Récepteur SDR - 1 à 30 MHz     -     F6CRP

Version 02 - janvier 2010

Quelques considérations liminaires

Quelques fichiers "son"

On n'attrappe pas les mouches avec du vinaigre ...en conséquence, avant d'attaquer une ennuyeuse description :-), je vous présente quelques enregistrements que j'ai réalisés avec ce récepteur. J'ai majoritairement utilisé KGKSDR, par convenance personnelle. Afin de maintenir la confidentialité des communications (dans une certaine mesure), j'ai supprimé les indicatifs en phonie. En outre les fichiers sont codés et compressés MP3, cela détériore notablement la qualité. Pratiquement tous les softs de SDR permettent d'enregistrer soit la sortie BF soit l'entrée; ce dernier cas présente une possibilité des récepteurs SDR assez extraordinaire. Vous pouvez enregistrer avec une carte son standard qui échantillonne à 96 kHz la bande 40 m et écouter ainsi TOUT le trafic qui s'y est écoulé... Naturellement la taille du fichier est en conséquence. Nous reviendrons sur ces notions.

nota : la place commence à manquer sur mon espace Orange, j'ai placé les images et les fichiers "son" sur un espace Google. Une page "google" intermédiaire peut s'ouvrir avant que vous ne puissiez charger le fichier. Désolé, je n'ai pas trouvé le moyen d'éliminer cet inconvénient, si un spécialiste peut trouver une solution (simple), il en sera chaleureusement remercié.

SDR, encore et toujours ...

Le sujet a déjà été évoqué mais peut-être n'est-il pas inintéressant de revoir quelques spécificités de cette technique.

• tout d'abord, SDR est l'acronyme de Software Defined Radio ce qui traduit dans notre belle langue veut dire Radio Logicielle
• il existe plusieurs techniques, du plus simple au plus compliqué pour faire un récepteur SDR
• fondamentalement un récepteur SDR produit à partir d'un même signal d'entrée, deux signaux déphasés de 90°
• si l'on possède deux signaux identiques et déphasés de 90°, on peut TOUT démoduler (AM, FM, SSB) ET éliminer la fréquence image en bande de base
• la démodulation peut être effectuée par un PC ou par des circuits programmés (FPGA)

Avant de commencer

Il y a quelques préalables à satisfaire, vous vous en doutez bien. Pour pouvoir utiliser ce type de montage, il est indispensable :

• de disposer d'un PC pas trop ancien avec XP et supérieur. 1 GO de RAM et une cadence de 1,5 GHz est un bon début. Voici l'adresse à laquelle vous pouvez télécharger un petit programme fort intéressant et qui indique la latence de votre PC. Vous pourrez le télécharger ici. Jusqu'à 1000 µs (1 ms) c'est plus que jouable, au dessus, votre PC manque de puissance pour le traitement. Essayez quand même avec ce que vous avez :-) .
• disposer d'une carte son STEREO. Cela peut sembler trivial mais soyez vigilant avec les portables qui ne sont pas tous dotés d'une carte son stéréo. Concernant la carte son, il est souhaitable qu'elle puisse échantillonner au moins à 48 kHz, 96 kHz c'est beaucoup mieux mais pas indispensable. La profondeur d'échantillonnage, idem, 16 bits, c'est standard, 24 bits, c'est encore mieux .
• pas indispensable pour ce montage mais utile pour d'autres, un ou des ports USB2.

Le DR2A++ de YU1LM

Pour en revenir à nos moutons et comme écrit ci-dessus, on peut réaliser un SDR de manière élémentaire ou au contraire très sophistiquée. On en a toujours pour son argent dans la vie et il est bien évident que le montage basé sur un convertisseur analogique/digital comme le LTC2008 suivi d'un FPGA Cyclone III sera plus performant qu'un montage à 4066 à 0,3 euro pièce. Mais avons-nous vraiment besoin de cette technologie raffinée ? A mon avis, non, on peut faire plus simple et accessible au prix d'une diminution acceptable des performances dans la cadre du home made, en outre la réalisation reste accessible à tous.

Les SDR basés sur la démodulation par carte son utilisent généralement un QSD (quadrature Sample Detector). Le principe en est dû à Dan Tayloe N7VE et consiste à "échantillonner" à quatre fois la fréquence à recevoir le signal entrant. Pour fixer les idées, si vous voulez recevoir du 7 MHz, votre oscillateur local devrait osciller à 28 MHz. Supposons que cet oscillateur local commande quatre portes qui s'ouvrent un temps "t" correspondant au quart d'une sinusoïde (le signal entrant), nous obtiendrons quatre échantillons analogiques de temps "t" et de valeur "v". Mais plus intéressant , nous obtiendrons aussi quatre échantillons déphasés de 90°entre eux successivement. Les signaux 0° et 180° sont redondants, ils seront ajoutés différentiellement, de même que les signaux 90° et 270°. Nous venons d'obtenir nos signaux I et Q (In phase, Quadrature) indispensables à la démodulation. Si vous voulez en savoir plus sur le principe, je vous invite à consulter ce document qui émane de N7VE.

Le principe est identique sur le YU1LM (comme les SoftRock d'ailleurs) mais on y parvient un peu différemment. La fréquence de l'OL est toujours de 4 fois la fréquence du signal incident. l'OL commande deux bascules D (74AC74), et grâce à un subtil jeu de synchronisation, on obtient un déphasage de 90°, voir le schéma ci-dessous. On dispose alors de deux OL, à Fol/4 déphasés de 90 °, il ne reste plus qu'à opérer le mélange entre nos deux OL et le signal incident pour obtenir nos signaux IQ.

Revenons au DR2A++ ... Notre ami YU1LM travaille depuis de nombreuses années sur les SDR et a produit de multiples publications sur le sujet. Son dernier né, qu'il juge comme étant le plus abouti est le modèle DR2A++. Le "++" est dû au fait que l'alimentation est symétrique, +12 / -12 V. Il utilise des composants très classiques et facilement accessibles. Voici l'adresse à laquelle vous pourrez trouver toute la documentation : site de YU1LM. Par ailleurs, Genesis Radio, une firme australienne sous la houlette de VK1AA, commercialise désormais des kits de transceivers SDR monobandes conçus par YU1LM. Au premier trimestre 2010, le G59, un kit SDR 10 W toutes bandes sera proposé pour une somme de plus ou moins 300 - 350 euros. Si vous voulez en savoir plus .... (publicité totalement gratuite).

Le circuit imprimé en cours de montage ...

Branchement de l'oscillateur local (SI570) d'un côté, antenne et PC de l'autre et ... miracle, ça marche

Les signaux I / Q en sortie du SDR et la mise en boîte... alimentation symétrique +12 / -12 V

La construction

La construction est vraiment simple, la majeure partie du montage se situe dans le domaine BF. Il y a néanmoins quelques points de vigilance listés ci-dessous :

• les bascules D doivent impérativement être du type AC (74AC74), seule cette famille (Advanced CMOS) autorise une fréquence d'horloge permettant de monter à 125 MHz ce qui correspond à une fréquence reçue de 125/4 MHz (31,25 MHz). Les séries LS montent à 25 MHz, ce qui autorisera une fréquence max de 6,25 MHz plus ou moins quelque chose.
• il est fait mention de 4 condensateurs de 1 µF non polarisés, c'est une prescription à respecter
• Il en va de même pour les amplis OP qui sont des NE5532, ne pas tenter d'essayer un vague ersatz
• même remarque pour les commutateurs, exclusivement du 74HC4066
• il y a quelques strapps sur le circuit imprimé, attention à ne pas en oublier sous peine de passer quelques passionnants moments de recherche de panne
• l'alimentation pour le DR2A++ est symétrique +12 / -12 V
• je recommande vivement d'utiliser pour R2 une résistance ajustable 10 tours. Cette résistance permet l'équilibrage fin de l'amplitude des voies I/Q, le réglage est sensible. Autant présenter au soft quelque chose de bien d'entrée même si ce dernier peut équilibrer; dans une certaine mesure, un écart

Hormis ces quelques points à respecter scrupuleusement, le montage doit démarrer à la mise sous tension. Pour vous en assurer et si vous disposer d'un générateur et d'un oscilloscope, calez votre oscillateur local sur 28 MHz , calez votre générateur sur 7002 kHz et placez vos sondes d'oscillo sur les sorties I et Q (celles qui vont vers la carte son). Vous devriez observer quelque chose qui ressemble à l'image ci-dessus.

Les plus observateurs auront noté que ce récepteur ne comporte pas de filtres de bandes ... ce n'est pas un oubli. YU1LM notait dans une de ses descriptions que ses récepteurs pouvaient s'en passer et je dois avouer que cette assertion m'avait laissé plutôt interrogatif. Eh bien, expérience faite, je le confirme. Il y a toujours la possibilité de placer un filtrage en tête si vous rencontriez des soucis, soit avec des filtres de bandes classiques, soit avec un préselecteur (ou encore celui-ci de Jean F4DNR) ce qui n'est pas la plus mauvaise des solutions.
Je me suis procuré tous les composants chez Electronique Diffusion. Comme d'habitude, pub gratuite, je cite cette enseigne pour devancer les habituelles questions. En outre je suis désolé mais je ne peux pas fournir de circuits imprimés.

Ci-dessous, le schéma très classique de l'alimentation symétrique avec un transfo à point milieu.

Les connexions

Notre récepteur a besoin d'un certain nombre de cordons ombilicaux. Outre l'alimentation symétrique (vous pouvez inverser les polarités il y a dans chaque branche une diode de protection) et l'antenne, il faut relier les sorties I et Q de la platine à l'entrée de votre carte son. Donc masse commune et les sorties I et Q sur les autres connexions d'un jack 3,5 stéréo. Là commencent les interrogations métaphysiques...il n'y a pas de norme clairement édictée toutefois vous serez amenés à noter qu'un signal LSB sur 40 m est normalement démodulé en USB. Problème ! Non pas vraiment. Si le soft vous le permet, vous pourrez logiciellement inverser les signaux IQ, cas contraire, il faudra inverser les sorties au fer à souder. Malgré ce que je viens d'écrire concernant la norme, il est conseillé de câbler la sortie I sur la pointe et la sortie Q sur l'anneau de manière à être correctement câblé pour les logiciels powerSDR qui font référence. Pour les autres (Winrad, WinradHD, Rocky), il existe une option intitulée [swapp IQ] qui vous permettra de remettre tout le monde dans le bon sens.

Annulation de la fréquence image

Ce récepteur est avant tout un récepteur à conversion directe, il va donc présenter une fréquence image ... C'est le logiciel qui va l'éliminer (on le remercie). Ce sera d'autant plus facile pour lui qu'il verra à l'entrée de la carte son deux signaux identiques, d'amplitudes égales et déphasés rigoureusement de 90° . Autant dire que ces conditions ne seront jamais réunies, il y aura toujours des écarts de phase et d'amplitude dans la bande passante et pour compliquer un peu la chose, ces écarts ne seront pas constants ...

Vous pouvez au moins tenter d'équilibrer l'amplitude des canaux IQ. Même principe que précédemment mais cette fois avec le récepteur connecté à un des logiciels suivants :

• Rocky (ne fonctionne pas avec carte intégrée sur Vista / W7)
• Winrad
• WinradHD
• PowerSDR - Flex
• PowerSDR IQ
• PowerSDR SR40
• KGKSDR transceiver (impose l'utilisation de drivers ASIO - gratuits sur le site)
• KGKSDR receiver

Avant toute chose, vous devez indiquer au logiciel l'entrée et la sortie de votre carte son. En général votre carte son est automatiquement détectée, il suffit de sélectionner dans une liste déroulante l'entrée ligne et la sortie HP. Ensuite il convient de préciser la fréquence d'échantillonnage. Commencez par 48 kHz et si cela fonctionne, essayez 96 kHz. Il ne vous reste plus qu'à régler le niveau d'entrée par le biais du mixer Windows.

Chaque logiciel a ses avantages et inconvénients, tous fonctionnent avec un récepteur IQ/carte son. Pour débuter Winrad me paraît le plus approprié et le plus simple à utiliser. En supposant que votre récepteur fonctionne, OL calé sur 7050 kHz, carte son qui échantillonne à 96 kHz, injectez un signal à l'entrée sur 7025 kHz. Vous devriez voir apparaître à l'écran votre signal incident sur 7025 mais aussi l'image sur 7075 kHz. Avec la résistance ajustable, réglez de manière à avoir l'image sur 7075 au niveau le plus bas possible. Vous devriez au moins atteindre une réjection de 30 dB sinon plus. Winrad et Winrad HD permettent un réglage manuel, ce réglage extrêmement précis n'est malheureusement valide que pour une plage très étroite de fréquences; en réglant manuellement, vous devriez atteindre facilement 60 à 70 dB d'annulation. Pour être complet, il convient de préciser que maintenir la phase et l'amplitude entre 1 et 30 MHz relève de l'impossible avec ce type de montage. Même sur une portion de spectre de 96 kHz, on constate des variations importantes.

Le DR2A++ est doté de deux positions de gain. A l'usage je recommanderais de n'utiliser que la position de gain "faible", la position +23 dB apporte plus d'inconvénients que d'avantages; sur cette dernière position, l'annulation de la fréquence image est beaucoup moins performante. C'est à tester selon votre configuration.

Quelques captures d'écran

Vous l'aurez compris, la richesse de la technologie SDR ne se trouve pas forcément dans la partie matérielle (qui ne doit pas toutefois être n'importe quoi...) mais dans la partie immergée : le soft. Il y a plusieurs solutions pour élaborer un SDR, la plus simple consiste à utiliser, pour le traitement IQ, une carte son, la plus complexe un FPGA. Les amateurs sont en train de glisser progressivement vers cette seconde solution qui est beaucoup plus complexe à mettre en oeuvre. Le traitement par carte son a encore quelques beaux jours devant lui, on trouve désormais des cartes son externes USB qui offrent d'excellentes performances pour des coûts raisonnables. La carte son est un élément fondamental dans le processus SDR amateur, de ses performances dépendront celles du récepteur. Ceci posé, on peut très bien appréhender la technique avec une carte son standard et investir la centaine d'euros nécessaire plus tard, si les résutats sont encourageants (et ils le seront). Toujours dans un esprit de partage d'informations, vous pouvez acquérir une carte son externe chez RFHAM , modèle E-MU 202 au prix de 99 euros, j'ai fait la démarche et j'en suis satisfait. Vous pourrez apprécier ci-dessous (je l'espère) quelques captures d'écran réalisées sur mon PC (2 GHz Dual core - 2Go RAM, carte son standard AC97) . Cliquez sur les vignettes pour obtenir l'image en plein écran.

captures d'écran
Soft : KGKSDR - 20 m - CW - CQWW 2009. Cette vue sur 100 kHz permet d'avoir une vision globale de la bande 20 m CW. KGK est très réussi tant graphiquement que sur le plan décodage, en revanche il mobilise beaucoup de ressources processeur. Donne toute sa mesure en SSB où le réducteur de bruit est d'une efficacité impressionnante.	Soft : Rocky - 80 m - CW - CQWW 2009. C'est la vue "waterfall" de Rocky, un des meilleurs, qui est utilisée ici. Malgré la compression de l'image, notez les stations qui sont dotées de "clics" de manipulation et qui occupent un spectre anormalement important.
Soft : PowerSDR IQ et MIXW - 40 m - PSK. Grâce au VAC (virtual audio cable), il est possible d'envoyer le flux audio vers une autre application, en l'occurrence MixW pour le décodage. Notez l'IMD produite par la station PSK31, il y a fort à parier qu'il s'agisse d'une saturation de la carte son... Un peu plus de technicité et de respect des autres ne seraient pas superflus !	Soft : Rocky et MIXW - 80 m - PSK . Rocky ne tourne pas sous Vista et W7 avec la carte son intégrée. il faut soit utiliser une carte son externe soit passer par un VAC
Soft : WinradHD - 40 m - modes digitaux - bande passante 5 kHz et résolution maximum, observez la finesse des détails affichés. On voit très bien les quatre balises de la marine russe entre 7038,7 et 7039 kHz. WinradHD est une évolution de Winrad créée par DG0JBJ, très économe en ressources machine.	Soft : PowerSDR version 1.18 de chez Flex - 40 m - CW avec analyseur de spectre et waterfall. A mon avis le soft le plus abouti pour le trafic, notamment en CW. Une note cristalline quelle que soit la bande passante.
Soft : Rocky - 40 m - un dimanche matin ordinaire, en bas de bande les stations CW, puis les modes digitaux et enfin les stations phonie, le tout sur 100 kHz...	Soft : PowerSDR version 1.19.3.15 de SV1EIA. Avec cette version on peut utiliser les "skins" , l'apparence est quand même plus flatteuse. En outre cette version fait appel à un algorithme qui est censé éliminer la fréquence image. Cela fonctionne mais n'est pas du même niveau que le réglage manuel à mon avis.

Quels avantages offre la technologie SDR ?

• une dynamique et un IP3 très élevés
• un filtrage numérique puissant et évolutif
• une détection tous modes
• une partie matérielle réduite
• un prix très inférieur aux technologies "classiques"
• un couplage "son" et "image" grâce à l'interface graphique
• la possibilité d'enregistrer une bande de 100 KHz et d'écouter TOUT le trafic qui s'y est écoulé et pas uniquement une fréquence, comme classiquement
• la surveillance de bande "d'un coup d'oeil" (Sporadique E, trafic VHF etc.)
• une linéarité importante de la chaîne de réception
• l'étude spectrale des transmissions avec de belles surprises en termes d'étalement "involontaire"
• le plaisir de réaliser soi-même un récepteur qui égale voire surpasse les équipements commerciaux
• une fois calibré avec un générateur, on dispose d'un S-mètre pour une fois précis au dBm près (jusqu'à saturation de la carte son, il y a de limites à tout)
• tout ce que j'oublie ...

Et pour conclure

C'est mon troisième projet tournant autour du SDR (récepteur SDR 40 m) (récepteur 3-30 MHz performant) et c'est assurément celui qui m'a le plus étonné par ses performances. Je ne peux que vous inciter à expérimenter dans cette voie, les apports de cette technique donnent une nouvelle dimension à notre loisir. La prochaine fois, nous parlerons des SoftRock V9 et V6.3 (merci Marc F6ITU pour tous les tuyaux de départ) afin de comparer les résultats par rapport aux montages YU1LM. Viendront ensuite des convertisseurs 144 et 50 MHz. Imaginez le bénéfice que l'on peut en tirer en trafic, d'un coup d'oeil, on surveille l'activité de la bande (Sporadique E etc.) . Des amateurs inventifs ont déjà trouvé le moyen de coupler ces récepteurs à des dispositfs de décodage automatiques :-), ils nous feront part de leurs expériences.

Quelques esprits particulièrement affûtés (et notre petit monde n'en manque pas, l'Internet est un puissant révélateur) pourraient s'interroger sur l'intérêt et l'opportunité qu'il y a à décrire une telle réalisation. Ma seule ambition, avec mes modestes moyens, est d'essayer de persuader, à travers l'audience qu'offre ce média, que la construction amateur est plus que jamais d'actualité.

Je l'ai déjà écrit (mais on finit toujours pas radoter...), il y a là matière à intéresser les jeunes dans un radio-club. Un montage simple, pas onéreux, reproductible, offrant des performances inattendues, un PC, une carte son stéréo (indispensable) et je crois que nous avons le liant qui manquait pour réconciler les anciens et les modernes.

Bon bricolage et bonne année. 73 Denis F6CRP.

Version 01 - 27/01/2010 - mise en ligne
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