moeten verstuurd worden) een waarde hebben die bijdraagt tot het maximum of het minimum van het signaal. De kans is dus heel groot dat er op bepaalde tijdstippen pieken te zien zijn. Wanneer veel draaggolven positief of negatief zijn, zal de som van alle draaggolven sterk positief of sterk negatief zijn. Meestal zullen positieve waarden en negatieve waarden in balans zijn, waardoor het signaal geen pieken bevat. Maar op ieder moment kan er zich een situatie voordoen waarbij een piek optreedt die veel groter is dan men gemiddeld van het signaal verwacht.
Men kan dit beperken door bepaalde CFR-algoritmes (CFR = Crest Factor Reduction) toe te passen. CFR-technieken zijn vrij complex en zou ons te ver leiden. Wij verwijzen geïnteresseerden daarvoor naar internet waar over CFR toch wel wat uitleg te vinden is. We willen er wel op wijzen dat men bij de specificaties van een DAB(+) zender, soms bepaalde specificaties kan zien opduiken die betrekking hebben op PAPR.
Een methode die er kan voor zorgen dat de zender niet overstuurd wordt bij grotere pieken, is natuurlijk het niveau van het signaal laag houden. Daarvoor wordt de eindversterker van de zender meestal tot slechts 25% uitgestuurd, zodat er ruimte blijft voor eventuele pieken. Men vermijdt hierbij dat de zender overstuurd geraakt. Het oversturen van de zender heeft het opwekken van harmonischen tot gevolg. Deze meestal sterke harmonischen kunnen naburige DAB(+) blokken storen.
Stiekem het zendervermogen gaan verhogen om er meer power uit te krijgen, is bij DAB+ dus absoluut “uit den boze”. Het enige wat men zal bereiken, is een slecht DAB+ signaal dat door de ontvanger steeds moeilijker te decoderen valt. Hoger vermogen zal ook het caviteitsfilter sterk opwarmen. Deze nutteloze verwarming van de caviteiten, die de harmonische zendenergie uit het zendsignaal halen en omzetten in warmte, betaal je later via je energiefactuur. Dus zeker NOOIT DOEN !
In de praktijk stuurt men een 1200 Watt zender slechts uit tot een uitgangsvermogen van maximaal 400 Watt. Zo voorkomt men dat de zender eindtrap over de limiet gaat bij eventuele pieken. Als deze pieken grotendeels kunnen vermeden worden, zal ook het opwekken van vervorming van het zendsignaal en de daarbijhorende harmonischen verminderen. De caviteit is hoe dan ook nodig en zorgt dat bij een kortstondige oversturing van de zender, de harmonischen onderdrukt worden zodat nabij gelegen DAB+ blokken daar geen hinder van ondervinden.
Door zorgvuldig het oversturen van de zendertrap te voorkomen, zal het caviteitsfilter slechts een kleine hoeveelheid harmonische energie omzetten in warmte (het opwarmen van het caviteitsfilter). Uiteindelijk kan men hierdoor een besparing realiseren op de elektriciteitsfactuur.
Het diagram toont het DAB(+) signaal met en zonder het filter