К вопросу о VNA или японо-китайский прибор

«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.

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-Δf)+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)…= (Δf+(2*f-Δf ))+((2*f+ Δf )+(4*f- Δf ))+((4*f+Δf )+(2*f- Δf ))+(3*Δf+6*f-3*Δf)+ …. Тогда, если поставить полосовой фильтр с пропусканием от 0 до Δf с отсечкой до 3*Δf, 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 Δf в полосу попадала, а Δf/2 и Δf*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 Δf измеряем биение первых гармоник, уменьшаем Δf 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.