Radioamatérský občasník
cz OK1KMR & OK1CJB Jaroslav Janata Czech Republic QTH: Říčany Loc: JN79hx EPC: #1217 swl-@-ok1cjb.cz SWL: OK1-15 512 cz
Měření pomocí šumového generátoru a SDR
OK1DXD
03.12.2015
01330
 

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.011330 obr1Použitý 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.
011330 obr2
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:
011330 obr3

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
011330 obr5a011330 obr6a

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).
011330 obr7
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.
011330 obr8a011330 obr9a
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).
011330 obr10
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.
011330 obr11
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