0804 |
Měření pomocí šumového generátoru a SDR
|
autor: Tomáš OK1DXD
|
03.12.2015
|
Lehký úvod do VF měření pomocí SDR USB klíčenky a šumového generátoru
Doba, kdy jsme své home made zařízení nastavovali pomocí AVometu a
cejchovaného šroubováku je naštěstí již pryč. Metoda „max smoke“ tedy na
plný výkon bez přihlédnutí k jiným aspektům vedla obvykle k přetěžování
elektronických prvků a zřejmě i způsobila slutečnost, že radioamatéři
vstoupili nesmazatelně do povědomí širší veřejnosti jako urputní rušiči TV a
rozhlasového příjmu.
Kvalitní měřicí přístoje sice mají na sobě stále cenovku, za kterou by se
nemusel stydět špičkový tovární TRX, nebo dokonce vůz střední třídy, nicméně
díky poklesu cen spotřební elektroniky a využitím některých tradičních a v
moderní digitální éře neprávem pozapomenutých postupů lze často i v domácích
podmínkách dosáhnout slušných výsledků a jak říká jeden můj známý
radioamatér - „neprodat kvůli tomu barák“.
Jedním takovým je využití šumového generátoru – v měřící praxi známý
minimálně 70 let doplněného o spektrální analyzátor z populární SDR USB
klíčenky (cena v současné době tak cca 300Kč)
Spektrální analyzátor s SDR USB
zde mluvíme o jednoduchém SDR přijímači založeném na čipu RTL283, podle
použitého tuneru (já mám R820T) funguje v rozsahu 21MHz-1,7GHz.Použitý
software
V podstatě můžete použít standardní SDR software (například můj oblíbený
SDR#) ale rozsah měření bude omezen základním rozsahem 2MHz, což není pro
většinu potřebných měření dostatečné, proto budeme potřebovat program který
umí RX přeladit (sweep), nejlépe přes celý rozsah tedy 21-1700MHz. Já
používám software RTLSDR Scanner, oproti jednoduššímu SDR Panorama a
podobným se mnohem snadněji ovládá a má možnost nastavovat řadu parametrů,
skoro jako na opravdovém spektrálním analyzátoru. Program běží v prostředí
Python, jeho instalace je trochu obtížnější, je potřeba pozorně číst návod.
Kdo ale zvládnul naistalovat ovladače k SDR USB klíčence, jistě zvládne i
toto drobné úskalí a jako vždy, tak i tady se vyplatí si pešlivě přečíst
návod – mimochodem přehledný a velmi dobře zpracovaný…Zde popisované postupy
budou využitelné především v pásmech 24-28-50-70-144-432-1296MHz. Určitým
omezením je dynamický rozsah (< 50dB) daný použítým 8bit AD
převodníkem, ale co bychom chtěli za 10USD…
Co ještě budeme potřebovat?
Pro měření spektra a pásmových propustí, případně kmitočtové charakteristiky
vystačíme se šumovým generátorem a USB SDR klíčenkou. Pro měření antén (SWR)
budeme ještě potřebovat směrovou vazbu, nebo můstek.
Na obrázku vidíme (z leva doprava a zhora dolů): SDR USB přijímač, směrová
odbočnice, šumový generátor a odporový attenuátor 6dB a 40dB.
Šumový generátor
Zde pro mladší generaci (ano na to oslovení mám na to nárok, neboť už mám šedivé
fousy) přikládám základní popis. V podstatě šumí každý polovodičový přechod,
který pak po náležitém zesílením může být využit jako zdroj širokopásmového
šumu. V praxi se používají šumové (lavinové diody), v podstatě bude dobře
fungovat i zenerove dioda. Já jsem si hotový šumový generátor koupil na eBay –
obsahuje DC-DC měnič, který zvýší napájecí napětí 12V napětí tak, aby dioda
šuměla co s největším výkonem a pak následuje kaskáda tří SHF MMIC zesilovačů,
které zajistí šum až do kmitočtu několika GHz. Když porovnáte pořizovací cenu
500Kč (i s dopravou z Lidové Číny) s cenou těch tří zesilovačů, plošného spoje a
SMA konektoru, tak zjistíte že podobně jako v celé řadě i jiných případů se
opravdu nevyplatí ani vzít páječku do ruky...
Attenuator
Řízený útlumový článek je samozřejmé součástí všech profi spektrálních
analyzátorů, my si však zatím vystačíme s několika základními stupni (např. 6,
20, 40dB které můžeme zapojit sériově za sebe) zhotovených ze SMD odporů,
aplikací které vám spočítají velikost příslušných odporů je opět na internetu
habaděj….
Měřicí můstek, nebo směrová odbočnice
popis není součástí tohoto článku, pro neznalé doporučuji využít strejdu
Googla a vložit heslo „directional coupler“ dá se zhotovit i doma na
koleně, ale nepočítejte, že v pásmu nad 1GHz jednoduše dosáhnete dobrých
výsledků. Naštěstí opět na eBay jich najdete hromady a za slušnou cenu. Já s
důvěrou používám měřicí odbočnici od mé oblíbené firmy Minicircuits, pracuje
do 2GHz (tedy pokrývá rozsah SDR USB klíčenky a opět nestála moc).
Zde malé odbočení – protože SDR USB klíčenka není zpravidla vůbec stíněná, tak z
okolí a hlavně pak z počítač přes USB rozhraní do ní proniká celá řada
parazitních signálů. Já při měření odpojuji zdroj od notebooku – trochu se to
pak zlepší… Dá se to řešit tak, že si první scan „naprázdno“ uložíte do .xls a
takto získané hodnoty pak v Excelu jednoduše „odečtete“ od ostrých naměřených
dat a následně graficky zobrazíte, popis tohoto kalibračního postupu se vymyká
tématu článku, tak snad zase někdy příště.
USB SDR jako jednoduchý spektrální analyzátor
K tomu budeme potřebovat zmíněný program RTLSDR Scanner, popis by vydal na
samostatný článek, takže pozorně si nastudujte dokumentaci! Jako první pokus
připojíme přes attenuátor výstup obdélníkového signálu z TTL oscilátoru s
kmitočtem 48MHz. Na obrázku vidíme široké spektrum harmonických kmitočtů,
sudé harmonické mají nižší úroveň nežli liché, přesně podle teoretického
složení obdélníkového signálu:
Měření pásmových propustí
Druhým pokusem si ukážeme možnosti měření pásmových propustí. Na ukázku jsem
mezi šumový generátor a SDR USB klíčenku zapojil trojobvodový helical filtr
od firmy Temwell (určený pro pásmo 144-146MHz). Měřenou propust jednoduše
zapojíte mezi šumový generátor a SDR klíčenku tak jak je tomu zřejmé z
obrázku.
Výsledek (vlevo) prosím porovnejte s naměřeným průběhem na VNA (vpravo). VNA
má větší dynamický rozsah, tak i stopband je někde na -60dB. Ale ten můj VNA
(NWT) funguje jen do 350MHz, takže s klíčenkou nyní mohu měřit až k 1,7GHz
Měření SWR
zde využijeme směrovou odbočnici zapojenou mezi zdroj = šumový generátor a
výstup = Anténu. Na směrové vazbě pak máme připojený SDR USB analyzátor. (V
podstatě podobné měření jako je tomu u profi spektrálního analyzátoru s
tracking generátorem).
Nesmíme zapomenout, že vlastní odbočení má výrobcem definovaný útlum: v mém
případě je to -23dB a tak je potřeba i odpovídajícím způsobem zvýšit zisk
SDR USB přijímače. Pro porovnání opět výsledek měření získaný z VNA.
Měření koaxiálních kabelů
K tomuto měření budeme potřebovat spojku - „Téčko“ buďto BNC, nebo SMA podle
toho na které konektory jste zařízeni. Měření vychází ze známého faktu, že
vedení o délce lambda/4 transformuje impedaci tak, že rozpojené vedení se
chová jako zkrat a naopak. Takže například po zapojení rozpojeného koaxu se
na lichých násobcích kmitotu, kde se měřená impedance blíží 0 nachází
frekvence lamda/4. Toho podle známého vzorce (elektrická délka/mechanická
délka) můžeme využít ke stanovení zkracovacího činitele (velocity faktor).
Dále můžeme změřit impedanci neznámého koaxiálního kabelu tak, že na jeho
konec zapojíme odporový trimr 100ohm. Druhý konec připojíme k směrové
odbočnici (můstku) jako když jsme měřili SWR antény. Pak stačí protočit
trimrem a nastavit jej na minimální SWR, pak odpovídá impedance zátěže
vedení a následně změřit odpor trimru.
Zpracování výsledků
Zatímco profi měřicí přístroje se umí sami nakalibrovat a zobrazit na
displeji výsledky v mnoha grafických formátech, případně je posílat k
dalšímu zpracování přes GPIB rozhraní, tak v naše případě se musíme spokojit
s výstupem ze softwaru k SDR USB klíčence, který vidíme na displeji
počítač, nebo to bude vyžadovat trochu ruční práce, naštěstí nás jako v
mnoha jiných případech zachrání Excel. Program USB SDR Scaner umí export
naměřených údajů do formátu .CSV, který lze následně pohodlně zpracovat v
Excelu (např výše uvedená kalibrace, nebo grafické zobrazení výsledků)
Závěr
na těchto pár příkladech jsem chtěl ukázat, že v dnešní době lze s levným
SDR přijímačem v podobě USB klíčenky v radioamatérské praxi provádět celou
řadu užitečných měření a to až do kmitočtu 1,7 GHz, která dříve byla
dostupná na mnohem lépe vybavených pracovištích. To vše v zcela cenově
dostupné úrovni.
73 es GL
Tomáš, OK1DXD