Emetteur/Récepteur SDR
Cette réalisation a été initialisée grâce à Jacques F6HCV. J'en ai assuré à ce jour la réalisation (kit) et les premiers tests, non finalisés.
Généralités
Le kit se nomme "Ensemble RX/TX" de la marque Softrock et de conception Robby WB5RVZ.
Le concept est en particulier décrit sur le site http://www.wb5rvz.com/ et les détails du produit à l'adresse http://www.wb5rvz.com/sdr/ensemble/index.htm.
SDR = Software Defined Radio (radio configurée par logiciel), autrement dit poste radio dont une partie du fonctionnement est assurée par du logiciel; définition un peu pompeuse, il y a longtemps que des microprocesseurs et DSP sont utilisés dans les postes radio... la nouveauté pour nous radio-amateurs consiste surtout en l'utilisation du PC et d'architectures de type fréquence intermédiaire nulle ou très basse.
Les 2 diapositives suivantes (présentation à la fête de la science 2012 à Cholet) rappellent le principe de ce genre de radio (en version radioamateur !) :
Le récepteur en démonstration à la fête de la science 2012 :
Conception
En résumé, il s'agit d'un émetteur/récepteur en bandes radio décamétriques (de 3.5MHz à 30MHz) basé sur l'emploi d'un synthétiseur innovant Si570 de Silicon Labs, qui se présente sous la forme d'un simple composant monté en surface de 5 x 7 mm, capable de fournir un signal dans la gamme de 10MHz à au moins 160MHz, programmé par bus I2C (ce bus est géré par un petit microcontrôleur connecté en USB à un PC).
L'autre composant clé du montage est une paire de mélangeurs I/Q (mélanges avec l'oscillateur local I=In phase et le même oscillateur déphasé de 90° Q=quadrature) réalisés avec des multiplexeurs de bus numérique, qui présentent des avantages de faible perte (~1dB) comparée à celle d'un mélangeur classique (6 à 7dB), ainsi qu'une bonne résistance aux signaux forts. Ces mélangeurs sont attaqués par des horloges numériques basées sur la division du signal du Si570 par 4.
En réception, la faible perte du mélangeur permet théoriquement de s'affranchir d'étage amplificateur en amont, au moins dans les bandes HF couvertes. Le résultat des mélanges I/Q avec le signal reçu est positionné dans la bande audio, ou un peu plus (jusqu'à 100kHz environ) et est amplifié avec un bon facteur de bruit, suffisamment pour être analysé sans trop de dégradation par... la carte son d'un PC en stéréo (entrée micro ou ligne).
Le reste du traitement de signal est assuré par un logiciel dans le PC, ce qui permet d'éliminer un des produits de mélange (par exemple des signaux reçus de 3.61MHz et 3.59MHz mélangés avec 3.6MHz produisent le même mélange à 10kHz) et de démoduler virtuellement tout type de signal reçu. Un des gros avantages de ce traitement par PC est la réception panoramique : visualisation et démodulation de plusieurs signaux distincts dans un bande de 40 à 200kHz.
En émission, le principe est exactement inverse, le PC fournit 2 signaux BF modulés en quadrature qui seront mélangés avec l'oscillateur local pour générer une porteuse modulée. Le kit contient un amplificateur large bande qui porte la puissance à 1W sous 12V.
Le kit est prévu pour fonctionner sur 2 ou 3 bandes amateurs contiguës, en fonction du choix de certains composants de filtrage HF.
Réalisation du kit
La documentation est plutôt bien faite, et la réalisation est relativement facile, mais assez longue en suivant le déroulement proposé qui comporte beaucoup de tests intermédiaires. Ces tests ont l'avantage de supprimer au fur et à mesure les petits défauts éventuels de câblage. La réalisation des bobinages est la partie la plus fastidieuse.
A ce niveau, le seul problème de conception bloquant rencontré est la polarisation de l'étage de puissance émission :
le courant de repos était beaucoup trop élevé; le schéma du circuit de polarisation est peu satisfaisant, les dispersions de certains composants (Q4 et D3) ne peuvent être compensés et il n'y a pas de réglage
j'ai donc modifié (et simplifié) le schéma pour ne pas perturber la tension de polarisation par des chutes de tension dans des composants annexes; un réglage permet d'ajuster le courant :
schéma original
schéma modifié, modifs en rouge :
réalisation (pas très simple) :
Choix de la bande : l'idée de départ est de privilégier les bandes 7-10-14MHz (choix des bobinages), mais en laissant la possibilité de fonctionner sur les autres bandes. Le filtre de sortie n'a donc pas été câblé, ainsi que tout filtre passe-bas intermédiaire, en prévoyant ultérieurement d'ajouter un filtre antenne de bande externe. L'évaluation des performances reste à finaliser, mais il y a des problèmes comme des inductances de bobinages insuffisantes sur les bandes basses, des signaux très distordus en sortie du mélangeur émission... Des modifications seront donc nécessaires.
Etat du câblage actuel :
RF I/O and Switching
filtre antenne non monté et court-circuité:
C24 C25 C26 L2 L3
C27 remplacé par 10nF
L4 non montée et court-circuitée
C39 non montée
T5 et T6 sont bobinés pour les bandes 40-30-20m
RX Mixer (QSD)
R55 et R58 = valeurs pour les bandes 40-30-20m (10 ohms)
RX Opamps and Output
capas C74/75 paraissent faibles > ajout de 3.3µ tantale en parallèle
TX Mixer (QSE)
C20 non montée
L1 court-circuitée
C21 remplacée par 4.7nF
C64=0.1µF
T2 pour les bandes 40-30-20m
rien en sortie du mélangeur
Tests en réception
ordinateur = PC "netbook" 1GHz bas de gamme sous Windows XP
logiciel Rocky = mauvais fonctionnement, BF réception hachée (?)
logiciel HDSDR = réception correcte avec un taux de charge processeur de 60% maximum
Cependant la sensibilité HF semble très médiocre. Dans certaines configurations (en particulier avec une alimentation commune entre kit et PC) on constate une forte pollution du signal BF en entrée du PC, due à une boucle de masse (injection de parasites dans la masse audio).
Nous avons donc décidé de placer des transformateurs BF d'isolation sur les 4 lignes audio du kit.
Choix du transfo : CONRAD 516201-62 (inductance suffisante pour passer 100Hz sans trop charger la source, bande passante d'au moins 100kHz, faible capa parasite entre enroulements, rapport 1/1, coût modéré); une résistance de 2kΩ en parallèle sur le secondaire évite la résonance haute inévitable
Montage : ajout d'une plaquette en circuit imprimé, enfichée sur le kit, et supportant les 4 transfos et 2 connecteurs 3.5mm stéréo (ce qui laisse la possibilité de brancher l'audio sur le kit comme à l'origine) :
La fixation de la plaquette est assurée par 2 colonnettes ajoutées sur le CI de base, et l'interconnexion par 2 connecteurs placés entre les connecteurs audio d'origine (voir première photo).
L'efficacité des transfos en réception dans les cas difficiles est très bonne.
La sensibilité HF reste à vérifier.
Test en émission
Le logiciel HDSDR permet l'émission sans difficulté, sauf un problème non bloquant d'activation de l'alternat (case à cocher/décocher dans l'utilitaire CFGSR de configuration du kit, à creuser).
L'amplificateur de puissance sort facilement 1W sur toutes les bandes, avec un rendement assez faible (on est assez loin de l'amplitude maximale sur les drains de Q7 et Q8 > impédance de charge trop faible ?). L'échauffement du radiateur est assez conséquent, mais une émission permanente est possible sans risque évident (on peut encore toucher le radiateur).
Le mélangeur émission pose plus de problèmes. Avec la configuration actuelle (bobinages pour 7-10-14MHz, filtrages absents) la forme du signal de sortie est loin de la théorie en bas de bande, même à 7MHz, à cause d'une inductance de T2 trop faible.
D'autre part l'absence de filtrage rend le signal d'entrée de l'ampli très loin d'une sinusoïde.
Si on analyse le spectre de sortie du mélangeur, la génération est correcte pour de faibles niveaux BF : bonne réjection de la raie non désirée et de l'oscillateur local. Pour un niveau BF permettant de sortir l'équivalent de 1W efficaces (crête = 2W), le spectre est très dégradé avec l'apparition de nombreux produits de mélange, ceci avec une distorsion négligeable des signaux BF attaquant le mélangeur.
Une raison potentielle de distorsion est la caractéristique de résistance "ON" du multiplexeur U8 FST3253 variable avec le niveau d'entrée. En effet ce commutateur est de type NMOS et la résistance série augmente rapidement si la tension d'entrée dépasse Vcc-2V. La tension de repos du kit est de 2V, on ne peut donc supporter que 1V crête BF environ, ce qui est vite atteint. Un test en remplaçant R32 par un potentiomètre permet de vérifier cet effet. Cependant on constate que même centrée au mieux (vers 1.3V), la distorsion augmente régulièrement avec le niveau BF.
Le gain émission semble insuffisant, peut-être à cause du manque de filtrage en sortie mélangeur. Un gain amélioré permettrait de baisser le niveau BF et de réduire la distorsion. Ceci sera l'objet des prochains tests.
L'autre cause potentielle de distorsion est la non linéarité de l'ampli de puissance, que l'on peut mettre en évidence en faisant générer 2 tons au mélangeur.
A suivre...
(14/2/2012)
