Недавно FlightAware был выпущен новый RTL-SDR донгл, продающийся без прибыли по цене 16,95 USD. Его основная особенность заключается в том, что он имеет встроенный ADS-B оптимизированный низкошумовый усилитель (LNA) непосредственно в донгле. FlightAware.com — это сервис по отслеживанию полетов, который стремится отслеживать самолеты через множество добровольных вкладчиков ADS-B по всему миру, которые используют недорогие приемники, такие как RTL-SDR. В этом посте мы рассмотрим их новый донгл и, надеемся, одновременно дать некоторые базовые идеи по теории размещения LNA, чтобы показать, в каких ситуациях этот донгл будет работать хорошо.
Хороший LNA обладает низким шумовым коэффициентом и высоким значением IIP3. Ниже поясняется, что означают эти показатели.
Шумовой коэффициент
LNA обычно используется в RX-радио системе, чтобы снизить общий шумовой коэффициент (NF). Проще говоря, NF — это показатель, который измеряет, сколько шума (в дБ) вносят такие компоненты, как усилители, коаксиальные кабели и фильтры, в систему. Общий шумовой коэффициент определяется наибольшей ролью первым усилителем в системе, и поэтому добавление усилителя с низким NF (LNA) непосредственно у антенны может значительно снизить NF всей радиосистемы. Например, если общий NF вашей радиосистемы составлял 10 дБ, и вы добавили LNA с NF 1 дБ у антенны, то общий NF будет близок к 1 дБ.
Размещение LNA у приемника (как сделано в донгле FlightAware) ограничивает преимущества LNA, потому что шумовой коэффициент элементов перед LNA, таких как коаксиал и фильтры, не может быть преодолён. Однако остаётся одно существенное преимущество. Шумовой коэффициент чипа R820T/2 заявлен как 3,5 дБ при максимальном усилении, но на деле он ближе к 6 дБ. Таким образом, размещение LNA с NF 0,4 дБ перед тюнером R820T2 может снизить общий шумовой коэффициент системы примерно на 5 дБ. По расчётам шумового коэффициента, которые мы здесь не приводим, это означает, что вы получите примерно на 7–8 дБ более сильный сигнал на частоте 1090 МГц, просто благодаря использованию LNA с NF 0,4 дБ.
Однако, хотя NF и уменьшается, остаётся проблема возможной перегрузки в системе из-за слишком высокого усиления по отношению к сигналам за пределами полосы. Снижение усиления RTL-SDR повысило бы NF чипа R820T, возвращая общий NF к исходному уровню и уменьшая получают-SNR. Вместо снижения усиления проблему перегрузки можно устранить с помощью фильтра, и это действительно рекомендуется FlightAware. Фильтр удалит сильные сигналы за пределами полосы, а поскольку ADS-B сигналы не очень сильны, перегрузки внутри полосы не произойдёт.
IIP3/OIP3
IIP3 (точка пересечения входного сигнала третьего порядка) и OIP3 (точка пересечения выходного сигнала третьего порядка) — это измерения для усилителей, объясняющие их линейность. Линеарность IIP3/OIP3 объясняет, насколько сильный сигнал можно подать на вход (или вывести) до того, как LNA достигнет насыщения и перегрузки, что приведёт к очень плохому приёму. OIP3 просто равен IIP3 плюс коэффициент усиления усилителя. Более высокие значения IIP3/OIP3 лучше, так как это означает, что более сильные сигналы можно принимать без перегрузки.
IIP3/OIP3 всей системы снижается по мере добавления большего количества LNA. Так что добавление слишком большого количества LNA может привести к перегрузке. Проблему перегрузки для ADS-B можно легко устранить добавлением резкого фильтра, например FA ADS-B фильтра, который блокирует другие очень сильные сигналы, такие как вещательное FM, пейджеры и GSM. Пока внутриполосовые ADS-B сигналы не слишком сильны (что так и есть), система будет работать нормально даже при более низких IIP3/OIP3.
Если у LNA высокий IIP3/OIP3 и он не перегружается, оптимально разместить LNA первым, до любых фильтров, чтобы можно было компенсировать потери на вставке фильтра. Если IIP3/OIP3 LNA низок и он перегружается, поместите фильтр перед LNA, чтобы снизить сильные сигналы вне полосы, или используйте аттенюатор.
Донгл FlightAware заявляет OIP3 39 дБм для встроенного LNA, что относится к верхнему пределу и поэтому хорошо. Для сравнения популярно используемый LNA4ALL имеет OIP3 около 33,5 дБм.
Размещение LNA у Антенны: плюсы/минусы
Плюсы и минусы размещения LNA у антенны приведены ниже.
| Плюсы | Минусы |
|
|
Размещение LNA у Приёмника: плюсы/минусы
Плюсы и минусы размещения LNA у приёмника приведены ниже.
| Плюсы | Минусы |
|
|
Обзор продукта
Донгл сам по себе упакован в качественный оранжевый пластик и выглядит прочным. Он плоский снизу, с изогнутой верхней поверхностью. На нижней панели есть несколько вентиляционных отверстий. В качестве RF-входа используется разъём SMA. В нём применяется чип R820T2, но в комплект не входит TCXO. (TCXO не нужен для широкополосных сигналов, таких как ADS-B). Донгл выпускает Newsky, который на данный момент производит большинство RTL-SDR донглов.
Внутри можно увидеть, что большая часть донгла остаётся прежней, за исключением цепи LNA, которая находится в верхнем правом углу, рядом с входом RF. LNA помечен как SKY 7150, что, судя по всему, соответствует чипу Skyworks SKY67150-396LF. Спецификации: диапазон 0,3–2,2 ГГц, шумовой коэффициент (NF) 0,23 на 849 МГц и высокий показатель OIP3 до 39 дБм. FlightAware сами рекламируют NF 0,4 и OIP3 39 дБм, что может соответствовать цифрам для 1090 МГц. Стоимость самого чипа около 2,70 USD за объёмы 500 штук и более.
Общий потребляемый ток донгла составляет около 330 мА. Обычный донгл потребляет около 270 мА, поэтому кажется, что LNA потребляет около 60 мА. Этот показатель потребления необычно низок для LNА на 39 дБм, который по паспорту должен потреблять около 100 мА.
Низкое потребление тока объясняется тем, что питание LNA подаётся через линию 3,3 В, а не 5 В. В PGA-103+ — аналогичном LNA, работу на 3V вместо 5V вызывает падение тока примерно на 40 мА и около 8 дБм падение OIP3 по данным даташита. SKY67150 также имеет регулируемое потребление тока, и, возможно, они настроили схему так, чтобы она потребляла меньше тока, чтобы мини-ПК, такие как Raspberry Pi, не перегружались перегрузкой. Меньшее потребление означает, что LNA не будет работать с OIP3 около 39 дБм, а, вероятнее, при примерно 33 дБм или меньше, что тоже довольно хорошо.
Тесты и теоретические результаты
В этих тестах мы использовали антенну FlightAware ADS-B, установленную на крыше, подключённую к 15 м кабеля RG6, который имеет низкие потери на 1090 МГц. С помощью VNA мы измерили потери кабеля, включая адаптеры, примерно в 6 дБ. Чтобы сравнить с внешним LNA, мы использовали LNA4ALL, который основан на PSA4-5043. Мы также использовали фильтр FlightAware ADS-B и установили усиление RTL-SDR в максимум, чтобы получить лучшую шумовую фигуру. Каждый приёмник работал одновременно на одном ПК через изолирующий коаксиальный сплиттер. Программное обеспечение, которое мы использовали: dump1090 и Virtual Radar Server. Каждый тест длился около 10 минут.
Для теоретических измерений мы использовали AppCAD, которое позволяет определить общую шумовую фигуру радиосистем и IIP3. Пост на http://ava.upuaut.net/?p=836 также демонстрирует AppCAD в действии и объясняет, как правильно размещать LNA.
Примечание: мы точно не знаем внутренний коэффициент усиления LNA у R820T, но предполагаем 35 дБ для этих результатов.
Стандартный RTL-SDR против FlightAware RTL-SDR донгла
- Антенна → 15 м коаксиального кабеля → FA фильтр → Стандартный RTL-SDR
- Антенна → 15 м коаксиального кабеля → FA фильтр → FA RTL-SDR
В этом первом тесте мы просто тестируем донглы вместе, без использования внешнего LNA.
Теория показывает, что у стандартной системы RTL-SDR шумовой коэффициент составляет 13,60 дБ, тогда как у системы FlightAware донгла NF равен 8,15 дБ, что даёт FlightAware донглу примерно на 5 дБ лучший сигнал. Однако IIP3 FlightAware донгла снижен до -21,4 дБм против -2,4 дБм у стандартного донгла, что означает, что FlightAware донгл более подвержен перегрузке от сильных сигналов (опять же, это не проблема при фильтре).
Результаты показывают, что FlightAware донгл с NF на 5 дБ ниже способен принять примерно вдвое больше сообщений Mode-S.
Стандартный RTL-SDR + LNA4ALL на стороне приёмника против FlightAware RTL-SDR донгла
- Антенна → 15 м коаксиального кабеля → FA фильтр → LNA4ALL → Стандартный RTL-SDR
- Антенна → 15 м коаксиального кабеля → FA фильтр → FA RTL-SDR
В следующем тесте мы добавили LNA4ALL непосредственно рядом с обычным RTL-SDR, после коаксиального кабеля и фильтра, чтобы настройка соответствовала донглу FlightAware. LNA4ALL имеет аналогичные параметры с LNА, используемым во FlightAware, но NF около 1 дБ на 1090 МГц — примерно на 0,6 дБ хуже.
Теоретические результаты показывают, что NF и IIP3 системы почти идентичны, при этом система FA имеет NF примерно на 0,6 дБ лучше. NF стандартного донгла — 8,76 дБ, NF FA донгла — 8,15 дБ.
Реальные результаты тестов показывают, что обе конфигурации приняли почти идентичное количество сообщений, причём FA донгл принял немного больше из-за своего NF на 0,6 дБ ниже.
Стандартный RTL-SDR + LNA4ALL на стороне антенны против FlightAware RTL-SDR донгла + LNA4ALL на стороне антенны
- Антенна → LNA4ALL → 15 м коаксиального кабеля → FA фильтр → Стандартный RTL-SDR
- Антенна → 15 м коаксиального кабеля → FA фильтр → FA RTL-SDR
В следующем тесте мы поместили LNA4ALL возле антенны. Коаксиальный кабель, фильтр и сплиттер были такими же, как и ранее.
В этих теоретических расчётах NF теперь намного меньше, чем в предыдущих тестах благодаря размещению LNA4ALL у антенны (примерно на 7 дБ лучше, поскольку потери коаксиала и фильтра устранены). Для стандартного донгла NF составляет 2,06 дБ, а для FA донгла — 1,29 дБ. Можно увидеть, что в данной ситуации второй LNA на FA донгле не приносит значительного эффекта. Что касается линейности, IIP3 снижен до -39,4 дБм на FA донгле из-за использования двух LNА, тогда как на стандартном донгле он на 20 дБм выше и составляет -20,4 дБм.
В этом тесте оба донгла снова приняли почти идентичное количество сообщений, причём FlightAware донгл принял чуть больше из-за более низкого NF на 1 дБ.
Стандартный RTL-SDR + LNA4ALL на стороне антенны против FlightAware RTL-SDR донгла
- Антенна → LNA4ALL → 15 м коаксиального кабеля → FA фильтр → Стандартный RTL-SDR
- Антенна → 15 м коаксиального кабеля → FA фильтр → FA RTL-SDR
В финальном тесте мы запустили стандартный RTL-SDR с LNA4ALL у антенны, а FlightAware донгл без LNA. На этот раз пришлось тестировать каждый донгл отдельно, и проводили тест через 10 минут после другого.
Теоретические результаты показывают, что стандартный донгл с LNA4ALL у антенны имеет NF 2,06 дБ и IIP3 -20,4 дБм. FlightAware донгл без LNA на стороне антенны имеет NF 8,15 дБ и IIP3 -21,40 дБм. В этом случае мы бы ожидали, что стандартный донгл с LNA4ALL на антенне будет работать намного лучше. Если длина коаксиального кабеля увеличится или будет использован кабель с большими потерями, польза от антенны на стороне LNA возрастёт ещё больше.
В этих реальных результатах стандартный донгл с LNA4ALL, размещённым у антенны, показал значительно лучшие результаты, чем ожидалось.
Выводы
Похоже, что цель FlightAware донгла — не получить максимальную производительность, а сделать установку как можно проще и дешевле. Это нормально, поскольку они хотят привлечь как можно больше людей к участию в их программе, особенно тех, кто ограничен в бюджете или не имеет технических знаний для настройки правильной антенной системы.
С точки зрения производительности, размещение LNA на приёмнике не сможет преодолеть потери коаксиального кабеля и фильтров, но всё же снизит шумовую фигуру RTL-SDR с 6 дБ до 1 дБ, обеспечивая сигнал на 7–8 дБ лучше. Прочное увеличение сигнала может вызвать перегрузку, но с таким резким фильтром ADS-B, как FA Filter, проблема перегрузки может быть устранена.
Мы также кратко тестировали работу донглов FA на частотах помимо 1090 МГц. Однако перегрузка при максимальном усилении встречалась часто, и нам приходилось снижать усиление RTL-SDR на 20–40 дБ, а иногда и дальше, и даже тогда случались перегрузки от сильного вещательного FM, DVB-T и GSM. Поэтому использование LNA у приёмника действительно будет работать хорошо только в следующих случаях:
- Отфильтровывайте сигналы вне диапазона сильными. (Используйте FA ADS-B Filter)
- Убедитесь, что сигналы внутри диапазона не слишком сильны. (ADS-B не слишком сильный)
- Используйте максимальное усиление на RTL-SDR, чтобы получить наименьший NF для чипа R820T
В целом для целей улучшения приёма ADS-B связка FlightAware донгл + фильтр работает очень хорошо, и вы получите значительно больше сообщений ADS-B, если у вас ещё нет LNA. Внешний LNA + bias tee модуль был бы более производительным продуктом, но мы отмечаем, что настройка его была бы сложнее и, вероятно, стоила бы дороже.
Рекомендации
FlightAware донгл будет работать лучше, чем стандартный донгл, если донгл размещён рядом с антенной, без длинных коаксиальных кабелей с потерями и если используется резкий фильтр, при этом усиление RTL-SDR выставлено на максимум.
Внешний LNA на стороне антенны + стандартный донгл будет работать лучше, чем FA донгл, если используются несколько метров коаксиального кабеля для подключения антенны к донглу или если в RF-пути есть другие кабели с потерями.
Донгл FlightAware стоит $16,95 плюс доставка на Amazon для покупателей в США, и Amazon в настоящее время отсутствует на складе, но должны вернуться через несколько недель.
Если вам интересно, мы также ранее рассматривали их ADS-B фильтр и решения по антенне.
Источник:
