RF network analyzer

[balmer]

Чем быстрее посчитаем, тем больше раз за секунду можно регенерировать экран, что очень желательно при настройке фильтров "в живую".

Нда, непростая задачка. А дисплей к STM32 подключен, или на компьютере показывается?

[pixar]

Поэтому точную частоту сигнала мы не знаем. Можно былобы определить частоту по отдельности в каждом канале. Но что делать если они сильно отличаются, особенно в случае зашумленных данных? Поэтому лучше определить "усредненную" частоту, общую для всех каналов. Естественно "метод наименьших квадратов" справляется с этой задачей оптимально.

точную частоту мы знаем в любом случае (кроме опечатанного Х1-42), тк она (обычно ) стабилизирутся ФАПЧ. Проблема возникает, если использовать два генератора типа микросхемы ADF435x etc- один тестовый сигнал , другой - гетеродин , анализ делатся на ПЧ .
В этом случае , при скачках частоты с одной точки на другую нет возможности контролировать фазу из -за внутренней сруктуры микросхемы. Поэтому, на каждом проходе фаза ПЧ в каналах A (падающая ) и B (отраженная) будут отличаться от фаз начальной калибровки, что не даёт построить векторный анализатор нахаляву.
Если использовать канал R , который просто кабель и смеситель и в котором нет никаких измерительных добавок для внешних компонентов и который, поэтому, всегда физически стабилен , то эти случайные скачки фазы можно просто учитывать.

Для тестовых генераторов на DDS ( на сегодня - до 1300 МГц) это всё неактуально.

Метод наименьших средних квадратов применяют для скорости . DFT даёт более точный результат но требет слишком много времени на каждую точку по частоте.

[khach]

Нда, непростая задачка. А дисплей к STM32 подключен, или на компьютере показывается?

Сейчас вырисовывается двухпроцессорная схема- STM32F3 discovery в режиме 4 каналов АЦП с одновременной выборкой по методу наименьших квадратов рассчитывает амплитуду и сдвиг фаз между каналами. Она же генерит сигнал гетеродина для переноса сигналов с первой ПЧ 10.7 МГц на ультразвуковую 2 ПЧ, которую потом и оцифровывает. В каждом канале есть отключаемый усилитель на 100 (или 128) который подключен к тому же самому АЦП, но к другой ножке. Используется, когда нехватает амплитуды сигнала в канале.
После этого измеренный сигнал для всех 4 каналов по SPI передается во второй процессор. Это или STM32F407 c дисплеем на FSMC параллельной шине, или Raspberry Pi c обычным дисплеем на HDMI.
Raspberry Pi справляется с красивой графикой на QT и нет проблем с Эзернетом. Зато вариант с STM32F407 был интересен, т.к у него на шине камеры DCMI висит 14 битный АЦП радиочастотный и он крутит цифровое фурье для анализатора спектра. Возможно, будет и 3-хпроцессорная конфигурация для универсального прибора VNA+SA по типу FieldFox Agilent-Keysight.

Проблема возникает, если использовать два генератора типа микросхемы ADF435x etc- один тестовый сигнал , другой - гетеродин , анализ делатся на ПЧ .
В этом случае , при скачках частоты с одной точки на другую нет возможности контролировать фазу из -за внутренней сруктуры микросхемы. Поэтому, на каждом проходе фаза ПЧ в каналах A (падающая ) и B (отраженная) будут отличаться от фаз начальной калибровки, что не даёт построить векторный анализатор нахаляву.
Если использовать канал R , который просто кабель и смеситель и в котором нет никаких измерительных добавок для внешних компонентов и который, поэтому, всегда физически стабилен , то эти случайные скачки фазы можно просто учитывать.

Там еще огромная проблема, что ФАПЧ устанавливается достаточно долго, и если частота нужная достигается за миллисекунды, то фаза между двумя каналами плывет очень долго. Особенно если используется дробный синтезатор с узкой полосой ФНЧ. Поэтому хорошо бы сделать удержание фазы генератора сигнала по сигналу канала R, так как это сделано в "больших" VNA. Для этого и переползли на MAX2870- у него схема выборки субканала VCO не сходит с ума при использовании внешней петли ФАПЧ. К слову, аналоговые девицы в новые синтезаторы добавили бит лока номера субканала VCO.
Но сам автовыбор каналов работает с приключениями, что задерживает свип.

Для тестовых генераторов на DDS ( на сегодня - до 1300 МГц) это всё неактуально.

При использовании внутренних умножителей клока в AD9914-9915 тоже с фазой не все шоколадно.

[balmer]

Метод наименьших средних квадратов применяют для скорости . DFT даёт более точный результат но требет слишком много времени на каждую точку по частоте.

Наоборот. Фурье трансформация принципиально не может дать точное значение частоты. Если у нас есть БПФ на 1024 отсчета и мы его применяем к полосе частот 10 КГц, то как ни крути, а точность лучше 10 Гц не получится.

Метод наименьших квадратов (7-ми переменных в этом случае) может определить частоту очень точно. Но у него ограничение - предполагается что сигнал состоит из синусоиды + шум. Шум отсекается, синусоида выделяется.

Кстати тут легко можно понять, почему таки задача определения частоты таким методом требует в худшем случае перебора частот. Вот предположим у нас есть сигнал состоящий из нескольких синусоид разной частоты. Будет несколько локальных минимумов на этих частотах. Если действовать всякими градиентными методами поиска решения, то можно угодить в локальный минимум.

[Леонид Иванович]

Если у нас есть БПФ на 1024 отсчета и мы его применяем к полосе частот 10 КГц, то как ни крути, а точность лучше 10 Гц не получится.

Это не совсем так. Огибающая спектральной линии нам известна (она определяется весовым окном), используя информацию сразу нескольких точек из частотной области можно более точно вычислить частоту. При наличии побочных спектральных составляющих будет, конечно, сложнее, но и другие методы в таких условиях не дадут точного результата.

[khach]

Извините, непонял зачем нам вообще определять частоту? Нам нужна амплитуда и сдвиг фаз между каналами для VNA. Вот с фазой как раз у БПФ и были проблемы, точки по диаграмме Смита разбрасывало как горох.

[balmer]

Если известна частота, то амплитуда и фаза высчитываются элементарно.

[pixar]

Наоборот. Фурье трансформация принципиально не может дать точное значение частоты.

Определять частоту - задача приёмника и анализатора спектра.
В случае с VNA частоту мы сами задаем и она в канале измерения ( в общем случае ) не изменяется.

Анализатор цепей должен уметь быстро определять амплитуду и сдвиг фазы сигнала известной частоты, минимум в двух, в идеале - в четырех каналах:
Падающая на DUT ,
Отраженная от входа DUT ,
Прошедшая насквозь через DUT ,
Опорный канал падающей R, максимально изолированный от влияния внешних подключений.
Фаза канала R принимается за опорную.

Приемлемая дискретность графиков проф. качества - порядка 500 точек на экране 6~8".

Приемлемая скорость развертки проф качества - от 10 в секунду для умеренной точности (затухание на проход до 40 дБ),
0.5 ~ 1 развертки в секунду для измерений с повышенной точностью ( затухание на проход 60 ~ 100 дБ).

Ключевые слова в этих определениях - приемлемая , профессиональное.
Это характеристики проф. приборов 30 - 40 лет , которыми достаточно комфортно пользоваться полный рабочий день.
Для любительских целей хвост осётра вполне сойдет за целого.

В канале измерения S11/S22 ( отраженная от входа/выхода DUT ) точность измерения определяется направленными свойствами моста или ответвителя.
В этом канале разница между падающим и измеряемым сигналами обычно не более 30 дБ. Лучшим показателям можно смело не верить.
Настройка S11 / S22 для большинства случаев не требуется лучше -20 дБ.

Частота измеряемого сигнала может измениться, если смотреть насквозь весть тракт гетеродинного приемника/передатчика.
Но это довольно частный случай.

[balmer]

Приемлемая дискретность графиков проф. качества - порядка 500 точек на экране 6~8".
Приемлемая скорость развертки проф качества - от 10 в секунду для умеренной точности (затухание на проход до 40 дБ),

Там еще огромная проблема, что ФАПЧ устанавливается достаточно долго, и если частота нужная достигается за миллисекунды, то фаза между двумя каналами плывет очень долго.

К сожалению про высокие частоты могу лишь теоретизировать. Но сопоставляя две эти фразы, вижу что частоту таки желательно измерять, а не надеяться на то, что она будет точно такой, какую мы выставили в синтезаторе и умножили. Впрочем тут поможет только эксперимент.

На частотах до 100 МГц такой проблемы нет, если частота всего от одного кварца тактуется (в том числе DDS и ADC). Но если по какимто причином несколько кварцев, то опять таки приходим к тому что частоту надо измерять.

[khach]

Но сопоставляя две эти фразы, вижу что частоту таки желательно измерять, а не надеяться на то, что она будет точно такой, какую мы выставили в синтезаторе и умножили.

Проблема не в частоте, а в фазе. То, что с частотой не попали в 10 Гц почти никак не мешает. Но если генератор сигнала и гетеродин разбежались на 10 Гц, то фазу будет крутить 10 раз за секунду на полный оборот. А за время измерения одной точки- градусов на 5. Вот на этом и погорел прошлый проект, т.к сигнал по каждому каналу измеряли общим АЦП с коммутатором на входе. Надо или применять 4 канала с одновременной выборкой, или применять специальные меры по стабилизации разности фаз между тестовым сигналом и гетеродином. Так было сделано в фирменных VNA - Сигнал с канала R после смесителя (на первой ПЧ) шел на фазовый детектор, сравнивался с эталоном равном этой ПЧ и с выхода ФД шел на ФМ катушку ЖИГ генератора тестового сигнала. Система была достаточно замороченая, т.к в ней применялся гармониковый смеситель. ФД на первую ПЧ приходилось делать на расыпухе, т.к готовых микросхем таких нет. 4 одинаковых канала АЦП в STM32F3 позволяют решить проблему методами цифровой обработки, вообще выкинув схему стабилизации фазы по измерительному каналу.

[balmer]

Но если генератор сигнала и гетеродин разбежались на 10 Гц, то фазу будет крутить 10 раз за секунду на полный оборот.

Либо не будет крутить, если мы воспользуемся таки методом 7-ми переменных, и таки определим реальную разность частот!

[khach]

Но если генератор сигнала и гетеродин разбежались на 10 Гц, то фазу будет крутить 10 раз за секунду на полный оборот.

Либо не будет крутить, если мы воспользуемся таки методом 7-ми переменных, и таки определим реальную разность частот!

Так пусть крутит - на 5-10 периодах ПЧ сильно уползти не успеет. В этом и преимущество DSP обработки. Платка пришла, буду ваять 4 канала ПЧ одинаковых. Пока поработает с обычным компом в качестве дисплея, т.к USB на плате есть.
Есть ли где исходники метода 7-ми переменных на чистом C?
какую вторую ПЧ выбрать, что бы АЦП нормально успевали? 128 Кгц, 465 кгц, 100 Кгц. 27 кгц? (27 кгц- ПЧ в старых анализаторах HP)

[balmer]

какую вторую ПЧ выбрать, что бы АЦП нормально успевали? 128 Кгц, 465 кгц, 100 Кгц. 27 кгц? (27 кгц- ПЧ в старых анализаторах HP)

Если про STM32F303 речь идет. То можно скажем 3 MSps его запустить , тогда пожалуй оптимальным для максимальной точности фазы будет 20-50 КГц для 3 MSps.

PS: А я доделал платку на CS4272, скоро надеюсь заценю качество его ADC.

[balmer]

Запустил таки CS4272. Упорно не хотела запускаться в SPI режиме. Конце концов плюнул, перепаял на I2C. С таким интерфейсом практически сразу заработала.

Пришли платки для модуля, который будет на дисплей информацию выводить и с USB и кнопками/энкодерами общаться.

Так что заказал первый раз платку "на заводе" До этого все ЛУТом делал.

[pixar]

как успехи ?

[khach]

Да вот думаю, как расширить диапазон, используя идеи из anritsu shockline. Кстати тоже USB приставки, некоторые модели без компа. Интересно глянуть на описание принципов работы и посмотреть патенты с последней страницы документа http://downloadfile.anritsu.com/Files/en-US/Technical-Notes/White-Paper/11410-00812A.pdf
Вот думаю, имеет ли смысл применять NLTL формирователь в любительских условиях? На дискретных варикапах его до десятка ГГц собрать можно.
С другой стороны, расширение диапазона за счет подачи тестовых сигналов верхних диапазонов через направленник- очень хорошее решение. Не проблем с переключателями, направленники можно с фильтрами полосовыми совместить итд.
А с квадратурной выборкой вожусь с алгоритмом coherent quadrature sampling, это когда АЦП работает с частотой ровно в два раза выше частоты ПЧ. Тогда вычисление фазы тривиально. Но надо точно настроить период таймера АЦП на частоту ПЧ (или наоборот- Частоту ПЧ на таймер) т.е нужна цифровая или цифроаналоговая ФАПЧ для последнего гетеродина. Вот ее и изобретаю.
С другой стороны, чтобы не заморачиваться именно с STM32F3 подумал о применении УВХ на трех коммутируемых каналах АЦП того же STM32F407. Т.е на стоят три устройства выборки= хранения которые одновременно (это важно) запоминают сигнал по трем или 4 каналам VNA а потом АЦП последовательно их оцифровывает.

[balmer]

У меня чтото ужастно медленно дело идет. Но идет. Програмную обработку на CS4272 отладил более-менее. Думаю на этой неделе вытравлю/спаяю плату на STM32F405 и CS4272. Ну и надеюсь, что шумы быдут низкими, а динамический диапазон широкий.

[balmer]

Запаял и запустил таки свой модуль на CS4272 и STM32F405.


Пока проверил, что он может из ADC в DAC данные слать. На выходе DAC поставил ОУ чтобы можно было слушать через наушники. Работает, но басы слабоваты конденсатор 10 uF перед наушниками делает свое дело.

Измерил шумы. Получается, что 17 бит полностью свободны от шума. То есть если предположить, что последние 2 бита с шумом еще можно использовать, то получаются рабочие 19 бит ADC.

[balmer]

А меж тем пришла мне демоплатка на AD9959, но буду сначала приемник делать (потому как это веселее) и спрашивать на соответствующем форуме вопросы.

[khach]

Приехали MAX2871. Будут источником до 18 ГГц- на второй выход диодный утроитель навешу и инжекция через направленный ответвитель. Вот думаю- для нижних диапазонов использовать встроенный делитель, но тогда будет куча гармоник в сигнале, или переносить частоту вниз смесителем? Первое проще, но тогда интермодуляции и нелинейные цепи таким прибором измерять не получится.
MAX2871 очень долго настраивается на частоту в дробном режиме. Вот думаю может плюнуть на дробные режим и в целочисленном все сделать с опорой на ДДС? ФД можно гнать до 125 МГц, вот думаю прямо из опоры 125 МГц вычесть на смесителе ДДС 10-20 МГц и подать прямо на реф вход MAX2871. Только хотелось бы спуры ДДС подчистить фапч на 105-115МГц. НА чем бы ее сделать? Или я слишком усложняю?
Похоже попробую сделать сразу 4 -канальный VNA - два канала с передатчиками, два- только приемники. ТОгда каналы с передатчиками будут работать как класcический VNA c переключением источника между двумя портами- две MAX2871 стоят дешевле, чем реле на 18 ГГц. Тогда хотелось бы заставить работать эти порты как дифференциальный источник для измерения двухпроводных линий- частота одинакова, а сдвиг фаз 180 градусов. Только слабо пока представляю, какая схему нужна для синхронизации двух MAX2871 с точностью до фазы.