Principes de base de la radio logicielle

Du secteur militaire et aérospatial aux amateurs, la promesse de la radio logicielle (SDR) est qu'avec un seul composant matériel, les utilisateurs peuvent capturer des signaux RF, les démoduler et y accéder sur une large bande de fréquences radio. La largeur d'une bande dépend du circuit d'entrée RF du matériel, tandis que le nombre et les types de signaux auxquels on peut accéder dépendent du logiciel et des capacités de traitement sous-jacentes. Ces deux éléments sont fonction des exigences de l'application et des bilans de puissance et des coûts associés. Pour le secteur militaire et aérospatial, le coût peut atteindre la fourchette des dizaines de milliers. Pour les auditeurs d'ondes courtes, les passionnés de radio-amateur et les bricoleurs, il faut un moyen simple et peu coûteux d'accéder aux ondes radio en utilisant des ordinateurs de bureau ou portables facilement accessibles.

Après une brève introduction à la radio logicielle, cet article présente un module SDR économique basé sur USB d'Adafruit Industries, qui peut recevoir et démoduler une large gamme de signaux, du simple code Morse à onde entretenue (CW) aux formes de modulation numérique les plus complexes. Il montre comment utiliser le module et le logiciel associé pour ajouter la réception radio, le spectre des radiofréquences et l'analyse des spectrogrammes aux ordinateurs.

Présentation de la radio logicielle

La radio logicielle utilise des techniques numériques pour remplacer le matériel radio traditionnel tels que les mélangeurs, les modulateurs, les démodulateurs et les circuits analogiques associés. En numérisant directement les signaux radio à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) approprié, une radio logicielle peut mettre en œuvre toutes ces fonctions dans un logiciel de sorte que le même matériel soit utilisé pour plusieurs modes radio, qu'il s'agisse des bandes AM, FM, CW, de la bande latérale unique (SSB) ou de la bande latérale double (DSB). Le résultat est une radio extrêmement flexible qui peut être rapidement reconfigurée pour gérer différentes technologies de signalisation (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison d'un récepteur analogique traditionnel (en haut) et d'un récepteur basé SDR (en bas). Toutes les fonctions du récepteur SDR après le CAN sont implémentées avec des circuits numériques programmables, permettant des modifications et des mises à jour programmables. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Les radios traditionnelles comme un récepteur superhétérodyne (Figure 1, en haut) sont basées sur du matériel et mises en œuvre avec des composants analogiques. Le récepteur SDR utilise un syntoniseur RF pour convertir la bande de fréquences d'intérêt en une fréquence intermédiaire (FI) dans la portée du CAN. À partir de là, tous les circuits sont numériques. Le convertisseur abaisseur numérique traduit la fréquence du signal en bande de base, effectuant une fonction de filtrage passe-bas. Le processeur de signaux numériques (DSP) effectue la démodulation, le décodage et les tâches associées. Ces circuits sont généralement basés sur des circuits intégrés à application spécifique (ASIC), des réseaux de portes programmables par l'utilisateur (FPGA) et des dispositifs DSP programmables. Avec le logiciel approprié, ces circuits numériques fournissent une radio très flexible capable de recevoir un large éventail de types de modulation.

Matériel SDR à faible coût

Le 1497 d'Adafruit Industries est un récepteur SDR économique couvrant une plage de fréquences de 24 mégahertz (MHz) à 1,85 gigahertz (GHz) et il est basé sur un démodulateur multiplex par division de fréquence orthogonale codée (COFDM) DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) avec un circuit intégré de syntoniseur séparé.

Le consortium DVB est un organisme européen de normalisation pour la diffusion de la télévision numérique terrestre. Ce système utilise un flux de transport MPEG pour transmettre des données audio numériques compressées, des vidéos numériques et d'autres données, en utilisant la modulation COFDM ou OFDM. Ces dispositifs peuvent être réutilisés par programmation pour d'autres applications et ils conviennent parfaitement aux amateurs et aux bricoleurs qui veulent écouter et étudier les signaux radio VHF, UHF et hyperfréquences faibles.

Malgré toute sa puissance de traitement des signaux, la radio logicielle d'Adafruit a une taille physique extrêmement compacte de seulement 22,24 millimètres (mm) x 23,1 mm x 9,9 mm (Figure 2). Elle interface avec l'ordinateur hôte via un port USB, et le logiciel SDR prêt à l'emploi fournit l'interface utilisateur sur l'ordinateur de bureau ou portable. Le fabricant recommande le SDR Sharp (SDR#) d'Airspy dans son guide de démarrage. L'installation du logiciel prend moins de cinq minutes et est bien documentée.

Figure 2 : Le 1497 est un récepteur SDR économique en boîtier compact de la taille d'une pièce de 50 centimes et il est fourni avec une antenne et une télécommande auxiliaires. Ce récepteur syntonise de 24 MHz à 1,85 GHz, et interface avec un ordinateur hôte via USB. (Source de l'image : Adafruit Industries)

La connexion de l'antenne sur le récepteur se fait avec un connecteur MCX. Le jack MCX du récepteur accepte la fiche montée sur le câble d'antenne, ou l'antenne fournie peut être remplacée par une antenne personnalisée fournie par l'utilisateur.

Si l'utilisateur décide de remplacer l'antenne fournie par une autre, celle-ci peut être connectée à l'aide d'une fiche MCX. Des adaptateurs coaxiaux peuvent être utilisés pour raccorder le connecteur d'entrée MCX de la radio logicielle avec des connecteurs SMA ou BNC, qui sont plus fréquemment utilisés. Amphenol RF offre à la fois une fiche MCX vers jack SMA (242127) ou un jack BNC vers fiche MCX (242204), fournissant les interfaces de connexion les plus courantes.

Logiciel de prise en charge SDR

Le logiciel SDR# se connecte au récepteur et fournit l'interface utilisateur et l'affichage visuel (Figure 3).

Figure 3 : L'interface utilisateur Airspy SDR# contrôle le récepteur SDR à partir des menus déroulants à gauche. L'affichage de l'analyseur de spectre est indiqué dans la grille supérieure tandis que l'historique du spectre se trouve en dessous. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

L'interface utilisateur par défaut SDR# comporte trois éléments principaux :

• La colonne de gauche contient les commandes pour le dispositif SDR. Il y a quatorze menus déroulants qui contrôlent tous les aspects du récepteur SDR. Les principales commandes sont pour la radio, l'audio et l'affichage.
• La grille supérieure contient l'affichage de l'analyseur de spectre. Il trace la fréquence sur l'axe horizontal et la puissance du signal verticalement à l'aide d'une échelle logarithmique étalonnée en décibels. Les analyseurs de spectre sont le principal outil de test utilisé par les ingénieurs RF pour mesurer et analyser les dispositifs RF. La mesure numérique en haut de l'écran affiche et contrôle la fréquence centrale de l'analyseur de spectre. La plage de fréquences affichée maximum est la largeur de bande du récepteur qui est d'environ 2 MHz. Un curseur de zoom horizontal est disponible à droite de l'écran. Le zoom permet l'expansion horizontale de l'affichage autour de la fréquence centrale.
• Sous l'écran de l'analyseur de spectre se trouve un affichage de l'historique du spectre, parfois appelé spectrogramme, qui montre l'historique temporel du spectre. L'axe horizontal représente la fréquence, comme dans l'affichage de l'analyseur de spectre ; l'échelle verticale représente le temps. La Figure inclut des marqueurs temporels indiquant la date et l'heure. La troisième dimension est la puissance du signal, qui est indiquée par la couleur. L'échelle de couleurs par défaut s'étend du noir comme niveau de puissance minimum, au rouge comme niveau de puissance maximum. Il existe une variété de styles et de mappages de couleurs disponibles sous les contrôles d'affichage.

Le signal affiché à la Figure 3 est celui d'une station de diffusion FM à 105,1 MHz. Il s'agit d'un signal FM large bande qui a une largeur de bande de 200 kilohertz (kHz). C'est l'un des huit démodulateurs disponibles dans le récepteur SDR. Les autres démodulateurs prennent en charge la bande FM étroite, AM, SSB supérieure et inférieure, DSB, CW et les éléments de signaux en phase et en quadrature bruts. Les sélections se trouvent dans les commandes radio en haut à gauche de l'écran.

Le spectre du signal se compose du signal analogique autour de la fréquence centrale. Cela transmet le programme radio analogique. En dehors de cela, il y a deux sous-bandes qui contiennent d'autres éléments de programme et des informations numériques. Le contenu des informations du programme est décodé et apparaît immédiatement au-dessus de l'écran de l'analyseur de spectre. En plus de l'image du spectre, les composants audio de la station radio sont disponibles à l'écoute via l'ordinateur hôte.

La FM large bande dispose d'une large bande passante car elle est censée transmettre de la musique stéréophonique haute-fidélité. Un service radio comme le National Weather Service ne transmet que de la voix et utilise la FM à bande étroite (Figure 4).

Figure 4 : Diffusion du bulletin météo du National Weather Service à 162,471 MHz. Cette station utilise la FM à bande étroite. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La station National Weather Service est reçue en utilisant une bande passante de seulement 11,2 kHz car le programme ne contient que de la voix. Là encore, le matériel du programme audio est disponible ainsi que les images du spectre. Le récepteur SDR ajoute tous ces services à l'ordinateur hôte.

L'historique du spectre ou l'affichage du spectrogramme est utile pour voir les changements dans le spectre des signaux reçus au fil du temps. Un exemple simple est de voir celui d'un signal en code Morse à onde entretenue (CW) (Figure 5).

Figure 5 : Vue du spectrogramme d'un signal en code Morse CW. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Les signaux CW codent les données en activant et en désactivant une porteuse RF (modulation par tout ou rien). Sur l'écran du spectrogramme, les périodes de transmission de la porteuse sont indiquées par la trace gris-bleu sur l'écran. Le caractère Morse « V » (• • • —) indiquant le test est visible dans la trace du signal. Notez que le logiciel permet de recevoir des signaux CW en fournissant un oscillateur de fréquence de battement (BFO) appelé « CW shift » pour fournir une tonalité audio contrôlée par l'utilisateur pour entendre la transmission du code. Comme les transmissions CW sont en bande étroite, le récepteur réduit la largeur de bande à 300 hertz (Hz), comme on peut le voir dans le menu déroulant de la commande radio. Le fait de maintenir la largeur de bande du récepteur à la valeur minimum nécessaire pour le mode reçu permet de réduire le niveau de bruit dans le canal.

Quelques applications de mesure pour un récepteur SDR

Dans un monde de plus en plus interconnecté, il existe de nombreuses sources RF qui doivent être vérifiées et entretenues. Un exemple est la vérification de la période de mise à jour d'un module émetteur de station météorologique à distance (Figure 6).

Le spectrogramme montre deux rafales RF sur la fréquence porteuse de 433,92 MHz de l'émetteur à distance. L'échelle de temps sur le spectrogramme indique que les rafales FM se produisent à environ 50 secondes d'intervalle.

Figure 6 : Spectrogramme d'un émetteur de station météorologique à distance à 433,92 MHz envoyant des données en rafales. Le spectrogramme capture et affiche les rafales transmises à environ 50 secondes d'intervalle. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Les systèmes de télédéverrouillage (TDV) automobile fonctionnent à 315 ou 433 MHz, selon l'endroit où le véhicule est utilisé et les réglementations en vigueur. Dans ce cas, il suffit à l'utilisateur de tenir la clé près de l'antenne et d'appuyer sur l'un des boutons pour voir le type de modulation utilisé (Figure 7).

Le spectre de la clé TDV montre des pics doubles à environ 433,9 MHz. Le codage des données pour ce dispositif utilise la modulation par déplacement de fréquence (FSK), où la porteuse est décalée entre deux fréquences pour indiquer un zéro ou un un numérique. D'autres clés TDV utilisent la modulation par sauts d'amplitude (ASK) où l'amplitude d'une porteuse est décalée entre deux niveaux, pas très différents du signal CW.

Figure 7 : Le spectre d'un dispositif de télédéverrouillage utilise la modulation FSK d'une porteuse de 433,9 MHz pour coder les données numériques afin de contrôler l'entrée dans un véhicule. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Conclusion

Le récepteur SDR 1497 d'Adafruit ouvre le monde des bandes VHF, UHF et basses hyperfréquences aux amateurs et aux professionnels de l'investigation. Il permet d'utiliser un ordinateur pour syntoniser les diffusions FM, TV, radio-amateur, C.B., météo et en ondes courtes. Il peut également être utilisé comme analyseur de spectre pour vérifier le fonctionnement d'une large gamme de dispositifs RF portables. Le 1497 a également été utilisé pour créer des interféromètres pour la radioastronomie, et ce à faible coût.