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Revision as of 19:18, 12 August 2012
Fabrication d'un convertisseur de fréquences simple destiné aux possesseurs de clefs DVB-T à base de chipset Realtek souhaitant écouter ce qui se passe entre 0 et 60 MHz. C'est un "projet d'après-midi", qui se monte en moins de 5 heures, gravure du pcb et tôlerie y comprises
Contents
Historique
Depuis quelques mois, le groupe de hackers d'Osmocom a divulgué une série d'informations permettant d'utiliser comme radio logicielle "tous modes" de 64 à 1700 MHz des clefs USB initialement limitées à la réception TV TNT/Radio DAB/Radio bande FM. Le prix de ces clefs se situe aux environs d'une vingtaine d'euros ou dollars, à comparer aux quelques 300 à 1000 $ que peut couter un récepteur "radio logicielle" du commerce (Radio logicielle ou SDR pour Software defined radio)
Ce hack dit RTL-SDR ne concerne que les périphériques utilisant un jeu de composant Realtek RTL2832U. Les détails techniques peuvent être étudiés sur la page que le groupe Osmocom a consacré à ce sujet
D'un hack très "linuxien" utilisant GNU Radio -dont le moins que l'on puisse dire est que son usage n'est pas d'une simplicité absolue et d'une clarté biblique-, l'affaire a rapidement tourné à la bidouille grand public. Un installateur automatique de pilotes sous Windows (Zadig) a même été développé, et plusieurs logiciels de décodage SDR - HDSDR, SDR Sharp- ont incorporé ce matériel à la liste des appareils radios reconnus
Précisons tout de suite que les performances de ces appareils sont loin d'égaler un bon récepteur de trafic... mais ils sont suffisants pour récupérer les signaux d'un émetteur Tetra, le downlink d'un satellite météo ou Radioamateur, le signal de retour d'un RFID etc.
Pourquoi un convertisseur
Dans le cas qui nous intéresse, ce convertisseur va nous permettre de recevoir les fréquence situées "en dessous" de la limite basse de réception de notre récepteur radio USB, autrement dit tout ce qui se passe en dessous de 60 MHz. Ces fréquences sont intéressantes pour plusieurs raisons
En premier lieu, ce ne sont pas des VHF ou UHF, dites "ondes ultra courtes", dont la principale caractéristique est de se propager en ligne droite, et donc de se perdre dans l'espace si l'on tente d'émettre au-delà de l'horizon. Un convertisseur "ondes courtes", a contrario, permet de recevoir des émissions qui sont en quelque sortes "prisonnières de l'atmosphère terrestre, qui ne peuvent s’échapper dans l’espace, et son donc condamnées à rebondir sur les couches hautes de l’atmosphère.
Telle que, la clef RTL-Sdr ne peut donc recevoir que ce qui est émis à distance relativement proche, en deçà de la ligne d’horizon (ce n’est pas tout à fait exact, mais pour des raisons de simplification, nous conserverons cette explication). Avec un convertisseur ondes courtes, la clef peut entendre des émissions effectuées bien au-delà de la courbure terrestre, voir même aux antipodes.
Qui utilise ces fréquences ? Les radioamateurs, bien sur, mais également des milliers d’émetteurs de radiodiffusion en modulation d’amplitude (radio Pekin, Radio France Internationale, Voice of America, Radio Moscou, des milliers d’émetteurs Africains, d’Amérique du Sud, d’Europe Centrale, d’Asie). L’on y trouve également des millions d’émetteurs de transmissions codées : Telex, Tor, Télécopie et autres procédés numériques ou en « fuzzy logic » (morse, hellschreiber). Informations météorologiques, sous-marins en mission, agences de presse, téléphones maritimes, radiodiffusion en Digitale Radio Mondiale… le disque dur du serveur de ce Wiki ne suffirait pas à tous les lister. Bref, y’a du monde. Il y a plus à écouter entre 1 et 30 MHz qu’entre 64 et 1700 MHz, plage pourtant 54 fois plus importante que le spectre des ondes courtes, moyennes et longues.
Ajoutons enfin qu’une antenne « ondes courtes » est techniquement plus simple à fabriquer qu’une série d’antennes consacrées aux ondes ultra courtes (VHF, UHF)
Principe de fonctionnement
Les convertisseurs fonctionnent selon un principe très simple, celui du mélange de fréquences.
De manière très schématique, lorsqu’une fréquence(Fo) est mélangée avec une autre fréquence (Fm), il en résulte deux autres fréquences que l’on appelle « produit de mélange ». L’une des deux sera égale à la somme des fréquences mélangées, l’autre sera égale à la différence des deux fréquences. Le produit « somme » est appelé battement supradyne, le produit différence prend le nom d’infradyne. Exemple : soit une fréquence de 10 MHz que l’on mélange à une fréquence de 30 MHz, il en résultera deux produits respectivement de 20 et de 40 MHz.
Symbole d'un mélangeur
Voilà pour la version simple
Dans la vraie vie, ces additions et soustractions de fréquences s’avèrent bien plus complexes. Les fréquences harmoniques (2xFo, 3xFo, 2xFm etc) se mélangent également et génèrent autant de produits de battement. Rien n’interdit par exemple d’extraire d’un mélangeur une fréquence résultante égale à 2Fo-Fm ou 2Fm+Fo. L’amplitude de ces produits de mélange sont généralement d’un niveau d’énergie très inférieurs aux battements infradynes et supradynes primaires. Généralement… car la nature du mélangeur, la forme des signaux injectés peut influencer la qualité des produits de mélange. Certains signaux, notamment les signaux carrés, sont très riches en harmoniques et peuvent réserver des surprises. Une fois ces produits de mélange récupérés, comment n’utiliser que celui qui nous intéresse ? la réponse est simple : à l’aide d’un filtre. Reprenons notre exemple utilisant Fo à 10 MHz et Fm à 30 MHz et imaginons que nous souhaitions ne conserver que le battement infradyne 20 MHz. Il nous faut simplement brancher, en sortie de mélangeur, un filtre passe-bas coupant aux environs de 30 MHz, qui laissera passer le 20 MHz et bloquera le 40 MHz.
Dans certains montages exigeant une réjection élevée de la « fréquence image » indésirable, ce filtre passe-bas peut être associé d’un circuit accordé précisément sur 40 MHz et relié directement à la masse. L’ensemble s’appelle un « diplexeur ». Certains filtres passe-bas permettent d’ajouter un filtre réjecteur sur la fréquence image. Il s’agit de filtre elliptiques, plus complexes à calculer.
Hélas, les filtres ne coupent pas brutalement un spectre à partir d’une fréquence bien précise. Leur « pente » (les techniciens parlent du Q, ou facteur de qualité du filtre) est généralement assez douce. Plus les produits de mélange sont proches, plus il est difficile de filtrer l’un des deux battements sans risquer d’atténuer le signal que l’on cherche à favoriser. Prenons comme exemple notre fréquence Fm à 30 MHz, que nous mélangeons à un signal de 1 MHz. Nous obtiendrons deux fréquences à 29 et à 31 MHz… il faudra donc que notre filtre coupe brutalement tout ce qui se trouve au dessus de 30 MHz sans affecter le signal sur 29 MHz. En pratique, de tels filtres sont concevables. Mais ils commencent à être assez complexes à fabriquer, sont affectés par une forte ondulation de plateau (ripple) et prenne relativement beaucoup de place. Un filtre Tchebychev du septième ordre comptera pas moins de 3 selfs et 4 condensateurs.
Courbe d'amplitude d'un filtre Tchebychev du septième ordre et Q élevé. La raideur de la pente se solde par un nombre relativement élevé de composants (3 selfs, 4 condensateurs) et un "overshoot" important de près de 2 dB
Schéma électronique d'un filtre passe-bas du septième ordre
Ajoutons enfin qu'il existe une multitude de types de mélangeurs selon la nature des signaux que l'on souhaite associer. Dans le domaine des radios logicielles, on utilise des mélangeurs à diode ou mélangeurs dits "en anneau" (c'est le cas de notre mixer Mini-Circuits), des cellules de Gilbert, des mélangeurs de Tayloe. Mais on peut également avoir recours à des diodes varicap -surtout utilisées pour mélanger un signal audio et une porteuse HF en mode FM-, voir tout simplement des transformateurs BF insérés dans le circuit d'alimentation d'un oscillateur (modulation AM). Bref, ce n'est pas parce que la bricole décrite ici utilise un mélangeur en anneau que tous les mélangeurs sont de ce type. En revanche la loi qui explique qu'en sortie de mélangeur on trouve toujours au moins deux produits de mélange résultants de la somme et de la différence des deux signaux mélangés est "éternelle et toujours vraie".
Plan du convertisseur
Le schéma de principe n'a strictement rien d'original. La paternité d'un tel convertisseur peut être attribuée à Doug de Maw, à f6cer (probablement l'un des premiers concepteurs radioamateur Français à utiliser les mélangeurs en anneau), à N2PKou plus récemment à Georges Smart M1GEO ou à CT1FFU qui tous deux ont conçu un convertisseur spécifiquement conçu pour ce genre de clef.
Le convertisseur destiné à notre clef Realtek utilise un mélange supradyne. C’est-à-dire qu’il additionne la fréquence de réception (de 0 à 30 MHz) à un signal d’horloge fixe arbitrairement fixé à 100 MHz. Pourquoi 100 MHz ? Parce qu'il est très facile de se procurer des oscillateurs "brique" travaillant sur cette fréquence. En pratique, tout oscillateur monobloc délivrant une fréquence située entre 70 et 200 MHz conviendra.
Notons au passage que le prototype photographié ici utilise un oscillateur en logique 3,3v. Il est alimenté par son propre régulateur, un LM317 (plus exactement un AMS1117 CMS en boitier SOT223), lui-même alimenté par le 5V tiré directement sur le port USB depuis le connecteur de la clef RTS-SDR. Cette tension peut être acheminée via un by-pass comme illustré par les différentes photo de cette page, ou récupéré sur le conducteur central du connecteur de sortie de transverter (coté clefs USB) si l'on a opté pour la solution "alimentation fantôme". Dans ce dernier cas, vérifier qu'il y a au moins une capacité de blocage de composante continue entre le microstrip et la sortie du mélangeur. La capa du filtre passe-haut suffit amplement, mais ceux qui opteront pour une version "sans filtre" devront prendre garde à ce genre de détail.
Avec une horloge à 100 MHz, un signal entendu sur 1,8 MHz sera mélangé et la clef USB, pour en décoder le contenu, devra être réglée sur 1,8 + 100 = 101,8 MHz… en plein dans la bande des « radios FM ». Radios que l’on ne devrait pas entendre puisque l’entrée antenne de ladite clef est branchée sur le convertisseur et non sur une antenne VHF... mais çà, c'est la théorie. En pratique, les habitants des grandes villes, ou foisonnent les radios FM, auront intérêt à utiliser un oscillateur délivrant une fréquence supérieure à la limite haute (108 MHz) de cette bande très animée. C'est d'ailleurs pour cette raison que le convertisseur CT1FFU repose sur un O.L. (oscillateur local) de 116MHz.
On remarquera que la partie « amont » du convertisseur, située entre l’antenne et le mélangeur, est équipée d’un filtre de bande assez imposant (3 selfs). Ce filtre de bande est un « passe bas » qui ne favorise que la réception des émissions situées en dessous de 100 MHz (rien n’interdit en fait de régler ce filtre pour qu’il « coupe » à partir de 60 MHz, mais la taille des self sera plus imposante). Ce filtre sert à éliminer les signaux de stations radio VHF (bande FM notamment) qui pourraient « traverser » le mélangeur et venir perturber la réception des ondes courtes
Un filtre passe-haut très « mou » est éventuellement ajouté en sortie de mélangeur, pour favoriser les signaux situés au dessus de 100 MHz (donc en théorie la plage 100/160 MHz qui correspond au signaux ondes courtes « mélangés » à l’oscillateur local en battement supradyne)
Le mélangeur est un mélangeur à diode conventionnel (d’origine Mini-Circuits). Il ne peut fonctionner correctement qu’à partir du moment où le signal de l’oscillateur local (le 100 MHz) atteint 7 dBm (5 mW). C'est donc un signal plutôt musclé qui doit sortir de l'oscillateur "brique". Cela ne pose pas de problème, puisque le niveau d'énergie d'un tel composant se situe aux environs de 12 ou 13 dBm a vide. En charge, selon le circuit attaqué, il peut être utile de prévoir un atténuateur entre 2 et 4 dB (prévoir donc une mesure au milliwattmètre au cul du mixer pour vérifier que l'on ne sature pas le mélangeur)
Un filtre en Pi passe-bas (3me ordre) coupant à 120 ou 150 MHz est éventuellement prévu entre l'OL et le mixer. Il n'est absolument pas obligatoire, il a pour rôle d'une part d'adoucir le signal carré, et d'autre part de légèrement atténuer les produits hamoniques générés par le signal carré. Son réglage est délicat, et dépend de l'oscillateur. Ce dernier est en général assez sensible aux faibles impédances. Face aux 50 Ohms du mélangeur, sans le moindre filtrage, son signal est tout de même amorti et "arrondi" (la charge du mélangeur est trop faible). Il faudrait en théorie concevoir un filtre du 6eme ordre (pair) avec une attaque sur 200 Ohms et une sortie sur 50. Pour une bricole d'après-midi, cela ne se justifie pas. Le filtre peut être ignoré et remplacé par une capa série de 300 ou 400 pf. On mesurera le niveau d'énergie et décidera si oui ou non il faut ajouter un atténuateur.
Limitations et défauts
Le montage et le mariage décrit ici est loin d'être parfait. Récepteur large bande (il peut échantillonner entre 1 et 3 MHz) à faible taux d'échantillonnage, le RTL-sdr ne parvient pas à décoder tout ce qu'il serait suceptible de pouvoir recevoir. Son étage d'entrée, le E4000, ne peut, en termes de sensibilité, être comparé à un récepteur sérieux (tel le H-mode Mixer de PA3AKE, voir, plus modestement, un simple récepteur Softrock). A ceci s'ajoute l'absence de tout filtre de préselection -on peut dire que le passe-bas d'entrée compte pour du beurre-, absence de préselecteur qui favorise la transmodulation (réception de la fréquence harmonique d'un émetteur puissant situé à proximité du récepteur).
L'ajout d'un convertisseur n'arrange pas les choses. En premier lieu, l'oscillateur 100 MHz et ses harmoniques se retrouvent à espace réguliers sur le spectre reçu par la clef USB radio. Le mélangeur, pour sa part, fait son travail sans déformer les signaux reçus, mais le prix à payer est une importante perte de conversion. Perte que l'on pourrait compenser par l'ajout d'un amplificateur situé en amont du mélangeur, du coté de l'entrée antenne. Mais un amplificateur amplifie tout, y compris le niveau de bruit (dégradant ainsi parfois le rapport signal/bruit dans de telles proportions que les stations les plus faibles ne peuvent être entendues). Sont également amplifiés les signaux indésirables, tels que les signaux harmoniques. Un récepteur qui "transmodule" est souvent synonyme de récepteur "amélioré" avec un amplificateur d'entrée.
Ajoutons enfin que la clef USB est livrée en boitier plastique... cette absence de blindage favorise à son tour la réception d'une multitude de signaux parasites.
Avec ou sans convertisseur, la clef RTL-sdr est un outil d'initiation, d'incitation au bricolage et à l'écoute radio, un marchepied pour maitriser certaines techniques pour, par la suite, s'engager vers des solutions techniques plus performantes. Ou pas. Mais ce n'est en aucun cas un système "étalon", une référence en matière de radio : notre chère (enfin, si peu chère) clef RTL-sdr nous offre bien plus que la somme que nous avons déboursé pour l'acquérir, mais bien moins que ce que peut nous offrir une radio logicielle de la catégorie Softrock, voir d'un antique récepteur superhétérodyne "ondes courtes" des années 70-80.
Ressources Kicad
L'implantation du transverter coté pistes (les selfs, le mélangeur et l'oscillateur sont installés coté composants)
Le schéma et le cuivre du convertisseur sont disponibles au format kicad (lequel peut générer les Gerber pour les plus exigeants)
Il est important de se reporter à la photo du montage en début de page pour placer les cloisons internes des blindages.
Modification de la Clef (étape facultative)
Trois modifications assez simples peuvent être apportées à la clef RTL-SDR pour en faciliter l'usage avec un convertisseur.
- Le changement de connecteur d'antenne pour un composant moins "fuyant" que la prise 75 Ohms d'origine (ou plus adapté à votre installation)
- L'ajout d'une alimentation fantôme +5V sur cette même prise coaxiale afin d'alimenter le convertisseur sans avoir à tirer de fil supplémentaire
- Le blindage de l'électronique en général
Le changement du connecteur est simplissime
Dessouder la prise d'origine, nettoyer les pistes à la tresse, ajouter un connecteur SMA de type "edge SMA" solidement brasé coté masse pour en garantir la tenue mécanique... que dire d'autre ?
L'alimentation fantôme (photo de droite) se limite à un repiquage du 5 V sur la piste estérieure du connecteur USB et injection de cette tention sur la pinoche centrale du connecteur d'antenne, qui, par bonheur, est déjà isolé galvaniquement du reste de l'électronique(sur les modèles EZCap), par un condensateur de quelques nanofarads. Il est vivement conseillé d'ajouter un interrupteur à glissière sur le fil en question pour pouvoir couper cette alimentation fantôme lorsque l'on reçoit la radio ou la télé en mode "sans convertisseur". En effet, la majorité des antennes VHF ou UHF sont galvaniquement à la masse, et brancher une antenne directement sur la clef sans couper l'alimentation fantôme aurait pour effet de tuer le circuit d'alimentation du port USB... dans le meilleur des cas.
Attention ! Certaines clefs ont leurs entrées protégées par une double diode tête-bêche (première photo, le composant à trois pattes de couleurs gris-noir soudé directement sur la sortie antenne). Il faut enlever ce composant qui mettrait "à la masse" le 5V USB. Cette protection peut être déplacée sur l'entrée antenne du convertisseur.
Le blindage de la clef elle-même est tout à fait facultatif. Il peut être réalisé en feuillard de cuivre isolé sur une face, de manière à emmailloter l'électronique de la clef dans une enveloppe de métal mis à la masse.
Réalisation
Les seules difficultées de montage sont purement mécaniques.
- Limez les bords du pcb, percez les trous de traversée aux diamètres respectifs (0,8 pour le mixer et les selfs, 0,6 pour l'oscilateur, , fraisez, coté face aveugle, les traversées ne devant pas être à la masse
- Avec une mèche de 0,6, percez une série de trous de rappel de masse (vias) pour assurer une équipotentialité des plans. Soyez attentifs à espacer ces vias de 6 ou 7 mm maximum tout le long de plans de masse longeant le microstrip de sortie de convertisseur
- Découpez deux bandes de clinquant de 2 cm de large, et d'une longueur légèrement supérieure à un demi-pourtour de votre pcb
- Tracez une ligne-repère à la pointe sèche à 6 mm du bord. Ce sera la ligne d'appui du pcb, celle sur laquelle sera aligné la face "pistes" du pcb.
- Commencez par plier à angle droit les deux languettes de clinquant afin de constituer les deux demi-cotés du blindage (photo 2) Cliquez sur chaque photo pour agrandir et examiner les détails
- Positionnez le circuit (aligné sur la ligne de repère à 5 mm du bord), pointez et tracez à la pointe sèche les points de traversée des entrées et sorties antenne. Percez à 5 mm de diamètre les deux trous destinés aux SMA. Prévoyez une antre traversée pour le by-pass d'alimentation 5V
- Soudez les deux demi-cotés, arasez les débords de clinquant à la cisaille.
- Soudez les sma : âme en premier dans l'alignement des trous de 5 mm en regard des microstrip d'entrée et de sortie, puis bresez le corps du connecteur sur le pourtour en clinquant
- Faufillez les traversées de rappels de masse (trous de 0,6) avec un fil argenté de 0,5 de diamètre (photo 3). Soudez les rappels de chaque coté du circuit, coupez les fils excédent avec une pince coupante rase.
- Soudez les composants les plus encombrants : oscillateur, mélangeur, régulateur, diode de protection, condensateurs de filtrage d'alimentation
- Découpez puis soudez les cloisons de blindage supérieur (photo 4). Attention, le blindage médian ne court pas d'un bord à l'autre du blindage (erreur de montage sur la photo). Se reporter à l'illustration de haut de page pour voir le cloisonnement définitif réel. Ces cloisons de blindage interne doivent marquer un retrait d'un demi mm par rapport à la hauteur du pourtour en clinquant.
- Taillez deux bandes de 5mm de haut et 5,5 cm de long qui, pliées, serviront de cloisonnement sur la face inférieure du pcb (photo 5). Ces blindage séparent les entres OL, RF et FI du mixer et limitent les couplages parasites
- Mesurez l'amplitude du signal de l'oscillateur sans charge (non relié au filtre, à l'atténuateur ou au mixer). Il doit se situer entre 10 et 15 dBm selon le modèle choisi.
- L'insertion d'un filtre passe-bas 120 ou 150 MHz en sortie d'oscillateur n'est absolument pas obligatoire. Une fois l'OL relié au Mixer, mesurez à nouveau le niveau d'énergie, qui ne doit pas descendre en dessous de 7 dBm. Si le signal s'écroule, c'est qu'il y a une liaison entre la sortie OL et la masse
- Si le niveau d'énergie dépasse les 7 dBm, atténuez le signal en installant l'atténuateur R3, R4 et R5. Pour mémoire, voici un petit tableau donnant les valeurs des résistances en fonction de l'atténuation souhaitée
| R1 | R2 | R3 | atténuation |
|---|---|---|---|
| 436 | 12 | 436 | 2 dB |
| 292 | 18 | 292 | 3dB |
| 221 | 24 | 221 | 4dB |
| 178 | 30 | 178 | 5dB |
- Achevez d'installer les derniers composants (selfs, capas). La valeur des self peut être dégrossie à l'analyseur de spectre ou au VNA. Le filtre, entre l'entrée antenne et la broche d'entrée du mélangeur, doit offrir une courbe "passe bas" avec une fréquence de coupure inférieure à 100 MHz... et supérieure à 40 MHz. On a donc une lattitude de réglage assez vaste.
Il ne vous reste plus qu'à brancher votre clef DVB-T sur la sortie 100/1700 MHz du transverter (coté microstrip donc), paramétrer votre logiciel de décodage pour qu'il prenne en compte le décallage de - 100 MHz de la fréquence de réception, et écouter avec ravissement les ondes courtes et leur joyeux tintamare.
Comme pour chaque projet décrit sur ce Wiki, il sera répondu à toute question via la mailing liste de l'Electrolab
