Heterodyn kmitočtový analyzátor

Aktualizováno v prosinci 2019


Měření kmitočtového spektra analyzátorem, který pracuje na principu heterodynu


Úvod Levné analyzátory, pracující na principu heterodynu, např. Spectrometer LTDZ 35 MHz až 4 400 MHz pořídíme dnes nové do 1000,- Kč. Mnoho muziky s nimi nenaděláme. Též je nelze považovat za měřící přístroj, spíš za tzv. "udělátko". Jenže v amatérské praxi pořád platí, že lépe je analyzovat alespoň zčásti věrohodně, než se v zařízení hrabat "cejchovaným" šroubovákem. Dočtete-li článek do konce, zjistíte, že i přes několik nevýhod s nimi rychle zjistíte vyšší harmonické u oscilátorů nebo otravné parazitní kmitočty, či snadno nastavíte násobiče kmitočtů. Rozdíl mezi analyzátorem-heterodynem a analyzátorem, který pracuje na principu SDR Analyzátory, pracující na principu SDR, nejlevnější příklad RTL-SDR klíčenky jsem popsal zde, pracují se SW, který zpracovává z dvojice hodnot tzv. I a Q signálů, pomocí diskrétní rychlé Fourierovy transformace požadované funkce. Funkce mohou být použity k různým účelům - k demodulaci bežně známých módů (od AM, FM, přes USB, LSB až po digitální druhy modulací), ale také k zobrazení kmitočtového spektra, tj. k zobrazení závislosti úrovně signálu na frekvenci. Jednoduché analyzátory, pracující na principu heterodynu využívají jiných, odlišných principů činnosti. Např. zde popsaný LTDZ_35_4400M je osazen obvodem pro přímou syntézu kmitočtu, konkrétně čipem ADF 4351, který je schopen generovat kmitočty přibližně od 33 MHz do 4 400 MHz- V přístroji pracuje jako místní oscilátor, jehož signál je přiveden do aktivního dvojitě vyváženého směšovače, typ IAM81008 (datasheet zde), který je schopen pracovat od nulových frekvencí až do 5 GHz. Popsaný analyzátor je tedy přímosměšujícím přijímačem, který je schopen pracovat v pásmu od 35 MHz do 4.4 GHz. Za směšovačem je osazena dolní propust a tzv. logaritmický zesilovač s detektorem (známý obvod AD8307). Schéma přístroje Schéma jsem stáhnul z internetu. Dole, nad rohovým razítkem, je logaritmický zesilovač s detektorem. Na jeho vstupu je dolní propust (LC). Vlevo od propusti je směšovač analyzátoru, jehož vstup (pin č. 4) je oddělen od vstupního konektoru kondenzátorem a také je zakončan rezistorem 50 Ohm. Úplně vlevo dole je tzv. lokální oscilátor heterodynu, s jehož signálem se směšuje ve směšovači vstupní signál. Popisovaný typ přístroje je vybaven ještě jedním DDS oscilátorem (tzv. T.G., ve schématu je nakreslen nad logaritmickým detektorem), který nijak nesouvisí s analyzátorem. T.G. je přeladitelný v rozsahu cca od 33 MHz do 3 GHz. Můžeme ho použít jako zdroj kmitočtu pro některá měření. Vlevo nahoře jsou napájecí stabilizátory. Jako USART je zde označen tzv. USB na RS232 převodník, který je osazen známým typem čipu CH340G. Vpravo nahoře je TCXO, který slouží jako zdroj přesného kmitočtu pro oba čipy DDS. Ve střední části je schéma řídící části, kterou tvoří jednočipový mikropočítač s vlastním krystalem.

Omezení, která plynou z principu a z vlastností použitých součástí Použité typy čipů DDS a směšovače nám vymezují pásmo, ve kterém můžeme provádět kmitočtovou analýzu na cca 33 MHz až 4400 MHz. Použitý směšovač (jedná se o křemíkový bipolární MMIC, aktivní dvojitě vyvážený balanční směšovač) má šumové číslo cca 17 dB. Tímto parametrem je dána citlivost kmitočtového analyzátoru, která se s ohledem na uvedený parametr až tak nehodí pro příjem signálů. Směšovač rovněž definuje maximální úroveň vstupního signálu. Domnívám se, že při hodnotách nad 10 dBm hrozí proražení směšovače. Doporučuji upravit analyzovaný signál vnějším atenuátorem tak, aby signál nepřesáhl úroveň 0 dBm. Přímosměšující princip a jednoduchá dolní propust nutně vede k tomu, že detektor přijímače z principu musí zpracovat horní i dolní postranní pásmo. Šířka pásma propusti je asi 1 MHz. Pokud si např. roztáhneme analyzovaný signál vysílaný radiostanicí Icom IC-92D (mód úzkopásmová FM, kmitočet 145,500 MHz), budou obě postranní pásma vypadat takto:


Mimo uvedených slabých stránek (dvě postranní pásma heterodynu a vysoké šumové číslo směšovače) má však princip výhodu nejen ve velké přeladitelnosti a ale také v tzv. bezešvosti, jisté plynulosti v měření. Lokální oscilátor jede od jednoho kmitočtu k druhému za velice podobných podmínek. Detektor rovněž v sousedství detekuje signály za podobných podmínek. Spektrum pozadí rovněž navazuje spojitě. Nikde se skokem nemění žádné zisky předzesilovačů, nepřepínají se skokem pásmové propusti, jako na vstupech SDR. A tohle všechno je prostě na spektru a jeho pozadí vidět, i když detektor dynamickým rozsahem neoplývá. Právě tohle se mi líbí, protože zobáčky oscilátorů, jejich harmonických, produkovaných parazitů, případně subharmonických (u DDS je to důležté) na velikém monitoru PC hned a na první pohled vidím.
Provedení přístroje Přístroj velikosti kreditky je napájen z USB rozhraní, ze kterého je současně řízen. Vypadá takto:








Na čelním panelu je červená LED dioda, která po připojení k USB bliká. Pokud je přístroj řízen a probíhá např. analýza spektra, LED svítí. Druhá dioda je modrá. Rozsvítí se, pokud potřebujeme pracovat s tzv. tracking generátorem (TG). Ten lze rozmítat v uvedeném rozsahu kmitočtů, může pracovat na jediném kmitočtu. Abychom naměřili na výstupu signál, musíme zmačknout jediné tlačítko na panelu a modrou LED rozsvítit. Na zadním panelu jsou dva SMA konektory a dvě LED. LED svítí, pokud je příslušný generátor (lokální oscilátor heterodynu nebo TG) aktivní.
Software Výrobce přístroje nedodává žádný software. Doporučený SW je NWT4.11.09 verze. Ten však nelze ze stránky výrobce stáhnout. Výrobce však dodává starší verzi NWT4.09. Autorem SW je Andreas DL4JAL, ale ani na jeho stránce není verze 4.11.09 k dispozici. Na stránce je informace, že Andreas nadále SW nevyvíjí. Možná je potřebná verze někde ke stažení, ale já jsem po ní nepátral (čas je drahý). Stáhnul jsem si funkční SW od Davida F4HTQ, který mi ergonomií obsluhy vyhovuje. Verzi, kterou jsem použil při napsání článku, lze stáhnout také zde. Analýza kmitočtového spektra, příklady Na obrázku dole vidíte spektrum mého vysílače, zachycené na maličkou prutovou anténu. Na kmitočtech těsně nad 100 MHz vidíte malá spektra silných FM vysílačů. Také na tomto obrázku lze vidět obě postranní pásma heterodynu.

Pokud zapneme tzv. capture filtr, změní se zobrazení spektra takto. Zobáček spektra mé stanice a silného FM vysílače je zjevný.


Spektrum stanice Icom, vysílající na 145,500 MHz v pásmu 100 až 1000 MHz. Jsou zjevné zobáčky druhé harmonické na 291 MHz a třetí harmonické na 435 MHz:


Měření oscilátoru 565 MHz pro buzení násobičů. Na vstup připojen zdroj kmitočtu Leo Bodnár, který je analyzován v pásmu od 400 MHz do 700 MHz a obsah jeho harmonických od 500 MHz do 2500 MHz. GPS generátor je připojen přes útlumový člen 20 dB:



Na obrázcích jsou při tak širokém spektru vidět jen spektrální čáry, protože i jednoduchá nízkofrekvenční dolní propust přímosměšujícího heterodynu je dost úzká. Dokonce i přítomnost obou postranních pásem nijak nevadí. Na posledním obrázku je vidět silná spektrální čáry na požadovaném kmitočtu, poměrně potlačená druhá harmonická, dost silná třetí harmonická a slaboučká 4 harmonická na kmitočtu 2260 MHz.

Závěr Popsaný přímosměšující analyzátor se nevyznačuje vysokou citlivostí, jako přístroje pracující na principu SDR, ani nemá velký dynamický rozsah, jen něco přes 50 dB, to je dáno logaritmickým zesilovačem s detektorem (AD8307). Takový rozsah je srovnatelný s klíčenkou RTL-SDR. Předností popsaného heterodynu je snadná přeladitelnost v širokém pásmu (35-4400 MHz). Rychlost přelaďování je větší, než 800 bodů za sekundu. Druhou předností je vysoká odolnost přímosměšujícího přijímače, na vstupu se přeci jenom nevyrábí tolik parazitních produktů, jako ve vstupních obvodech některých SDR. U některých SDR jsem viděl potíže se zrcadlovým příjmem na kmitočtech v pásmech stovek MHz. Tohle také z principu není možné u přímosměšujícího principu. Tam nás blízké zrcadlo otravuje opravdu jen tím druhým sousedním zobáčkem (viz první obrázek). Přímosměšující analyzátor mám rád a často ho používám na několik základních měření: - Rychlé zjišťování vyšších harmonických u oscilátorů. - Při měření na násobičích kmitočtů. Hlavně vyvážené zdvojovače výrazně potlačují základní kmitočet, ale také třetí a další harmonické. Na tomto analyzátoru je výsledek hned vidět. - Ke zjišťování, jak nám potlačují harmonické dolní propusti na výstupu lineárních zesilovačů. Ač se jedná o jednoduché udělátko, používám ho často a rád. Poznámky: 1. Neměl jsem možnost seriózně ověřit SW verze NWT4.11.09, takže neznám ani jeho funkcionalitu, či možnosti. 2. Okrajově jsem se dostal k vyzkoušení placené verze (drobný poplatek) jiného SW od autora Vitor Martins Augusto.
3. Ve všech programech jsem našel drobné chybičky. Např. v programu F4HTQ se mi při prvních experimentech nedařilo zapnout Tracking Generátor (T.G.) Později jsem přišel na to, že kromě stisknutí tlačítka na čelním panelu je třeba před spuštěním T.G. spustit analyzátor ve sweep módu. Jenže po vypnutí (viz obrazovka vpravo VFO stop) a opětovném zapnutí (VFO Start) se sice T.G. spustil, ale na bůhvíjakém kmitočtu. Prostě chybička se někde vloudila, asi nebyly správně nastavené parametry DDS ADF4351. Pokud o tom víme a potřebujeme s generátorem někam pískat, snadno předem spustíme sweep ... 4. Program F4HTQ je ergonomický, snadno se obsluhuje. Na detaily, jak s ním dělat si snadno každý přijde sám. Program je maličký, napsaný v C #. Po stažení souboru zip ho stačí extrahovat na určené místo na disku (mám ho mezi tzv. executable (portable) programy. Nic se nikam neinstaluje. 5. Celý přístroj je natolik maličký, že ho můžete mít s podobně maličkými aparáty (např. nano VNA) vždy při ruce, nejen v dílně, v hamovně, ale hned vedle PC.

TU 73, Mira, ok1ufc