К вопросу о VNA или японо-китайский прибор +10



«А что, так можно было?»



В крайнем посте Джека Гансли был упомянут появившийся недавно на просторах Инета прибор, именуемый NanoVNA, или малогабаритный портативный векторный анализатор цепей (ВАЦ) в диапазоне 50кГц-900МГц со стоимостью 50 долларов США.

«Пятьдесят долларов, Карл!»

Как написал Джек, нет никаких оснований НЕ купить такой прибор по такой цене и я с ним полностью согласен. Не то, чтобы я постоянно занимался радио-устройствами, но данный девайс на Али заказал и жду, пока он придет, чтобы убедится в параметрах. Счастливчики, которые уже успели его приобрести, как правило, довольны, хотя есть нюансы. Если верить информации, то разработал его довольно таки давно (три года назад) некий японец, и выложил исходники на Гит, а в этом году китайцы резко начали его (прибор, конечно, не японца) тиражировать и продавать.

Те, кто в теме, сразу же поняли, в чем дело, для остальных поясню, что цена на ВАЦ начинается от 3 тысяч $, а где она заканчивается, не знает никто, кроме R&S. Относительно недорогой ВАЦ с динамическим диапазоном 120дБ и частотой до 1500МГц Вы сможете купить за 176000 рублей и это характерная цифра. Поэтому многие поймут мое нежелание дожидаться прибытия прибора, а сразу понять, как он устроен и почему работает, тем более, что все исходники открыты.

Захожу на Гит разработчика, смотрю на схему и начинаю слегка обалдевать.



Микроконтроллер, сенсорный экран и кнопки (хотя там стоит забавная качалка) опустим, это совершенно неинтересно и обыденно, смотрим на измеритель.

Прежде всего наблюдаем программируемый генератор (без него ВАЦ себе трудно представить) и наблюдаем известную (и недорогую) м/сх Si5351A. Но ведь у нее диапазон выходных частот явно не 900МГц. Беру дата, так оно и есть, выходная частота до 200МГц, более того, выходной сигнал принципиально прямоУгольный (это мы так в связи шутили) и синус не предусмотрен.

Ладно, идем дальше и видим три балансных смесителя на м/сх SA612AD (явные гетеродины). Здесь то же самое, на одном входе допустимая частота до 500МГц, на втором до 200МГц, поэтому диапазон 900МГц явно не натягивается.

А дальше выходы смесителей зачем то подаются на входы м/сх TLV320AIC3204 (аудио кодек), хотя в составе МК есть АЦП не хуже и по скорости и по разрешению. В общем, не схема, а сплошные непонятки, и как ЭТО может обеспечивать заявленный диапазон частот, остается загадкой.

Предлагаю читателям подумать и ответить на поставленный вопрос.

В принципе, данных уже достаточно, но я (как честный человек) дам еще две подсказки:

  1. динамический диапазон прибора неравномерный — 70 дБ (50 кГц-300 МГц), 60 дБ (300 м-600 МГц), 50 дБ (600 м-900 МГц),
  2. на форуме радиокот кто то спросил, а можно ли растянуть диапазон до 1200 и ему обоснованно (с приложением спектрограммы) ответили, что седьмая гармоника уже слишком слабая.

Заголовок спойлера
Ключевой момент — прибор работает на гармониках прямоугольного сигнала генератора. Естественно, на нечетных гармониках, поскольку скважность сигнала 1/2.
Тогда для достижения пятой гармоники 900МГц потребуется основная частота 900/5=180МГц, вполне в диапазоне генератора и смесителей (хотя последнее и не очевидно).

Хорошо, пусть все именно так и мы подаем на исследуемое устройство смесь частот, но для получения характеристики нам требуется отделить одни частоты от других и измерять их отдельно, значит, нам нужны низкочастотные, узкополосные, перестраиваемые фильтры после гетеродина (или полосовые и перестраиваемые высокочастотные до него) — задачка не из элементарных, хотя и реализуемая. Но на схеме фильтры просто отсутствуют, а те немногие RC цепочки, что стоят в согласующей схеме, никак подобную функцию выполнить не могут. И, тем не менее, прибор работает, как?

Мне пришла в голову идея, которая первоначально показалась гениальной — вносим небольшую расстройку в частоту смесителя. Тогда на первом входе смесителя мы имеем f+3*f+5*f+..., на втором входе f1(f-?f)+3*f1+5*f1+… и на выходе получаем смесь частот
(f+3*f+5*f+...)*(f1+3*f1+5*f1+...)=(f*f1)+(3*f*f1)+(f*3*f1)+(3*f*3*f1)+…, тогда каждое произведение превращается в сумму (f±f1)+(3*f±f1)+(f±3*f1)+(3*f±3*f1)…= (?f+(2*f-?f ))+((2*f+ ?f )+(4*f- ?f ))+((4*f+?f )+(2*f- ?f ))+(3*?f+6*f-3*?f)+ …. Тогда, если поставить полосовой фильтр с пропусканием от 0 до ?f с отсечкой до 3*?f, останется только составляющая, зависящая от первой гармоники, а все остальные подавятся и можно спокойно измерять. Перестраиваемый фильтр имеется в составе кодека, вопрос только в его технических возможностях, они должны быть достаточны.

Идея действительно неплохая, позволяет использовать меандр вместо синусоиды, но у нее есть большой изъян — что делать с более высокими частотами (третьей и пятой гармониками). Ведь, если подобрать расстройку таким образом, чтобы биения третьих гармоник попали в полосу фильтра, то биения первой тем более туда попадут. Я предварительно вижу три возможных способа решения:

  1. Сделать фильтр с регулируемой нижней границей, так, чтобы ?f в полосу попадала, а ?f/2 и ?f*3/2 – нет. Задача непростая, но принципиально решаемая при достаточной аппаратуре.
  2. Сделать расстройку такой, чтобы для измерения третьей гармоники сигнала с ней билась пятая гармоника пилота. Тогда фильтр остается простым, но что делать с пятой гармоникой сигнала непонятно, третья гармоника пилота до нее явно не дотянется.
  3. Делать последовательные измерения – сначала с ?f измеряем биение первых гармоник, уменьшаем ?f в 3(2) раза и измеряем сумму первых и третьих, аналогично для пятой. Дальше вычитаем одно из другого и получаем все, что нужно. Здесь мои познания в области ЦОС не достаточны и практическую реализуемость такого варианта оценить не могу.

Какой именно вариант реализован в данном приборе, можно определить из вдумчивого исследования возможностей кодека и анализа текста программы, но, в принципе, это уже не столь интересно – возможные пути решений намечены. Лично я бы пошел по третьему, если он принципиально реализуем, попозже разберусь.

P.S. Какие люди живут рядом (в смысле на одной планете) с нами.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (19):

  1. polearnik
    /#20641467 / +1

    Почему крайний? Вы летчик на последнем севере? Довольно странно видеть суеверия среди айтишников.

    • GarryC
      /#20641553 / -1

      Ну,
      во-первых, Джек уже не молод,
      во-вторых, Вы видите какой либо вред от данного оборота (кроме очевидного факта установления суеверия автора),
      и в-третьих, как говаривал кто то из великих «Подкова помогает даже тем., что в это не верит»

      • eumorozov
        /#20641633

        Эх… У меня вот есть знакомый, который прямо яростный воинствующий атеист. Но в последнее время он даже рассказывая о событиях многомесячной давности говорит: «Крайние дни мы занимались тем-то и тем-то».


        Для меня это прямо как ногтем по доске. Такое извращение русского языка, кажется очень некрасивым и глупым. Тем более, странно, когда так извращает воинствующий атеист. Шизофрения почти-что.

    • tvr
      /#20641859

      Так это, для ошибок, опечаток и прочих лингвистических безобразий давно уже
      «Cntrl+enter» придумали же.

  2. ZEvS_Poisk
    /#20641569 / +1

    Около темы:
    Реализовать отделение гармоник можно модуляцией. Например, при повороте угла фазы на 90 градусов, во второй гармонике фаза поворачивается на 180, а в третьей на 270, и т. д.
    И теперь если сигнал превратить в некий «ШПС», то выбор гармоники уже будет определяться демодулятором.

  3. steel_ne
    /#20641755 / +1

    Цифровым фильтром. «Биение» третих гармоник в три раза выше «биений» первой. Бонусом — можешь одновременно снимать характеристики в точке f, 3*f и 5*f (100, 300 и 500 МГц, например)

    • GarryC
      /#20642657

      Возможно, что так и есть, по крайней в мере в коде есть FFT.

  4. 8street
    /#20642405

    А можно ссылку на гит разработчика?

  5. dmitryrf
    /#20642543

    У вас мегагерцы перемешаны с миллигерцами, некрасиво.

    • GarryC
      /#20642653

      Это да, имело место, спасибо.

  6. chnav
    /#20645745

    Вопрос: можно ли использовать NanoVNA в качестве анализатора спектра? Например посмотреть/настроить АЧХ фильтра.
    Подписи на приборе вроде соответствуют — нарисована стрелка CH0 -> CH1.

    • GarryC
      /#20645939

      Лично я не автор прибора, но принципиальных возражений не вижу, если принять, что Вам хватит заявленного динамического диапазона и Вы не перегрузите исследуемый фильтр.

    • Arson
      /#20646883

      Их обычно так и используют.

      • chnav
        /#20656791

        Спасибо, действительно нашел на ютубе много обучающих видео как раз про фильтры, а ещё про настройку антенн… Чудеса за 50$!!!

  7. x893
    /#20646333

    Пишут про расширение до 1500 MHz
    zs1sci.com/blog/nanovnasaver/#Edit

  8. chnav
    /#20656785

    На AliExpress большой выбор NanoVNA. Уже увидел в комментариях, что некоторые получают прибор без батареи. Интересно отличается ли качество сборки у разных продавцов, что выбрать?

    • GarryC
      /#20657541

      Ну некоторые так и пишут — белый без батареи, черный — с батареей. В общем, внимательнее смотреть описание состава и отзывы — есть и отрицательные про качество пайки. Но, с другой стороны, мы и пропаяем сами, если надо.