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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

Convertisseur de fréquence pour clef RTS-SDR(cliquez sur la photo pour agrandir)

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 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. Autrement dit, 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) On remarquera que la partie « aval » 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). 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)

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, absence 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

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Modification de la Clef (optionnel)

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Réalisation

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