Einsatz des Red Pitaya als VNA / Netzwerkanalysator

letzte Aktualisierung erfolgte am 03.06.2016 um 13:30
Wichtige Änderung: die Software HamVNA kann nicht mit dem RedPitaya eingesetzt werden! Nähere Infos am ganz unten am Ende des Beitrags

Hallo liebe YLs und OMs,

dieser Thread handelt vom Einsatz des Red Pitaya (im Folgenden abgekürzt mit 'RP') als Vector Network Analyzer (Netzwerkanalysator). Der RP kann selbstverständlich auch ganz viele andere tolle Sachen wie z.B. Spektrumanalyzer, Impedanzmessungen, Kabelmessungen, Oszilloskop, Funktionsgenerator, Logic Analyser, LCR meter, Bode Analyzer, uvm... welche aber nicht Gegenstand dieses Threads werden sollen. Hierzu werde ich in Zukunft extra Threads eröffnen.

In diesem Thread wollen wir also über den Red Pitaya als VNA diskutieren, was man dazu alles benötigt und wie man misst.

Randbemerkung:
An dieser Stelle möchte ich erwähnen, dass ich mich mit Messtechnik so gut wie nicht auskenne und mich deshalb als absoluten "Laie" bezeichne. Das einzige Wissen hierzu ist dieses aus meinem Amateurfunklehrgang der Technik - KlasseA. Aufmerksam auf dieses Forum hier bin ich durch Google-Recherche geworden und letztendlich auf den Thread von DH1AKF (Wolfgang) gelandet, der sein überaus spannendes SDR-Projekt in diesem Thread erläutert. Ohne Wolfgangs' Hilfe wäre ich nicht soweit gekommen und ich hoffe auch auf seine weitere Hilfestellungen sowie auch vom Rest des Forums. An dieser Stelle nochmals ein DICKES DANKE an Wolfgang DH1AKF, vor allem für sein Verständnis und seine Geduld da ich seinen Thread anfangs leider für meine Fragen missbraucht hatte

Pavel Demin dürfte allen RP-Besitzern sicherlich bekannt sein. Er hat verschiedene Applikation entwickelt, die alle auf Pavels Demin's Webseite zu finden sind. Unter anderem hat er auch die Applikation des RP für den Einsatz als VNA entwickelt.

Die VNA Applikation und sämtliche Informationen dazu sind auf Pavel Demin's VNA Webseitezu finden. Pavel stellt auf seiner genannten VNA-Seite verschiedene PDF-Dokumente zum Download bereit:

- grundlegende Informationen von Vector Network Analyzer
- eine Einführung in VNA-Messungen
- seine selbstgebaute Reflexionsmessbrücke mit Messbeispielen und Erläuterungen
- VNA Anleitung mit praktischen Beispieln am Beispiel des MSA (Scotty’s Modular Spectrum Analyzer)

Welche Software wird benötigt?
==> offizielles Red Pitaya Image (aktuelle Version zum heutigen Stand version 0.95-1)

- Man installiert dieses image einmalig auf seine microSD-Karte und konfiguriert sich seinen RP wie in der offiziellen RedPitaya Anleitung erklärt, damit man sich von seinem Arbeits-PC über das Netzwerk auf den RP verbinden kann.

- Dann installiert man sich die App "Vector Network Analyzer" von Pavel Demin.
[Blockierte Grafik: http://i.imgur.com/l8Wj25X.jpg]

Hinweis: die App "VNA" auf dem RedPitaya muss aktiv sein und laufen. Wenn man in der RP WebGUI auf "Zurück" klickt und wieder ins Hauptmenü gelangt wo alle App-Symbole zu sehen sind, dann wurde die App beendet. Die App "VNA" (=server) läuft dann also nicht, ergo wird die Clientsoftware "VNA" die Verbindung zum RedPitaya verlieren.

Dann benötigen wir noch das gleichnamige Client-Programm "VNA" von Pavel Demin, welches auf einem Windows-PC installiert wird. Auf Pavels' VNA Seite weiter unten im Abschnitt Getting started with MS Windows (pre-built control program) findet man das VNA Programmzum Download. Das ist der Client, den man benötigt, um auf den VNA-Server des RP zuzugreifen. Hier ein screenshot nachdem man "VNA" auf seinem Windows-PC durch Aufruf der vnc.exe gestartet hat.

Was wird außerdem benötigt?
Wolfgang hat mir das freundlich erklärt und die notwendigen Infos geliefert. Zur Antennenmessung braucht man auf jeden Fall eine Messbrücke, z.B. eine Wheatston- Bridge bzw. einen Reflexkoppler, wie er ihn z.B. HIERmal gezeigt hatte. Oder als "Bausatz vom Funkamateur". Ich habe mich für die erwähnte Reflexionsmessbrücke von Funkamateur entschieden. Sie kostet 36,- EUR, ist sehr schnell und einfach zusammengebaut und sieht so aus:

Hier die detaillierte PDF-Anleitung mit Beispieleinsatz des FA-NWT.

Hinweis: wer von Funkamateur diese Reflexionsmessbrücke bestellt, könnte sich gleich dazu diesen Shunt / Längswiderstand mitbestellen. Man spart sich Portokosten. Der ist für den Einsatz als VNA nicht erforderlich, jedoch braucht man diesen Shunt für Impedanzmessungen (LCR meter) falls man das mit seinem Red Pitaya ebenfalls nutzen möchte.

Beim Zusammenbauen/Löten des Reflexionsmesskopfes hält man sich an die bereits erwähnte detaillierte PDF-Anleitung vom Funkamateur-Verlag.

Hinweis: die Reflexionsmessbrücke wird exakt wie auf Seite1 dieser PDF zusammengelötet. Auf Seite 2 wird erwähnt, wie man sie auch als Richtkoppler verwenden könnte, das wollen wir aber nicht in unserem Fall. Also unbedingt an Seite 1 und den Bildern 2 bis 4 halten.

WICHTIGER HINWEIS! soeben habe ich von Pavel Demin erfahren, dass sein zuvor implementierter Code in seiner App "HPSDR" für den Einsatz als VNA nicht funktioniert. Deshalb hat Pavel am 12. Mai 2016 folgende Nachricht hinterlassen:

Zitat von "Pavel Demin"

After several only partially successful attempts to make my SDR application reliably work with HamVNA I developed a new VNA application for Red Pitaya.

It's now available from the Red Pitaya application marketplace. More details can be found at this link (http://pavel-demin.github.io/red-pitaya-notes/vna/).

All in all, I'm quite happy with this new application:

- it sweeps the frequencies 12 times faster than HamVNA (500 points/s vs 40 points/s)
- most of the calculations are done by the on-board CPU and FPGA
- the client program is written in Python 3 (with PyQt5, NumPy and matplotlib) and runs on Linux and Windows
- it reads data from both Red Pitaya inputs (IN1 and IN2), so we could think of how to use the data from IN2

Alles anzeigen

Den entsprechenden VNA-Code aus seiner OpenHPSDR/Transceiver hat er bereits wieder rausgenommen. HamVNA kann also in Verbindung mit dem RP nicht verwendet werden. Trotz allem würde ich euch empfehlen, HamVNA weiterhin auf eurem Windows-PC installiert zu lassen, da wir das später dennoch für eine gute Funktion nutzen können, dazu später mehr. Momentan sieht der Stand also so aus: das einzig funktionierende Programm um den RP als VNA zu nutzen ist Pavels' Programm "Vector Network Analyzer". Vorteile: Ist viel schneller als HamVNA beim sweepen und kann sogar beide Eingänge des RP steuern, für die Zukunft erwartet uns also auch ein Dual-Channel VNA schauen wir mal was noch kommt ...

Eine Messung durchführen
An dem Beispiel eines provisorisch aufgestellten Halbwellendipols in einer amateurfunk-unfreundlichen Umgebung demonstriere ich eine Messung.

Wir starten mittels der RP WebGUI die App "Vector Network Analyzer":

Auf unserem Windows-PC starten wir durch Aufruf von "VNA.exe" den gleichnamigen Client, also das Kontrollprogramm "VNA". Einige buttons und Felder im rechten oberen Fensterbereich sind dabei ausgegraut, man kann sie nicht auswählen weil noch keine Verbindung mit dem RP hergestellt wurde.

Nun geben wir oben links die IP-Adresse unseres RP an und drücken den button "Connect". Insofern die Verbindung erfolgreich hergestellt wurde, werden diese ausgegrauten Bereiche aktiv. Dies signalisiert, dass das Windows-Programm "Vector Network Analyzer" erfolgreich mit dem Red Pitaya verbunden ist.

So sieht die Messanordnung mit der Reflexionsmessbrücke aus. Das Bild stammt aus der PDF-Anleitung der Reflexionsmessbrücke (siehe weiter oben), da kam ein anderer Netzwerkanalysator zum Einsatz, deshalb auch der angegebene Frequenbereich bis 160MHz. Also nicht wundern ansonsten sieht es aber exakt so aus.

Hier ein Foto von meinem Aufbau zu Hause. Der Anschluss "Gen" der Reflexionsmessbrücke ist mit OUT1 des RP verbunden, der Anschluss "U(mess)" der Reflexionsmessbrücke ist mit einem kurzen 50 Ohm Koaxialkabel mit dem IN1 des RP verbunden und am dritten Anschluss der Reflexionsmessbrücke habe ich auf dem BNC-Anschluss einen Adapter aufgeschraubt, damit ich am Ende eine PL-Buchse vorfinde. Hier wird unser DUT angeschlossen, DUT ist die Abkürzung für "Device Under Test" auf deutsch also "das zu messende Gerät". Hier verbinden wir dann die zu messende Kurzwellenantenne.

Nun muss diese Messanordnung erstmal kalibriert werden. Dazu werden drei initiale Messungen durchgeführt mit den Zuständen "OPEN", "SHORT" und "LOAD". Das macht man folgendermaßen:

Es wird KEINE Antenne angeschlossen, der offene Anschluss an der Reflexionsmessbrücke bleibt OPEN als offen. Dort steckt lediglich der BNC/PL-Buchse Adapter drin sonst nix. Dann drücken wir auf den button [Open] und erhalten daraufhin ein Bild ähnlich diesem:

Dann schließen wir den Anschluss "DUT" kurz. Man kann sich dazu auch einen BNC oder PL-Adapter basteln, den man vorher kurzgeschlossen hat. Ich habe mir diesen Weg aber erspart da ich das nur einmalig durchführen muss. Ich habe ein Stück Kupferdraht genommen und mir eine Drahtbrücke damit gebaut. Das eine Ende in die PL-Buchse gesteckt und das andere Ende an die Masse gelegt. Somit war der DUT-Anschluss der Reflexionsbrücke kurzgeschlossen. Nun drücken wir auf den button [Short] und erhalten ein Bild wie dieses hier:

Als dritten Schritt müssen wir jetzt die Drahtbrücke wieder entfernen und stattdessen einen Widerstand an diesen DUT-Anschluss anschließen. Damit wird quasi die Last dargestellt, also 50 Ohm in unserem Fall. Ich hatte noch einen BNC-Abschlusswiderstand parat, der hatte jedoch um die 51,2 Ohm als ich gemessen habe. Außerdem hätte ich die BNC-/PL-Buchse abschrauben müssen, damit hätte ich das Ergebnis ein klein wenig wieder abgefälscht. Deshalb habe ich meinen BNC-Endwiderstand nicht verwendet, stattdessen habe ich einfach einen Kohleschichtwiderstand mit 50,1 Ohm in die PL-Buchse eingesteckt. Eine Ende in das Innere der PL-Buchse das andere Ende an die Masse. Nun drücken wir auf den button [Load] und erhalten ein Bild wie dieses hier:

An diesem Schritt sind wir fertig mit der Kalibrierung. Ich empfehle hier den Zustand in einer Konfigurationsdatei abzuspeichern. Dazu klickt man einfach auf den button [Write cfg.] und speichert das in eine Datei ab.

Die abgespeicherte Konfigurationsdatei enthält die IP-Adresse und die drei durchgeführten Kalibrierungszustände OPEN, LOAD und SHORT. Warum wir das machen? Ganz einfach ==> beim nächsten Start des Windows-Programm "Vector Network Analyzer" muss man diesen Vorgang nicht erneut wiederholen. Man klickt einfach auf den button [Read cfg.], wählt die Datei aus und schon hat man sowohl die IP-Adresse seines RP wieder im Feld drin stehen und auch die 3 Kalibrierungszustände sind geladen.

Man kann sich die drei Kalibrierungszustände von Open, Short und Load jederzeit aufrufen indem man auf die entsprechenden buttons klickt. Keine Angst, dadurch wird nix überschrieben, man ruft lediglich die Bilderchen dazu auf. Die buttons dafür befinden sich auf der rechten Seite im Programm, siehe folgendes Bild zur Veranschaulichung.
[Blockierte Grafik: http://i.imgur.com/VlVCVsX.jpg]

Man sollte nur nicht auf die oberen buttons "Open", "Short" und "Load" klicken, da diese ja zur Kalibrierung verwendet werden, siehe vorheriger Schritt. Sonst würde man den Kalibrierungszustand überschreiben.

Nun ist alles vorbereitet, wir können eine Messung starten. Ich habe hierzu eine Experimental-Selbstbauantenne angeschlossen, die ich durch verschiedene mechanische Längen auf verschiedene Bereiche resonant bringen konnte. Um eine Messung durchzuführen einfach auf den button [DUT] klicken. Die Messung dauert nur wenige millisekunden. Die unterschiedlichen Darstellungen kann man durch Klick auf die buttons [Smith chart], [Impedance], [Refl. coeff.], [SWR] und [Return loss] auswählen.

um 25.6 MHz resonant:
[Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/fkf72jp5n/DD5_XX_Dipol_10m_horizontal_fres_28_9_MHz_SWR_1zu1.png]

irgendwo auf dem 10m-Band resonant:
[Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/j2r6yxq1n/Messung1_HORIZONTAL_fres_bei_25_6_MHz_breitbandig.png]

ein Smith Chart:
[Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/ji725p1cr/DD5_XX_Dipol_10m_horizontal_fres_28_4_MHz_Smith_Cha.png]

Tip: mit der linken Maustaste und dem Pfeil kann man sich einen Punkt auswählen und anklicken. Dort erscheint dann eine gelbe Box und ein Richtungspfeil wie in den screenshots zu sehen ist. Eine sehr nützliche Funktion wie ich finde. Wenn eine der gelben Boxen im Weg ist und stört, kann man die ganz einfach durch einen rechtsklick auf die gelbe Box wieder löschen. Somit kann man sich nach Bedarf mehrere Flags setzen in dem Diagramm.

im unteren linken Fensterbereich des Programmes sind verschiedene Funktionen auswählbar, die ich kurz erläutern möchte:
[Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/y28751gyn/symbols.jpg]

Mit dem Home-Symbol gelangt man an die urpsprüngliche Ansicht, so wie sie einem direkt nach einer Messung angezeigt wurde. Das nutzt man, wenn man zwischendurch mehrmals reingezoomt hat, verschoben hat, und man einfach die Ansicht "zurücksetzen" möchte.

Mit den Pfeilen kann man zwischen verschiedenen Schritten navigieren. Wenn man z.B. eine Auswahlbox um einen Bereich zieht um reinzuzoomen, dann ist das Schritt 2. Macht man dann weitere Änderung in der Ansicht, befindet man sich in Schritt3. Durch Pfeil-nach-Links würde man die Ansicht von Schritt2 anzeigen. Durch Pfeil-Rechts ist man wieder bei Ansicht von Schritt3. Einfach mal probieren, dann kriegt man den Dreh recht schnell raus.

Mit der Verschiebefunktion kann man sich innerhalb der Ansicht bewegen. Einfach den linken Mauszeiger gedrückt halten und bewegen.

Das Auswahlwerkzeug ist eine der meistgenutzten Funktionen, denn damit kann man durch "Linke-Maustaste-drücken-und-gedrückt halten" eine Auswahlbox um einen Bereich ziehen. Beim Loslassen der Maustaste wird in diesen Bereich reingezoomt.

Mit der Diskette kann man die aktuelle Diagrammansicht in eines der gängigen Grafikformate abspeichern, sogar auch in .PDF oder .PS Format.

Und mit dem letzten button, der grüne Haken, damit kann man den Titel des Diagramms bearbeiten, oder auch die Bezeichnungen und Skalenwerte der X- und Y-Achse.

Eine der wichtigsten Funktionen ist der button [Write s1p]:
damit speichert man die Messdaten in eine Datei im .s1p Dateiformat, so dass man sie später erneut wieder aufrufen kann. Würde man das nicht tun und stattdessen eine erneute Messung starten, dann wird der Bildschirminhalt mit den "neuen" Messdaten überschrieben. An die alten Messdaten gelangt man nicht mehr. Deshalb wichtige Messdaten immer vorher abspeichern! Ich habe auf meinem Festplatten-Dateisystem einen Unterordner namens "Messungen" erstellt und dort speichere ich Messungen ab, auf die ich später wieder zugreifen möchte.

... allerdings kann man das nicht mit dem Programm "Vector Network Analyzer" machen, das wir für die Messungen verwendet hatten (!) Hier kommt nun wieder das bereits im Ursprungsthread erwähnte Programm "HamVNA" ins Spiel. Das können wir nämlich dazu nutzen, um unsere mit "VNA" gespeicherten Messdaten zu laden/öffnen und darstellen zu lassen. Das Programm "HamVNA" kann nämlich sehr schön die Messdaten in verschiedene Einheiten veranschaulichen und auswerten. Hier einige Beispiel-Screenshots wie das dann aussieht:
[Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/5c32o1kwr/HORIZONTAL_fres_bei_25_6_MHz_Im_Z_imaginary_part.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/m14ijyhi3/HORIZONTAL_fres_bei_25_6_MHz_Im_Z_imaginary_part.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/4p45yio0r/HORIZONTAL_fres_bei_25_6_MHz_Re_Z_real_part.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/zct4fev4r/HORIZONTAL_fres_bei_25_6_MHz_Re_Z_real_part_zoom.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/bbm8dygbf/HORIZONTAL_fres_bei_25_6_MHz_return_loss.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/d259ffxuj/HORIZONTAL_fres_bei_25_6_MHz_SWR_overview.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/zbnrzqior/HORIZONTAL_fres_bei_25_6_MHz_SWR_zoom.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/8f3srezvf/Messung2_HORIZONTAL_fres_bei_28_6_MHz_Gesamtansic.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/6xicfuv4r/Messung2_HORIZONTAL_fres_bei_28_6_MHz_Gesamtansic.jpg] [Blockierte Grafik: http://s33.postimg.org/ry8e0rymz/Messung2_HORIZONTAL_fres_bei_28_6_MHz_Smith_Chart.jpg]

Ich hoffe diese detaillierte Anleitung hat dem einen oder anderen gefallen.

Vy 73's de DD5XX
Saki

... Platzhalter ...

Hallo Wolfgang,

ja, teste mal und berichte anschließend. Mich würde das ebenfalls brennend interessieren, denn du als erfahrener Elektroniker wirst da sicherlich auch mit dir zur Verfügung stehenden anderen Netzwerkanalysatoren vergleichen können.

Bin gespannt.
73, Saki

Hallo Tom,

ich habe beim Erstellen des Beitrages leider pro Thread nur 5 Bilder hochladen können. Du siehst das ja auch, es sind immer die ersten 5 Bilder. Leider konnte ich keine weiteren mehr hochladen. Deshalb hatte ich in Google gesucht auf welchem Dienst ich kostenlos Bilder hochladen kann und habe sie dann hier verlinkt. Dass dort Tracker oder so was laufen weiß ich nicht, ich habe auch nichts davon mitbekommen. Ghostery kannte ich bis zu dem Zeitpunkt auch nicht, danke für den Tip. Da sind keine böse Absichten dahinter, ich wollte nur die Bilderchen hochladen. Auf den anderen Onlinediensten, die ich ausgewichen bin, musste ich sogar mühsam die Bilder vorbereiten und zuschneiden und den ganzen Kram. Glaube mir, ich hatte absolut keine Lust dazu. Wenn mir jemand erklären kann, wie ich mehr als 5 Bilder in einem Thread hochschieben kann, dann würde ich das natürlich auch bevorzugen, denn das war das komfortabelste und beste.

In diesem Sinne
73 , Saki

info: Pavel hat einige Fehlerchen in seiner VNA App behoben und updates rausgebracht. Also einfach aus dem App Marketplace installieren... auch den VNA-client updaten!

73

um das Thema aktuell zu halten, hier eine Neuigkeit:

Red Pitaya bietet nun offiziell ein fertig zu kaufendes VNA bridge Modul zum Kauf für für 99,- EUR (zzgl. Versandkosten*) an.

Beinhaltet in diesem Preis ist:

• Das Modul selbst eingebaut in einem Aluminiumgehäuse wie abgebildet
• OSL Kalibrierkit in SMA-Steckerform (Open,Short,Load --> offen, Kurzschluss, 50 Ohm Lastwiderstand)
• 2x SMA zu SMA Verbindungskabel

*Allerdings fallen die Versandkostenrecht hoch aus, in Höhe von 18,20 EUR (!) *schluck*

Die Dokumentation hierzu erklärt die Details.

Einfach anzuschließen mit einem Red Pitaya und der von Pavel Demin aktualisierten VNA software zu betreiben.

vy 73 de DD5XX
Saki