Spektrum Analysator med SDRPlay

Denne artikel med tilhørende video beskriver en spektrum analysator, som går fra 1 kHz til 2 GHz og som koster 1000 kr.

En spektrum analysator måler de frekvenser, som udsendes fra en oscillator eller sender. Dermed kan man finde både ønskede og uønskede frekvenser, og man kan måle deres deres styrke. Denne funktion kan et oscilloskop ikke klare.

Klik på billedet herunder for at starte videoen på Youtube.

Hardware

Hardwaren er SDRplay RSP1A som er en 14-bit SDR-modtager. Med den rigtige software kan SDRplay fungere som spektrum analysator og anvendes af radioamatøren til mange måleopgaver.

Figur 1. SDRplay RSP1 med 20 dB attenuator foran indgangen. 

Jeg vil anbefale, at du monterer en 20 dB attenuator på indgangen af SDRplay. Herved beskytter du i nogen grad SDRplay mod overbelastning. En SDRplay kan tåle 0 dBm på indgangen (1 mW effekt) og den kan tåle +10 dBm (10 mW) i kortere tid. Forstærkere og oscillatorer kan producere højere output end det nævnte, og derfor er attenuatoren en god ide. Du skal blot huske, at de målte signaler i virkeligheden er 20 dB kraftigere end SDRplay viser!

Software

For at få SDRplay til at  virke som spektrum analysator, skal softwarepakken “RSP Spectrum Analyzer” installeres på computeren.

Min PC kører Windows 10 Home 64-bit. Jeg installerede først den almindelige software “SDRuno”, som får SDRplay til at virke som modtager. Dernæst installerede jeg “RSP Spectrum Analyzer”. Der var ingen problemer med nogen af installationerne. Begge softwarepakker er gratis og kan hentes fra www.sdrplay.com under “Downloads”. Her findes også fyldig dokumentation.

Jeg åbner “RSP Spectrum Analyzer” ved at dobbelt-klikke på dens short-cut på Windows skrivebordet. For at starte hardwaren klikker jeg på “Start” i øverste venstre hjørne. Jeg kontrollerer, at der er forbindelse til min SDRplay ved at se på “RSP Select” (se figur 2). Her skal hardwarens type vises (RSP1A) samt serienummeret på SDRplay (1909014596). Desuden skal de 3 parametre “LNA gr”, “Current gain” og “System gr” alle være forskellige fra nul. Hvis der ikke er forbindelse til SDRPlay, vil de tre parametre vise nul.

Figur 2. Forbindelsen til SDRPlay tjekkes her.

“Centre frequency” vælges ved at stille musen over et tal, og dreje på musens hjul. Det er vist på figur 3. Vær opmærksom på, at “Span” og “Centre frequency” relaterer til hinanden. I starten er det nemmest at sætte “Span” til en lille værdi, fx 2 MHz.

Figur 3. Indstilling af “Centre frequency” og “Span”.

På figur 3 er “Centre frequency” sat til 15 MHz og “Span” til 2 MHz. Det giver en start-frekvens på 14 MHz og en stop-frekvens på 16 MHz (mærkeligt nok kaldes stop-frekvensen for “End”).

Eksempel 1 

Figur 4. Pierce krystaloscillator.

Oscillatoren på figur 4 skal testes. Hvad er dens udgangsniveau med et 7 MHz krystal og hvor kraftige er 2. harmoniske og 3. harmoniske?

Figur 5. Krystaloscillatoren er monteret på hulprint.

Figur 5 viser opbygningen af oscillatoren på et stykke hulprint (Veroboard). “Out” har en høj  impedans, og bør ikke kobles direkte til SDRplay som har lav indgangsimpedans (50 ohm). Jeg bruger derfor en aktiv probe (se figur 6) til at måle med. Proben forstærker ikke signalet men dens indgangsimpedans er meget høj (10 Mohm /0,5 pF) og derfor belaster den stort set ikke oscillatoren. Probens udgangsimpedans er lav og passer fint til SDRplays indgang. Proben skal forsynes med 12 V DC for at virke.

Figur 6. Aktiv probe 100 kHz – 1500 MHz.

Figur 7. Måleopstillingen.

Måleopstillingen ses på figur 7. Til venstre ses krystaloscillatoren, som vi ønsker at måle på (A). Den forsynes med 12 V DC (rødt og sort krokodillenæb). Oscillatorens udgang er forbundet til den aktive probe med 2 korte prøveledninger (B). Proben får sin driftspænding (12 V DC) via de snoede sort/røde ledninger. Probens udgang er forbundet til attenuatoren (D) via et blåt 50 ohms kabel med SMA-male konnektorer i begge ender (C). Attenuatoren dæmper signalet 20 dB inden det når til SDRplay RSP1 (E). Yderst til højre ses et USB-kabel (F), som forbinder SDRplay til computeren.

Figur 8. Screen-dump fra “RSP Spectrum Analyzer”.

Figur 8 viser signalet fra Pierce oscillatoren i området 6-8 MHz. Ved at aktivere “Markers” og “Enab peaks” kan man aflæse niveauet på 7 MHz signalet; det er -12,5 dBm. Da attenuatoren dæmper 20 dB, er det virkelige niveau 20 dB højere, altså  +7,5 dBm. Det er et ret højt niveau for en krystal-oscillator! Hvis du vil se figur 8 i fuld størrelse, kan du klikke på denne externe link.

Figur 9. Screen-dump fra “RSP Spectrum Analyzer” med markering af peaks.

For at måle 2. harmoniske og 3. harmoniske indstilles SDRplay til at sweepe fra 5 MHz til 25 MHz (se figur 9).

  • Peak A (7.034 MHz); aflæst niveau -12,5 dBm; korrigeret niveau +7,5 dBm
  • Peak C (14.054 MHz); aflæst niveau -22,2 dBm; korrigeret niveau -2,2 dBm
  • Peak E (21.103 MHz); aflæst niveau -28,2 dB; korrigeret niveau -8,2 dBm

Kommentar: Både 2. harmoniske og 3. harmoniske er kun 9,7 db og 15,7 dB svagere end grundtonen på 7,034 MHz. Hvis denne oscillator skal bruges i en sender, skal der monteres et lavpas-filter for at dæmpe de harmoniske frekvenser.

Men hov, hvor kommer peak B, peak D og peak F fra på figur 9? Er det falske signaler (spurious)? Heldigvis findes der en metode til at skelne mellem virkelige og falske signaler. Der forklarer jeg nærmere i sidste afsnit.

Eksempel 2

Jeg vil gerne se karakteristikken på et båndpasfilter til 1090 MHz (figur 10). Filteret er beregnet til indsætning mellem en antenne og en ADS-B modtager. Modtageren dekoder signalet fra flyets beacon og bruger det til bestemmelse af flyets position.

Figur 10. Båndpas-filter til 1090 MHz.

Filteret er passivt, så jeg kan ikke måle karakteristikken uden af tilføre et signal på indgangen. Hertil bruger jeg en støjgenerator (noise source), som udsender hvid støj på alle frekvenser helt op i SHF området. Du kan finde støjgeneratoren på ebay ved at søge efter “BG7TBL Wide Band Noise Source”. Støjgeneratoren kører på 12 V DC, men den virker også ved lavere spændinger (7 V).

Figur 11. Måleopstilling til båndpas-filter.

Måleopstillingen på figur 11 består af støjgeneratoren (A), båndpasfilteret som vi ønsker at måle på (B), et kort 50 ohm coaxkabel (C) samt SDRplay (D). Signalet fra støjgeneratoren er svagt i det begrænsede område omkring 1090 MHz, og derfor har jeg fjernet attenuatoren fra SDRplay for at få størst muligt signal igennem. Men forsigtig! Det samlede støjspektrum 0-2 GHz er kraftigt og kan ødelægge modtagerens indgang hvis støjgeneratoren forbindes direkte til SDRplay. I dette tilfælde skal målingen udføres hurtigt (max. 10 sekunder).

Figur 12. Båndpasfilterets karakteristik i området 1000 MHz – 1200 MHz.

Bemærk, at dBm-skalaen på figur 12 går fra  -40 dBm (toppen af skærmen) til -120 dBm (bunden af skærmen). Det opnås ved at sætte “Ref” til -40 dBm. Figur 12 viser, at filterets -3 dB båndbredde er 40 MHz (mellem 1070 MHz og 1110 MHz). Det er fint til modtagelse af ADS-B signaler. Filterkurven er nogenlunde jævn i -3 dB båndbredden og flankerne er stejle. Alt i alt et velegnet filter til formålet.

Sådan afsløres falske signaler (spurious)

I brugervejledningen til “RSP Spectrum Analyzer” står der på side 5, at clockfrekvensen i SDRplay ligger på 24 MHz, og at der vil være spurious på denne frekvens og harmoniske heraf. Disse fjernes ved at sætte “Clock spur removal” til “On”.

Step 1. Først indstilles “RSP Spectrum Analyzer” som du ønsker det. Vi kan tage figur 9 som eksempel. Her er 6 peaks, men er de alle ægte eller er der spurious imellem?

Step 2. Nu fjernes alle indgangssignaler fra SDRplay. Dette gøres ved at skrue coaxkablet af, så kun attenuatoren sidder tilbage. Husk at aktivere “Clock spur removal”. Nu viser skærmen kun de spurious, som ikke kan fjernes. Vi tager et screen-dump af disse falske signaler, som er farvet røde. Når vi senere kalder dette screendump frem sammen med det rigtige skærmbillede, vil spurious fremstå som røde, og kan dermed identificeres.

Figur 13. Spurious i området 5-25 MHz.

Figur 13 viser et skærmbillede, hvor spurious er farvet røde (magenta). Hvordan fremkommer dette skærmbillede? Det sker ved at “disable” det normale trace, som kaldes “Main” og i stedet “enable” trace 4. Dette vises på figur 14.

Figur 14. Trace 4 er enabled (grøn), de øvrige er disabled (røde).

Nu fryser vi det røde skærmbilledet ved at trykke på “Hold” knappen under trace 4 (knappen skifter farve fra grå til blå). Tryk på “4”, så knappen bliver rød – så vil det røde skærmbillede med spurious forsvinde (det er stadig gemt i memory).

Step 3. Tryk nu på “Main”, så skifter knappen fra rød til grøn og du er tilbage ved det normale trace.

Step 4. Så snart du er klar til at se de røde spurious på skærmen, trykker du på “4”, således at “Main” og “4” er grønne samtidig. Nu kan du tydeligt se de røde spurious, som ikke skal regnes med i målingen. Dette er vist på figur 15.  Når du er færdig med at iagttage spurious, trykker du igen på “4”, så forsvinder det røde skærmbillede. Du kan altså slå det røde screendump med spurious til og fra med knap “4”.

Figur 15. “Main” og “4” vises samtidigt. 

Måleopstillingen med krystaloscillatoren er tidligere beskrevet på figur 7 og displayet er vist på figur 8 og figur 9.

Ud fra farverne og frekvenserne på figur 15 kan de forskellige peaks bestemmes.

Peak A er grundtonen på 7 MHz

Peak B er en spurious; se bort fra den

Peak C er 2.harmoniske på 14 MHz

Peak D er et ægte signal

Peak E er 3. harmoniske på 21 MHz

Peak F er SDRPlay clocksignalet på 24 MHz; det blev fjernet ved at trykke på “Clock spur removal”

Links

Links åbnes i et nyt faneblad eller vindue.

SDRplay hovedside med software, dokumentation og køb af hardware
https://www.sdrplay.com/

Attenuator
https://www.dmtonline.dk/products/productlist.aspx?searchtext=attenuator

Aktiv probe
https://www.ebay.co.uk/itm/RF-Active-Probe-0-1-1500-MHz-1-5-GHz-analyzer-oscilloscope-RF-cable-included/332393676082

Støjgenerator
https://www.ebay.com/itm/142806862253

Relaterede

Leave a Comment