home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HAM Radio 1 / HamRadio.cdr / tech / amnoise / amnoise.txt
Text File  |  1987-09-18  |  15KB  |  256 lines

  1.                          Simple Method used at KCRW  
  2.           to minimize Synchronous AM Noise in FM Transmitters.      
  3.       
  4.     Over the past several years there have been a number of articles  
  5.     and papers on minimizing the effects of AM noise in FM   
  6.     transmitters.  I am sure that by this point the majority of   
  7.     working Broadcast Engineers are aware of the effects of  
  8.     mistuning or narrowband tuning of FM transmitters.  Increased  
  9.     crosstalk and/or multipath are the resultant problems.   
  10.  
  11.     The one common thread that the authors of these articles have  
  12.     stressed is to measure the Amplitude Modulated portion of the  
  13.     signal using a "precision envelope detector".   There have been  
  14.     few suggestions as to whose unit to use or even possible sources  
  15.     for these devices.   They are not commonly found in Broadcast  
  16.     facilities or through the common Broadcast Equipment vendors.  
  17.     At the 1986 SBE National Convention in St Louis, this subject  
  18.     was discussed again by Geoff Mendenhall of Broadcast  
  19.     Electronics.   He suggested that such a device should introduce  
  20.     a VSWR of less than 1.06:1.   He further stated that the  
  21.     Modulation Monitors in general use are not accurate enough for  
  22.     proper measurement of Synchronous AM Noise in FM transmitters.  
  23.     At the same conference, this subject came up again during a  
  24.     panel discussion.   A suggestion was made from the audience by  
  25.     John (J.D.) Strahler of KTMS, Santa Barbara CA.    He felt that  
  26.     the simplest means to tune for minimum incidental (Bandwidth   
  27.     related) AM noise in an FM transmitter was to monitor the output  
  28.     of the forward sample diode on the transmitter output  
  29.     directional coupler with an audio amplifier and speaker.  
  30.     The physics of the subject are simple.  Any variations in the  
  31.     amplitude of the carrier detected by the sampling diodes will be  
  32.     carried on the rectified RF (which is to all practical purposes  
  33.     DC) and can easily be used to determine the "relative level" of  
  34.     the Synchronous AM Noise in an FM transmitter.  
  35.     The suggestion struck me as extermely sensible and I decided to  
  36.     try this method.   I will detail the results of this trial.  
  37.  
  38.  
  39.                                                     AM noise        pg 2.  
  40.  
  41.     KCRW operates with an ERP of 6900 Watts at 1100ft AHAAT.  The  
  42.     antenna is a HARRIS (ERI) FMH-2AE 2 bay fed using 3" air  
  43.     dielectric co-axial cable.   The FM transmitter is a CSI  
  44.     FM12000E operated with a TPO of 7410 Watts.   This transmitter  
  45.     is a two tube transmitter with a grounded-grid final tube.  The  
  46.     tubes are a 3CX10,000A7 final and a 5CX1500B driver.  The   
  47.     exciter is use is a HARRIS MX-15.  This exciter is backed up by  
  48.     a HARRIS MS-15 on hot standby.  KCRW operates in Stereo with  
  49.     subcarrier tenants on both 67KHz (voice & music) and 92KHz  
  50.     (9600bps data.)   
  51.  
  52.     At KCRW we have been tuning for minimum AM noise for quite some  
  53.     time.   The first step in the tuning is to set the tuning for  
  54.     minimum observed reflected between the exciter and the  
  55.     transmitter input.    We know from long experience that the most  
  56.     critical tuning is the input tuning of the transmitter (input of  
  57.     the 5CX1500B).    The normal method that we use at KCRW for  
  58.     monitoring AM noise out of the transmitter is the RCA BW75 Main  
  59.     chan and BW85 Stereo/test set monitors.   Though these monitors  
  60.     say RCA on the nameplate they are also known as the FMM-1 and  
  61.     FMS-1 by BELAR.   It is fair to say that they are in common use.  
  62.  
  63.     The RF input to the FM Modulation Monitor/Test Set is taken from  
  64.     an RF tap on the PHELPS-DODGE Directional coupler that was  
  65.     provided with the transmitter.  The RF tap is variable and is  
  66.     set to the minimum point.   The coupler is installed after the  
  67.     transmitter output low pass filter.   This filter is considered  
  68.     by the FCC to be a part of the transmitter.   Sampling at the  
  69.     output of the filter prevents the harmonics normally found in  
  70.     the PA from causing inaccurate readings of AM Noise.  
  71.     Connecting the Modulation Monitor to the PA sample point may  
  72.     cause inaccuracies in AM Noise readings as well as Modulation  
  73.     percenage.   The placement of the sample coupler prior to the  
  74.     low pass filter will cause similar inaccuracies.   
  75.  
  76.     We measured the output of the tap (at minimum setting) at 0.48  
  77.     Watts into 50ohms resistive.   The feed cable to the monitors is  
  78.     RG58-U in two pieces of 12ft each with a "BNC" "tee" between  
  79.     them to allow us to connect a Spectrum Analyzer for measurements  
  80.     of transmitted spectra.   This cable also drives (through  
  81.     isolation/loss pads) test or monitor receivers belonging to our  
  82.     subcarrier tenants.   
  83.  
  84.  
  85.                                                     AM Noise        pg.3   
  86.  
  87.     The design of the Phelps-Dodge directional coupler is  
  88.     particularly well suited to easy connection of a speaker amp to  
  89.     either directional coupler output.  The directional coupler  
  90.     diodes are contained in an assembly that is "N" male at the end  
  91.     where it connects to the sample line on the "inline coupler" and  
  92.     "BNC" female at the end used to drive the meter (output of the  
  93.     diode).  
  94.  
  95.     I simply installed a "BNC" "tee" between the output of the diode  
  96.     assembly and the cable to the transmitter forward power meter.  
  97.     I then connected another length of RG58-U to the tee and at the  
  98.     opposite end I used an adapter from "BNC" to 1/4in male phone to   
  99.     connect it to the input of a FOSTEX 6301 speaker/amp assembly.     
  100.     The simple method of tuning for minimum Incidental AM noise  
  101.     described above is ideal for the "working engineer".   It does  
  102.     not require any unusual or elaborate test equipment.   It can be  
  103.     done without any interruption of normal station operations.  
  104.     The tests we made at KCRW to verify this method of tuning for  
  105.     minimum Incidental AM Noise were empirical in nature.   The  
  106.     tests were done with the normal KCRW programming on the air.  
  107.  
  108.     They are described in greater detail in the following text.  
  109.     KCRW FM 89.9MHz is licensed to Santa Monica CA with a  
  110.     transmitter located in the "Santa Monica Mountains" above West   
  111.     Hollywood CA.   One of the translators operated by KCRW is  
  112.     licensed to Ventura California.   This translator is located  
  113.     about 50 miles west of the KCRW transmitter site.   W. "Dow"  
  114.     Jones is an engineer for one of the Ventura CA stations and is  
  115.     under contract to KCRW to maintain the Ventura translator.   He  
  116.     has an SCA/Main receiver at his residence (15 miles from the  
  117.     translator) where he receives an adequate signal.  
  118.  
  119.     We co-ordinated these tests so that he listened to the level of  
  120.     crosstalk from the KCRW programming into the (67KHz) Subcarrier  
  121.     while the transmitter tuning was varied.   The subcarrier  
  122.     receiver used for these tests was a Johnson DTR-6 tuned for the  
  123.     translator output frequency of 89.1 and receiving a subcarrier  
  124.     of 67KHz.   The programming on the subcarrier is simultaneous  
  125.     real-time translation into Russian of various Network TV  
  126.     programs.   It is a subscription service operated by expatriate  
  127.     Soviet Jews.   The nature of the subcarrier programming  
  128.     was ideal for the listening required for these tests.  
  129.  
  130.  
  131.                                                      AM Noise        pg. 4   
  132.  
  133.     The point of minimum program audio level out of the test speaker  
  134.     was also at the point of minimum crosstalk of KCRW program into  
  135.     the Subcarrier on the receiver in Ventura CA.   It was  
  136.     simultaneously the point of minimum crosstalk from the 92KHz  
  137.     data bursts into the 67KHz receiver.   The point at which the  
  138.     level of the program audio out of the speaker was minimum  
  139.     differed from the point of minimum AM indicated on the RCA/Belar  
  140.     FM Monitor(s).   At the point of minimum level from the speaker,  
  141.     both the incidental and continuous AM noise, as indicated on the  
  142.     BW85 (-48dB), were about 8db higher than the minimum reading  
  143.     when the transmitter was tuned based on the indications from the  
  144.     RCA/BELAR Modulation Monitors (-56dB).  
  145.  
  146.     KCRW also has a QEI 691-02 modulation monitor.   We do not use  
  147.     the QEI for AM noise measurements.   The QEI AM Noise readings  
  148.     are about 10dB worse than those on the RCA/BELAR.   I believe  
  149.     that the readings on the QEI are that much less accurate.    
  150.     At the point of minimum program audio on the speaker, the  
  151.     continuous components of the AM noise remain.   The residual hum  
  152.     from ripple components in the transmitter power supplies are  
  153.     clearly audible.   Given the proper instruments, the individual  
  154.     hum components may be identified and, working with the  
  155.     transmitter manufacturer, decreased.   As John Strahler of KTMS  
  156.     stated to me in a letter, "..it also makes it very easy to  
  157.     locate a rectifier stack gone sour."  
  158.  
  159.     I chose to perform this test through the translator as a "worst  
  160.     case" test and was gratified to discover that, in Ventura, the  
  161.     level of crosstalk from KCRW programming (main and stereo  
  162.     subchannel) into our 67KHz subcarrier was not a function of the  
  163.     translator.   The TTC XL10FM series translator passed on the  
  164.     KCRW signal unchanged, including the main transmitter generated  
  165.     crosstalk components.  
  166.  
  167.     I have taken the time to verify similar crosstalk performance on  
  168.     the main KCRW signal using the same model SCA receiver at my  
  169.     residence.   I am lucky enough to have excellent reception at my   
  170.     home.   The reception is so good that I am able to receive a  
  171.     KCRW signal (albiet a noisy one) from exciter leakage through  
  172.     the transmitter when the transmitter fails.   (An outside  
  173.     antenna does help!)  This is over a distance of 8 miles.   
  174.  
  175.  
  176.                                                     AM Noise        pg. 5   
  177.  
  178.     The further proof was in observations that I made of station  
  179.     reception on the radio in my personal automobile.   There is a  
  180.     section of Interstate highway that I drive daily where I had  
  181.     observed a "problem area" of about 3 miles length.   For those  
  182.     of you familiar with Los Angeles it is I405 between I10 and  
  183.     Sunset Blvd.   While it is about 5 miles from the transmitter,  
  184.     there are high buildings in the near vicinity.   In this area I  
  185.     heard a whistle (high frequency tone) directly related to the  
  186.     presence of either subcarrier (worse with both subcarriers  
  187.     present) on the radio.   It had been evident in this area ever  
  188.     since the subcarriers were installed and tested.  
  189.  
  190.     The problem is due in part to multipath distortion.   If you are  
  191.     unfamiliar with multipath, it is simply the summation of two (or  
  192.     more) received signals, one delayed in time from another  
  193.     (others.)   One of the signals is direct and the other  
  194.     reflected.   The direct may not be the stronger signal.   The  
  195.     analogy can be drawn to "TV ghosting" or standing wave problems.  
  196.     It can be evidenced by a "tearing" or "picket fencing" of the  
  197.     signal as you drive through an area.   In some cases the result  
  198.     can be nearly complete loss of signal (picket fencing.)   In  
  199.     others it is a loss of carrier but not sidebands (tearing.)  In  
  200.     some cases, particularly with clock radios in apartment  
  201.     buildings, the opening or closing of a nearby refrigerator door   
  202.     may result in a complete loss of the desired signal.  
  203.  
  204.     As is typical of problems related to multipath distortion, the  
  205.     problem came and went as I drove along this stretch of freeway.   
  206.     After the alternate method of tuning the transmitter was used,    
  207.     was very pleasantly surprised to find that the problem area was  
  208.     nearly gone.   There are now only two short stretches of about  
  209.     100ft each where the problem with the whistle is still evident.  
  210.     now use that section of road as a daily check on the operation  
  211.     of the station.   Whenever the problem is present, we now check  
  212.     for some transmitter deficiency or, at the minimum, improper   
  213.     tuning.  
  214.  
  215.  
  216.                                                     AM Noise        pg. 6   
  217.  
  218.     With this in mind, I will speculate on the mechanism that caused  
  219.     the problems with reception on the radio in my automobile.   The  
  220.     mistuning of the transmitter caused the transmitter bandpass (or  
  221.     the bandpass of the mistuned stage) not to be centered on the  
  222.     KCRW carrier.   When modulation was applied, the result was non-   
  223.     symmetrical sidebands.   The absence of sidebands on one side of   
  224.     an fm carrier is received as distortions of the original signal.   
  225.  
  226.     The mistuning of the transmitter had a more severe effect on the   
  227.     subcarriers as the sidebands generated by the subcarriers fall  
  228.     further from carrier center.   The result of any mistuning of   
  229.     the transmitter appears at the receiver as an insidious type of   
  230.     intermodulation distortion.   The presence of additional   
  231.     distortions in the form of multipath bring the first distortion  
  232.     into clearer focus.  (a multiplicative effect)  Correct tuning  
  233.     of the transmitter bandpass alleviates much of the perceived   
  234.     problem with reception.     
  235.  
  236.     These results fit the conclusions of Geoff Mendenhall of B.E.  
  237.     that the point of minimum AM noise may not be at the point  
  238.     indicated by the Modulation Monitor/test set.   They further  
  239.     suggest a simple means to verify the proper tuning of an FM  
  240.     transmitter.   It makes use of items commonly found at a  
  241.     transmitter site or readily available at most FM Broadcast   
  242.     stations.    
  243.  
  244.     This method of tuning for minimum Incidental AM noise is ideal   
  245.     for the "working engineer".  It can be done without any   
  246.     interruption of normal station operations.  It requires no  
  247.     expensive or unusual test equipment and makes use of nearly   
  248.     every Broadcast Engineer's most useful tools - hearing and   
  249.     judgement.   
  250.  
  251.     We are continuing to operate the transmitter tuned as per the  
  252.     above method for minimum AM noise based on the tests above.     
  253.     have sent a copy of this letter to a few others for review and  
  254.     comments.  Should you have any contradictory findings let me   
  255.     now.  ì
  256. PN