Forum: HF, Funk und Felder Leistung mit SA/VNA messen


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von Peter M (Gast)


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Hallo,

Es raubt mit den Nerv! Ich moechte mein software defined radio (USRP) 
kalibrieren und moechte daher die Ausgangsleistung messen.

Ich weiss, normalerweise gibt's dafuer Powermeter. Habe ich aber nicht. 
Ich habe jedoch einen VNA (Keysight E5080A) dessen Spectrum Analyzer 
sehr gut und frisch kalibriert ist (<0.5dB error).

Natuerlich krieg' ich aber unterschiedliche Werte, je nachdem welche 
parameter (vor allem "IF Bandwidth" (RBW; resolution BW) ich verwende.

Ich exportiere die Trace des VNA in eine CSV Datei und berechne total 
power als, indem ich ueber das power spectrum integriere:
% PSD is in dBm as displayed by the spectrum analyzer (SA)
% frequencies are the linear, evenly spaced frequencies as displayed by the SA
% RBW is the "IF bandwidth" used by the SA
deltaF = frequencies(2)-frequencies(1);
Ptot = 10*log10(trapz(10.^(PSD/10)/RBW)*deltaF);

Im Anhang sind drei Traces (RBW=1kHz, 10kHz, 100kHz, alle ueber 100 
traces gemittelt) mit zoom.

Welcher RBW kann ich "trauen"?
Was ist die richtige RBW Einstellung fuer eine akkurate Messung?
Wie kann ich die Leistung fehlerfrei und genau mit VNA/SA messen?

von GHz N. (ghz-nerd)


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Zuerst einmal: Mit einem Sinus-Signal wäre alles einfacher... Ansonsten 
musst du sicherstellen, dass du einen geeigneten Detektor (zb RMS) im SA 
verwendest und allfällige Korrekturfaktoren für die RBW Filter anwendest

von Peter M (Gast)


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Es ist ein Sinus! Das ist der Punkt. Im Beispiel oben sendet das SDR 
einen Sinus bei 916 MHz. Die Nebenkeulen im Zoom kommen glaub ich von 
einer Fensterung.

Was ich aber beim nochmaligen Hinsehen nicht verstehe ist woher die 
anderen Peaks herkommen (speziell der bei 910 MHz). Der ist ausserhalb 
vom SDR (fcenter=915MHz, BW=5MHz, d.h. das band des SDR ist 912.5-917.5 
MHz und der Sinus ist bei 916 MHz. Da sollte es nur einen Peak geben 
(schwach ist die Spiegelung aufgrund I/Q imbalance bei 914 MHz 
erkennbar).

Kann es sein dass ein VNA doch nicht wirklich ein guter SA ist? Der 
scheint hier was komisches zu machen. Also glaube ich, das mit dem 
Integrieren ist keine so gute Idee.

Angenommen ich schicke einen Sinus bei 916 MHz, und setze die Center 
Frequency des VNA auf 916 MHz. SDR und VNA sind nicht synchronisiert, 
d.h. da gibt es einen Frquenzunterschied. Aber muesste ich nicht mittels 
Peak richtig messen wenn ich einfach maximale IF Bandwidth nehme?

Sagen wir, ich nehme IF Bandwidth=1.5 MHz, dann habe ich zwar keine gute 
Frequenzaufloesung, aber die korrekte Leistung muesste ich erhalten 
indem ich einfach den Peak messe?

von Mario H. (rf-messkopf) Benutzerseite


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Peter M schrieb:
> Es ist ein Sinus! Das ist der Punkt. Im Beispiel oben sendet das SDR
> einen Sinus bei 916 MHz. Die Nebenkeulen im Zoom kommen glaub ich von
> einer Fensterung.

Richtig, die kommen vom ZF-Filter des VNA.

> Was ich aber beim nochmaligen Hinsehen nicht verstehe ist woher die
> anderen Peaks herkommen (speziell der bei 910 MHz). Der ist ausserhalb
> vom SDR (fcenter=915MHz, BW=5MHz, d.h. das band des SDR ist 912.5-917.5
> MHz und der Sinus ist bei 916 MHz. Da sollte es nur einen Peak geben
> (schwach ist die Spiegelung aufgrund I/Q imbalance bei 914 MHz
> erkennbar).

Dein VNA hat eine digitale ZF? Jedes digitale Filter ist periodisch, mit 
einer Periode, die von der Samplingrate abhängt. Schau Dir mal die 
Übertragungsfunktion eines solchen Filters (d.h. die Z-Transformation 
der diskreten Impulsantwort) im Frequenzbereich an. Die Periode ist 
gerade die Samplingfrequenz.

> Kann es sein dass ein VNA doch nicht wirklich ein guter SA ist?

So sieht es aus. Man kann einen VNA für die eine oder andere Anwendung 
behelfsweise als SA einsetzen, das hat aber seine Grenzen. Der Empfänger 
eines VNA ist dafür gemacht, ein Signal zu messen, das in der Frequenz 
genau der Anregung entspricht.

von Markus W. (dl8mby)


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@Peter,

die Spitzenwerte des Signals im Spektrum
sind doch alle gleich - richtig?
Wenn es wirklich ein reiner Sinus ist und
du nicht auf Promill-Genauigkeit in der
Leistung wert legst, kannst Du doch aus der
Amplitude im Spektrum die Leistung errechnen
unter der Vernachlässigung der Leistung in der
Oberwellen.
Hast Du auch eine ATT vorgeschaltet, um nicht
den Eingang des VNA's zu überfahren?

Markus

von Peter M (Gast)


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Mario H. schrieb:
> Peter M schrieb:
>> Es ist ein Sinus! Das ist der Punkt. Im Beispiel oben sendet das SDR
>> einen Sinus bei 916 MHz. Die Nebenkeulen im Zoom kommen glaub ich von
>> einer Fensterung.
>
> Richtig, die kommen vom ZF-Filter des VNA.

Dumme Frage: Was genau ist "ZF"-Filter?
(Ich weiss was IF Filter ist)

>> Was ich aber beim nochmaligen Hinsehen nicht verstehe ist woher die
>> anderen Peaks herkommen (speziell der bei 910 MHz). Der ist ausserhalb
>> vom SDR (fcenter=915MHz, BW=5MHz, d.h. das band des SDR ist 912.5-917.5
>> MHz und der Sinus ist bei 916 MHz. Da sollte es nur einen Peak geben
>> (schwach ist die Spiegelung aufgrund I/Q imbalance bei 914 MHz
>> erkennbar).
>
> Dein VNA hat eine digitale ZF? Jedes digitale Filter ist periodisch, mit
> einer Periode, die von der Samplingrate abhängt. Schau Dir mal die
> Übertragungsfunktion eines solchen Filters (d.h. die Z-Transformation
> der diskreten Impulsantwort) im Frequenzbereich an. Die Periode ist
> gerade die Samplingfrequenz.

Weiss nicht was ZF ist (siehe oben) aber es ist ziemlich sicher digital 
(Keysight E5080A).

Periodizitaet waer' ein guter Punkt aber dann wuerd ich eigentlich mehr 
als nur eine Replika erwarten.

Ich haenge nochmal einen Vergleich an:

* Input: Sinus auf 916 MHz
* 0dbm_916mhz.png : Screenshot des VNA (900-930MHz, 50kHz IF bandwidth)
* GSP730_100kHzRBW.JPG : Screenshot eines billigen SA (GW Instek 
GSP730); 900-930 MHz, 100kHz RBW

Die Peak-Werte sind aehnlich, der VNA hat allerdings die Fensterung und 
die komischen Peaks.

Dem GW Instek GSP730 traue ich nicht, da billig und unkalibriert. Ich 
wuerde gerne den ENA E5080A VNA verwenden weil ich von dem weiss der er 
frisch kalibriert ist und genau ist.

>> Kann es sein dass ein VNA doch nicht wirklich ein guter SA ist?
>
> So sieht es aus. Man kann einen VNA für die eine oder andere Anwendung
> behelfsweise als SA einsetzen, das hat aber seine Grenzen. Der Empfänger
> eines VNA ist dafür gemacht, ein Signal zu messen, das in der Frequenz
> genau der Anregung entspricht.

Wie wuerdest du eine Leistungsmessung mit so einem VNA machen? Einfach 
den Peak messen? Welche Einstellungen (IF Bandwidth, Averaging etc.) 
wuerdest du verwenden?

Markus W. schrieb:
> @Peter,
> die Spitzenwerte des Signals im Spektrum
> sind doch alle gleich - richtig?

Ja, 0.01dB Unterschied.

> Wenn es wirklich ein reiner Sinus ist und
> du nicht auf Promill-Genauigkeit in der
> Leistung wert legst, kannst Du doch aus der
> Amplitude im Spektrum die Leistung errechnen
> unter der Vernachlässigung der Leistung in der
> Oberwellen.

Ja, das war meine Frage. Ist das der richtige Weg? Und wenn ja, welche 
Einstellungen (for allem resolution bandwidth) verwende ich?

Im Anhang siehst du Screenshots von einem VNA, einmal mit 100kHz und 
einmal mit 1MHz RBW. Der Peak ist unterschiedlich!

* GSP730_100kHzRBW.JPG : -6dBm
* GSP730_1MHzRBW.JPG : -7.8dBm

Der erste Wert ist einigermassen mit dem konsistent was ich an Peak mit 
dem VNA messe (siehe oben).

Aber ich verstehe nicht wieso ich 1.7dB weniger mit 1MHz RBW messe. Wenn 
schon, dann wuerd ich es umgekehrt erwarten: eine kleine RBW koennte den 
Sinus nicht komplett treffen und daher einen kleineren Wert anzeigen. 
Aber wenn die RBW 1 MHz ist dann muesste jeder Messpunkt die 
Signalleistung von 1 MHz beinhalten. Und 1 MHz beinhaltet bestimmt den 
Sinus.

> Hast Du auch eine ATT vorgeschaltet, um nicht
> den Eingang des VNA's zu überfahren?

Ja.


Vielen Dank!

Peter

von Michael M. (michaelm)


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Peter M schrieb:
> Dumme Frage: Was genau ist "ZF"-Filter?
> (Ich weiss was IF Filter ist)

https://de.wikipedia.org/wiki/ZF
Sind deutsche Technik-Fachbegriffe inzwiachen aooo aehr aus der Mode 
gekommen, so dass wir in Kürze nur noch Denglish sprechen und schreiben? 
^^

Michael

von Mario H. (rf-messkopf) Benutzerseite


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Peter M schrieb:
> Weiss nicht was ZF ist (siehe oben) aber es ist ziemlich sicher digital
> (Keysight E5080A).

Das ist die IF auf deutsch (Zwischenfrequenz).

> Periodizitaet waer' ein guter Punkt aber dann wuerd ich eigentlich mehr
> als nur eine Replika erwarten.

Kommt auf die Architektur des Geräts an. Vielleicht liegen die anderen 
Perioden nicht mehr innerhalb der Bandbreite des ZF-Zugs. Oder die 
Geisterlinie hat andere Ursachen (vielleicht eine Spiegelfrequenz).

Ich habe das gerade mal bei meinem VNA ausprobiert. Ebenfalls ein voll 
digitaler. Im ersten Bild ein 100 MHz-Signal mit 0 dBm am Port, 
ZF-Bandbreite auf 500 kHz eingestellt. Man bekommt ein Bild bei 65 MHz.

> Wie wuerdest du eine Leistungsmessung mit so einem VNA machen? Einfach
> den Peak messen? Welche Einstellungen (IF Bandwidth, Averaging etc.)
> wuerdest du verwenden?

Vorzugsweise würde ich das gar nicht mit einem VNA messen, wenn ich 
ernsthaft an der Amplitude interessiert wäre. Das zweite Bild zeigt 
nochmal das 100 MHz/0 dBm-Signal, gemessen mit zwei verschiedenen 
ZF-Bandbreiten (100 Hz und 1 kHz), bei 1 MHz Span und mit 1001 Punkten. 
Da kann man auch gleich würfeln.

Das Problem ist offensichtlich, dass der Peak nicht genau auf einem der 
Messpunkte liegt. Also sollte man die Bandbreite nicht zu klein wählen.

Außerdem sieht man, dass die ZF-Filter nicht gerade für die 
Spektrumanalyse optimiert sind. Die sollen eben möglichst schnell 
einschwingen bei Amplitudenänderungen, und ansonsten nur für einen 
ausreichenden Dynamikbereich sorgen. Deswegen sind moderne VNA auch so 
schnell.

> Die Peak-Werte sind aehnlich, der VNA hat allerdings die Fensterung und
> die komischen Peaks.

Mit Fensterung meinst Du die Stopband Ripple? Wie gesagt, die ZF-Filter 
in einem VNA sind auf andere Gesichtspunkte hin optimiert, als in einem 
Spektrumanalysator. Wenn man eine solche Zweckentfremdung betreibt, muss 
man mit diesen Unschönheiten leben.

> Aber ich verstehe nicht wieso ich 1.7dB weniger mit 1MHz RBW messe. Wenn
> schon, dann wuerd ich es umgekehrt erwarten: eine kleine RBW koennte den
> Sinus nicht komplett treffen und daher einen kleineren Wert anzeigen.
> Aber wenn die RBW 1 MHz ist dann muesste jeder Messpunkt die
> Signalleistung von 1 MHz beinhalten. Und 1 MHz beinhaltet bestimmt den
> Sinus.

Was sagt denn die Spezifikation Deines Spektrumanalysators zur 
Amplitudengenauigkeit?

von blubb (Gast)


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Warum nicht span auf 300 MHz, RBW auf 1MHz, 10k averaging und dann mal 
schauen was passiert wenn man den Ausgangspegel des SDR in SW oder HW um 
10,30,30dB abschwächt..

von Volker M. (antennensimulation)


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Mario H. schrieb:
> Vorzugsweise würde ich das gar nicht mit einem VNA messen, wenn ich
> ernsthaft an der Amplitude interessiert wäre.

Genau. Schon ein "richtiger" Spektrumanalysator ist zur genauen 
Leistungmessung zweite Wahl. Das gilt erst Recht für einen VNA als 
Behelfs-Spektrumanalysator, wie die Meßergebnisse eindrucksvoll zeigen.

von Bernd (Gast)


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Peter M schrieb:
> Im Anhang siehst du Screenshots von einem VNA, einmal mit 100kHz und
> einmal mit 1MHz RBW. Der Peak ist unterschiedlich!
>
> * GSP730_100kHzRBW.JPG : -6dBm
> * GSP730_1MHzRBW.JPG : -7.8dBm
Im ersten Bild steht links oben in der Ecke 'AMPL UNCAL'.
Im zweiten Bild scheint der Marker nicht ganz oben auf dem Berg zu 
sitzen.
Der Peak sollte schon auf's 1/10 dB passen.
Hast Du nach jedem Bandbreitenwechsel 'peak search' erneut gedrückt?


Auf wieviel dB genau willst Du denn den USRP ausmessen?
Wenn die vielen Nebenlinien wirklich nicht vom USRP kommen, sondern bei 
der Erfassung entstehen, kannst Du dem VNA diesbezüglich nicht trauen.

Hast Du einen brauchbaren HF-Generator?
Damit könntest Du den VNA und den Spektrumanalysator prüfen.


Volker M. schrieb:
> Schon ein "richtiger" Spektrumanalysator ist zur genauen
> Leistungmessung zweite Wahl.
Was nimmt man da? Einen Leistungsmesskopf? Und wenn ja, warum?

von Volker M. (antennensimulation)


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Bernd schrieb:
> Volker M. schrieb:
>> Schon ein "richtiger" Spektrumanalysator ist zur genauen
>> Leistungmessung zweite Wahl.
> Was nimmt man da? Einen Leistungsmesskopf? Und wenn ja, warum?

Wenn mit dem Spektrumanalysator sichergestellt ist, daß man keine 
relevanten Nebenlinien hat, dann würde ich einen Leistungsmeßkopf 
nehmen. Die absolute Genauigkeit ist viel besser als bei einem 
Spektrumanalysator.

von DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite


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Falls Selbstbau möglich ist: hier ein Leistungsmesser bis 8 GHz von 
DL4JAL:

https://www.qrpforum.de/forum/index.php?thread/13127-qrp-wattmeter-mit-oled-4x20-zeichen/&postID=104196#post104196

von Peter M (Gast)


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Mario H. schrieb:
> Ich habe das gerade mal bei meinem VNA ausprobiert. Ebenfalls ein voll
> digitaler. Im ersten Bild ein 100 MHz-Signal mit 0 dBm am Port,
> ZF-Bandbreite auf 500 kHz eingestellt. Man bekommt ein Bild bei 65 MHz.

Wow, das is echt interessant! Danke fuers Ausprobieren!
Das bestaetigt dann wohl die Theorie mit den Bildern ... und dass ich 
nur einen Peak messe.

Mario H. schrieb:
> Vorzugsweise würde ich das gar nicht mit einem VNA messen, wenn ich
> ernsthaft an der Amplitude interessiert wäre.

Wie gesagt, hab ich leider nix anderes (ausser dem alten GW Instek 
Billigkram SA aus unbekannter Quelle, dem ich nicht traue).
Der VNA ist ein Rental und wurde vor kurzem kalibriert. Dem wuerde ich 
"trauen".

> Das zweite Bild zeigt
> nochmal das 100 MHz/0 dBm-Signal, gemessen mit zwei verschiedenen
> ZF-Bandbreiten (100 Hz und 1 kHz), bei 1 MHz Span und mit 1001 Punkten.
> Da kann man auch gleich würfeln.
>
> Das Problem ist offensichtlich, dass der Peak nicht genau auf einem der
> Messpunkte liegt. Also sollte man die Bandbreite nicht zu klein wählen.

Das war der Ursprung meiner Frage: Welche ZF Bandbreite?

Ich glaube aber mittlerweile dass ich die passende Antwort gefunden 
habe:

blubb schrieb:
> Warum nicht span auf 300 MHz, RBW auf 1MHz, [...]

Ich habe einen Graph erstellt mit Peak Amplitude vs. ZF-BB.

Die ist fuer grosse BB ziemlich konstant, faellt dann aber stark ab (bei 
etwa 50kHz).
Wenn ich es richtig verstehe, ist der Empfaenger des VNA einfach ein 
Mixer, mit ZF Filter und dann Leistungsmessung. Je groesser die 
Bandbreite, desto hoeher die Wahrscheinlichkeit dass die Frequenz mit 
einem getunten Frequenzpunkt "eingefangen" wird. Da gibt es nur 2 
Nachteile:
1.) Je hoeher ZF-BB, desto hoeher Noise. Akkurat ist die Methode nur 
fuer grosse Amplituden
2.) Die Frequenzaufloesung wird geringer. Da ich aber nur an der 
leistung (und nicht der genauen Frequenz) interessiert bin, sollte das 
nix ausmachen.

Wenn hingegen die ZF-BB zu niedrig ist, kann es sein dass kein Messpunkt 
die Signalfrquenz genau trifft -- diese ist das etwas ausserhalb des 
Filters und abgeschwaecht. Das erklaert den Abfall im gemessenen Peak 
mit kleinerer ZF-BB.

Daher ist meine Konklusio: Maximale ZF-BB (=1.5MHz) nehmen und Peak 
messen (und nicht integrieren). Dem sollte ich am ehesten trauen 
koennen.

Ich hoff jedenfalls dass das so stimmt wie ich's geschrieben (und nun 
gemessen) have.

Bernd schrieb:
>> * GSP730_100kHzRBW.JPG : -6dBm
>> * GSP730_1MHzRBW.JPG : -7.8dBm
> Im ersten Bild steht links oben in der Ecke 'AMPL UNCAL'.
> Im zweiten Bild scheint der Marker nicht ganz oben auf dem Berg zu
> sitzen.
> Der Peak sollte schon auf's 1/10 dB passen.
> Hast Du nach jedem Bandbreitenwechsel 'peak search' erneut gedrückt?

Ja, habe ich.
Der Instek GSP730 ist ein billiger Schrott ... das ist der Grund wieso 
ich dem nicht traue (und stattdessen den VNA verwenden moechte!)

Wie ich aber oben erklaert habe, ist es glaub ich am besten der hoeheren 
RBW (=IF BB) zu trauen. Die -7.8dBm waeren dann einigermassen mit dem 
kompatibel was ich mit dem VNA messe.

Bernd schrieb:
> Hast Du einen brauchbaren HF-Generator?
> Damit könntest Du den VNA und den Spektrumanalysator prüfen.

Leider nicht (ausser den, der im VNA verbaut ist und den ich uebrigens 
verwendet habe um den Receiver des USRP zu kalibrieren).



Herzlichen Dank an alle fuer die Hilfe und Diskussion!

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