LimeSDR 中文教程 （九）

这是第九篇教程。从第一篇教程开始，我们一步步教会你各种SDR相关工具，现在你应该会用LimeSDR做各种操作了。

 

上一篇文章，我们看了C代码，以及如何实现一个简单的扫频仪。这次我们要看一下pyLMS7002M，它是LimeSDR的python库。我们这次不是要创建一个程序，而是解释一下一个现成的例子，矢量网络分析仪VNA。

 

注意，这个VNA精度不会很高，不是罗德施瓦茨产的够买辆豪华轿车的仪器，但是它也能工作，让你i大概知道某个电路在特定频率下会如何表现。

 

我们需要一些组件：

定向耦合器

SMA连接线

SMA衰减器(10dB)

SMA接口的“校准过的”短路负载

 

开始

VNA例子需要一些依赖包，但是安装不会太麻烦，首先你需要有一个LimeSDR环境(windows或者linux都行）。你还需要python 2.7或者3.x。

 

接下来，到 https://github.com/myriadrf/pyLMS7002M/ 下载python 2.7.x版本。还有个python 3.x分支，但是还没完全测试好，所以推荐使用主分支。

 

你可以在这里找到pySmithPlot：https://github.com/vMeijin/pySmithPlot 我们用的就是这个版本，下载下来然后放到合适的目录。

 

首先我们要安装pyLMS7002M。用终端到这个文件夹下。

 

你应该能找到setup.py，你可以输入python2 setup.py install来安装，注意一定要强制使用python2。

 

接下来pySmithPlot也是用类似步骤安装，只不过这次运行python3 setup.py install。在windows里，我们需要手动用pip来安装依赖。

 

安装完成

到这里VNA就应该能工作了，会生成s.2p文件(S参数），但是不会显示史密斯圆图，这个图对VNA很重要。

在pyLMS7002M的examples文件夹中，分为两个子文件夹，basic和VNA，我们先试试basic文件夹下的findLimeSDR.py，它的功能就是它的名字，只需要输入命令python2 findLimeSDR.py，就会得到下面的输出：

 

这样就代表pyLMS7002M库工作正常了。接下来我们看看VNA文件夹下的例子。

 

VNA分为两部分：测量和计算。首先要做的就是测量。但是开始之前，我们要设置硬件。可以看看下面的图片:

 

从左往右，我们需要把接上TX2_1这个发射口。并使用RX1_H这个接收口。还需要一个10dB的衰减器，理论上这个值可以是别的，因为会被校准掉。它的功能只是为了提供一个固定的功率衰减，并控制输出功率，这样负载变化的时候影响就会减小，同时也可以提高测量精度。

 

定向耦合器

这可能是最难理解的部分了。我们不深入研究传输线理论，定向耦合器基本做两件事：

耦合

定向

 

一条通道从输入到达输出，它被称作主通道。这条通道与另一个端口形成耦合（通过微带线和波导等方式）。你可以看看这里的介绍。这样信号中的一小部分就会出现在耦合端口。方向性意味着，耦合通道的其中一个端口接入了一个匹配的阻抗。这样会把那个方向大多数能量吸收掉。意味着只有一个方向的信号会从匹配的端口发射出去。

 

你可能会想，我们可以自制一个定向耦合器吗？当然是肯定的，但是它没有经过校准，那么耦合和方向性可能无法保证。微带线版本的定向耦合器可能非常简单，只是2条并行的路径，其中有一头的阻抗是50欧（这是对于LimeSDR来说的，也有系统的要用阻抗75欧的）。一个输出口接入50欧后连到地上，另一个口就是耦合口。

 

你应该会想到，定向耦合器有几个方面是重要的：耦合信号的大小、方向性和损耗。推荐的耦合器是Mini Circuits ZHDC-16-63-S+。它的方向性是30dB，这个数字是信号导通和隔离的比例。也就是说定向耦合器在两个方向所看到的信号的比例。主线损耗是2dB，也就是信号从输入到输出的损耗。耦合大小是17dB。

 

我们手头没有Mini Circuits的耦合器，我们使用的是AtlanTecRF A2023-20。这样就有一些问题：

首先，这耦合器的频率范围是500MHz到2GHz，第二它的方向性只有25dB。

 

这样就产生了另一个问题，因为这个例子的默认设置是使用2.4GHz，所以我们需要把它改到适合我们的耦合器的范围，我们选择1.5GHz。还有一点要注意的是，这已经接近LNAH的频段边缘了，就会有一些问题，最好完全保持在支持的频段内，或者更改匹配网络，使得它能够更好地对要测量的频率做匹配。这有点像先有蛋还是先有鸡的问题，因为VNA就是用来解决这个问题的。

 

比如，我们的LNAH输入口相位噪声问题，那么要做866MHz的精确测量就是不可能的。如果你看了这一段但是没理解，你可以看看教程第二篇，我们说到过匹配问题。

 

初次测量

在开始调整频率前。注意我们选择LNAH路径作为默认的LNA，那么我们必须选择1500MHz以上，否则会降低灵敏度。

 

打开“measureVNA.py”，我们需要更改下面几行（你可以根据你的需求来改）:

startFreq = 2.3e9

endFreq = 2.4e9

nPoints = 101

改为

startFreq = 1500e6

endFreq = 1510e6

nPoints = 101

保存文件，并输入“python2 measureVNA.py test1”

这样就会在命令行输出很多内容，然后会要求你连上短路负载用于校准。

 

这一步会校准VNA。最好用校准过的短路负载来做。有个难以理解的地方是，射频电路的短路负载可能跟常识里的短路负载不同。导线和PCB中的寄生电感和寄生电容可能就能实现这个电路，你不信的话可以用万用表测量WiFi天线的直流电阻（这句话不确定）

做完校准后，脚本会要求你接入DUT（待测设备）。

 

接下来就会像校准一下运行相同的操作。简单来说VNA的原理就是比较这两组数据的相位和振幅，用来计算电抗（虚部）的损失和电阻（实部）的损失。

 

然后会使用一种特殊的图形来清楚的展示这个信息，这个图形叫作史密斯圆图。

 

搞定后，我们会生成两个文件：

vna_test1_short_1500000000.0_1510000000.0_101

vna_test1_DUT_1500000000.0_1510000000.0_101

 

绘制结果

接下来我们要处理这些文件，得到S-参数和图形。我们要改一下代码。在 “calculateVNA.py” 中，我们需要把下面的几行改掉，这样就能支持0.2.0版本的smithplot.py support.

这里:

from smithplot.smithaxes import update_scParams

改为:

from smithplot.smithaxes import SmithAxes

文件最下面:

subplot(1, 1, 1, projection=’smith’,grid_major_fancy=True,

grid_minor_fancy=True, plot_hacklines=True)

改为

subplot(1, 1, 1, projection=’smith’,grid_major_fancy=True,

grid_minor_fancy=True)

 

这样就算是改好了。

接下来运行“python3 calculateVNA.py test1 plot”

 

第一个图形是校准过的短路负载的相位，相位随频率变化很小，如果DUT就是短路负载，那么结果应该与之类似。

 

类似短路负载的相位图，这个图也是相位/频率图。当负载带有电抗成分后会产生相位变化。简单来说，短路负载和DUT的相位差会做比较，这样就能生成史密斯圆图的复数阻抗了。

 

这是电压驻波比，用来测量待测器件的反射功率比。

 

这是S11图，表示负载反射回来的能量。

 

最后还有史密斯圆图，展示的是用电抗分量和电阻分量来表示的负载的图形，这里有史密斯圆图的基础。

 

最后

希望LimeSDR教程对你有帮助。现在，我们已经把最有用的射频开发的工具给你了，这就是VNA。根据我们的经验，这个例子还可以再改进一下，用更大的射频功率和更好的外部LNA。我们还注意到用更大的衰减器，我们会看到一些奇怪的结果，比如相位变化，可能是因为接收到的信号处于底噪上。

 

你可以开始自己写一些SDR程序了，就像这个VNA例子一样。

 

 

注意要做这个实验还有一些额外的步骤要做：

1. 安装cython 直接apt安装这个包

2.要到cylimelib目录里也运行一下python setup.py install

此处感谢热心买家：antboy1979