Записки программиста

В умных книжках можно найти описание различных тестов трансиверов и усилителей. Обычно они проводятся с использованием двухтонального генератора и осциллографа и/или анализатора спектра. Давайте же попробуем выяснить, как проводятся такие тесты и что они показывают.

Что тестируем?

Если перебирать все мыслимые комбинации трансиверов, цифровых интерфейсов, мощности, радиолюбительских диапазонов, модуляции и так далее, то никакого времени не хватит, да и статья выйдет затянутой. Поэтому в рамках поста мы сосредоточимся только на одном варианте. Тестировать будем трансивер Yaesu FT-891 с мощностью 50 Вт в радиолюбительском диапазоне 40 метров. Для подачи аудиосигнала в трансивер будет использован самодельный интерфейс для цифровых видов связи. Сигнал будем генерировать в Audacity. В рамках данной статьи мы рассмотрим лишь пару наиболее распространенных и простых тестов.

Самодельный ответвитель

Само собой разумеется, подавать 50 Вт напрямую в осциллограф и тем более в анализатор спектра мы не можем. Нам нужно устройство, которое брало бы от этих 50 Вт небольшую часть, и желательно без искажений. Такое устройство называется ответвитель (не путать с направленным ответвителем!), или в английском языке RF sampler. Ответвитель несложно сделать самому:

В сущности, это металлическая пластинка или проволочка, которая подведена близко к жиле кабеля, но не касается ее. За счет емкостной связи часть энергии с основной линии (UHF разъемы слева и справа) попадает на отвод (BNC разъем сверху). Если слева подключить трансивер, справа — эквивалент нагрузки, а отвод — к осциллографу или анализатору спектра, то конструкция в целом работает подобно аттенюатору на большую мощность.

Измерим зависимость аттенюации от частоты при помощи следящего генератора:

Здесь пурпурный график — это аттенюация, а желтый показывает уровень шума. На частотах от 1.8 МГц до 30 МГц имеем от -65 дБ до -52 дБ. На 144-146 МГц видим порядка -40 дБ. Теперь прикинем. Один киловатт соответствует 60 dBm. DSA815-TG может принимать не более 20 dBm. Таким образом, на КВ и в диапазоне 160 метров мы можем анализировать киловаттные усилители, при условии, что изготовим подходящий эквивалент нагрузки. На двухметровом диапазоне я бы не подавал в ответвитель больше 100 Вт (50 dBm).

Помимо аттенюации также не забываем проверить КСВ. Для этого был использован антенный анализатор EU1KY и маломощный эквивалент нагрузки, имеющий КСВ ≤ 1:1 до 450 МГц. Из заметки про NanoVNA вы можете помнить, что найти такие эквиваленты нагрузки не так-то просто. Итак, подключаем его к антенному анализатору через ответвитель. До 30 МГц видим КСВ 1, все хорошо. На 145 МГц значение КСВ составило 1.2. Сойдет. В диапазоне 70 сантиметров был получен КСВ 2. На этом диапазоне пользоваться ответвителем не стоит.

Fun fact! Ответвители часто применяют в телевидении, где от магистральной линии нужно отводить сигнал конкретному абоненту.

Дополнение: Вместо ответвителя можно воспользоваться самодельным аттенюатором 30 dB на 100 Вт.

Тест CW сигнала

Посмотрим, что передает трансивер в эфир, когда мы работаем в телеграфе:

Отвод подключается к осциллографу напрямую, безо всякого согласования импеданса. Сигнал и так слабенький. Если его амплитуду еще и на два поделить, против нас начнет играть вертикальное разрешение осциллографа.

Заметьте, что на осциллограмме нет никаких лишних всплесков или чего-то такого, а края у несущей как бы немного срезаны. Это делается специально. Иначе будут излучаться гармоники, которые не только зря расходуют энергию, но и засоряют эфир. За предание CW сигналу правильной формы в трансивере отвечает специальный компонент, waveshaping circuit.

А так выглядит спектр сигнала:

Просто загляденье!

Интермодуляционные искажения

Интермодуляционные искажения, ИМИ (intermodulation distortion, IMD) — искажения сигнала, возникающие в усилителе в связи с его нелинейностью. Если эти искажения велики, трансивер излучает существенную часть энергии за пределами полосы сигнала. Если повезет, то энергия просто расходуется впустую. Если нет, то мы еще и создадим помехи другим радиолюбителям.

Для измерения IMD в трансивер подается двухтональный аудиосигнал. При этом тона не должны быть кратны друг другу. Например, 1000 Гц и 2000 Гц не подходят. Я использовал 1550 Гц и 2150 Гц. Для генерации сигнала в Audacity создаем два трека через меню Tracks → Add New → Mono Track. Синусоидный сигнал заданной частоты генерируется в меню Generate → Tone. У нас два трека, поэтому амплитуду сигнала выбираем равной 0.5.

Трансивер переводим в режим DATA. Напомню, что он представляет собой SSB (USB) с полностью отключенными эквалайзерами, компрессорами и так далее, которые только помешают нашим измерениям. Подаем сигнал, и в осциллографе должны увидеть такую картину:

Перед вами классическая осциллограмма двухтонального сигнала в SSB. Если приглядеться к амплитуде сигнала, можно увидеть практически идеальную синусоиду. Это говорит о том, что в сигнале мало искажений.

Если мы увеличим громкость, осциллограмма станет такой:

Видим как бы синусоиду, но со срезанной верхушкой. Это говорит нам о том, что сигнал сильно искажен. Возможны и другие варианты искажений. Синусоида может быть как бы завалена на бок или не проходить через ось OX. Все, что отличается от приведенной выше хорошей картинки свидетельствует о высоком IMD.

Осциллограф позволяет оценить IMD на глаз, но более точную картину нам покажет анализатор спектра. Вернем громкость как было и посмотрим на спектр сигнала:

Здесь пики 3 и 4 представляют собой наш сигнал, а пики 1, 2 и все остальные — это интермодуляционные продукты. Мы видим, что последние на ~30 дБ ниже основных сигналов. Согласно The ARRL Handbook, 30 дБ является типичным значением для современных трансиверов, 35 дБ считается очень хорошим результатом, а 25 дБ — посредственным (mediocre) значением, что бы авторы не имели ввиду.

Заметьте также, что интермодуляционные продукты затухают по мере удаления от основного сигнала. Может быть так, что множество пиков выходят сильно за пределы полосы сигнала, и не особо спешат затухать. Такой результат неприемлем, даже если каждый отдельный пик идет с уровнем -30 дБ по сравнению с основным сигналом.

Заключение

Как вы можете видеть, проверить качество сигнала и убедиться, что он никому не создает помех в эфире, не так уж и сложно. Анализатор спектра в этом деле будет полезен, но не является обязательным. Для проверки достаточно только осциллографа. Если нет осциллографа, то проверить сигнал необходимо хотя бы с помощью знакомого радиолюбителя.

Увы, многие радиолюбители подобных проверок не делают. Для CW и SSB это не критично, поскольку можно просто положиться на производителя трансивера. Однако это важно для цифровых видов связи. Теперь мы понимаем, откуда на частотах BPSK и FT8 берутся всевозможные паразитные сигналы.

Само собой разумеется, есть и другие метрики, характеризующие приемники, передатчики, усилители и генераторы. Например, Total Harmonic Distortion (THD), Signal to Noise And DIstortion (SINAD), Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), динамический диапазон по блокированию (Blocking Dynamic Range, BDR), чувствительность и другие. Увы, они выходят за рамки данного поста.

Дополнение: Измеряем параметры усилителей с помощью анализатора спектра и генератора сигналов

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио.