Трансиверы. SDR приёмник из китайского USB свистка

Уверен, для многих из вас, как и для меня совсем недавно, происходящее в радиоэфире было настоящей магией. Мы включаем телевизор или радио, поднимаем трубку сотового телефона, определяем свое положение на карте по спутникам GPS или ГЛОНАСС - и все это работает автоматически. Благодаря RTL-SDR у нас появился доступный способ заглянуть внутрь всего этого волшебства.

Как уже говорилось, RTL-SDR - это целое семейство дешевых ТВ-тюнеров, способных выполнять функцию SDR-приемника. У этих игрушек разные названия и бренды, но объединяет их одно - все они построены на чипсете RTL2832. Это микросхема, содержащая два 8-битных АЦП с частотой дискретизации до 3,2 МГц (однако выше 2,8 МГц могут быть потери данных), и интерфейс USB для связи с компьютером. Эта микросхема на входе принимает I- и Q-потоки, которые должны быть получены другой микросхемой.

R820T и E4000 - это две наиболее удобные для SDR микросхемы, реализующие радиочастотную часть SDR: усилитель антенны, перестраиваемый фильтр и квадратурный демодулятор с синтезатором частоты. На рисунке - блок-схема E4000.

Разница между ними следующая: E4000 работает в диапазоне ~52–2200 МГц и имеет немного большую чувствительность на частотах менее 160 МГц. Из-за того что производитель E4000 обанкротился и микросхема снята с производства, остающиеся тюнеры покупать все труднее, и цены на них растут.

R820T работает в диапазоне 24–1766 МГц, однако диапазон перестройки внутренних фильтров сильно затрудняет работу R820T выше 1200 МГц (что делает невозможным, например, прием GPS). На данный момент тюнеры на этой микросхеме легко купить, и стоят они около 10–11 долларов.

Также продаются тюнеры на микросхемах FC0012/FC0013/FC2580 - у них очень серьезные ограничения по частотам работы, и лучше их не покупать. Узнать, на какой микросхеме сделан тюнер, можно в описании товара или спросив у продавца. Если информации по используемым чипам нет - лучше купить в другом месте.

Покупка

В розничных магазинах их не найти, поэтому нам поможет aliexpress.com . Пишем в поиске R820T или E4000, сортируем по количеству заказов, внимательно читаем описание (там должно быть явно написано, что тюнер использует микросхемы RTL2832 + E4000 или RTL2832 + R820T), и можно заказывать. Присылают обычно почтой России, в течение 3–6 недель.

В комплекте с тюнером будет и крошечная антенна - ее, конечно, лучше заменить. Хорошие результаты можно получить, используя обычную комнатную телевизионную антенну МВ-ДМВ «рога». В описании товара также нужно обратить внимание на разъем антенны - и либо искать тюнер с обычным телевизионным разъемом, либо расчехлять паяльник и делать переходник / перепаивать разъем. При пайке очень легко убить устройство статическим электричеством, так что заземляйтесь.

На многих тюнерах рядом с коннектором антенны отсутствуют защитные диоды (в данном случае U7) - их можно либо впаять самому (один к земле, один от земли - я, например, впаял 1N4148), либо оставить как есть, и антенну голыми руками не трогать и всячески беречь от статического электричества.

Софт и API для работы с RTL2832

rtl_sdr

Rtl_sdr – драйвер, обеспечивающий «нецелевое» использование данных с TV-тюнеров на базе rtl2832. В Windows вам придется заменить драйвер тюнера по умолчанию на WinUSB с помощью программы Zadig.

Rtlsdr.dll требуют все SDR-программы, и зачастую эта DLL уже идет в поставке софта, использующего RTL2832.

Rtl_sdr также можно использовать и через консольную утилиту, чтобы протестировать тюнер или слить кусок эфира в файл:

Rtl_sdr -f 1575520000 -g 34 -s 2048000 out.dat

При дальнейшей обработке нужно помнить, что в файле байты I- и Q-потоков идут поочередно.

SDRSharp

Что послушать в радиоэфире?

Радиопереговоры в безлицензионных диапазонах

Гражданские рации, не требующие регистрации в России, работают на частотах 433 и 446 МГц. Впрочем, в Москве русскую речь там услышать сложно. Их сразу и без проблем слышно в SDRSharp, модуляция NFM.

Поскольку каналов много, очень полезен плагин для SDRSharp AutoTuner Plugin - он автоматически включает частоту, на которой ведется передача, и таким образом можно слушать сразу все каналы раций.

Чтобы слушать рации на частоте 27 МГц, нужен тюнер с микросхемой R820T или внешний конвертер в случае E4000 (например, описанный ранее Ham It Up v1.2). Оптимальная антенна для 27 МГц уже требуется более серьезная, длиной ~2,59 или ~1,23 м.

Радиопереговоры полиции

Полиция в Москве и во многих других регионах России перешла на использование цифровых радиостанций, работающих в стандарте APCO-25 (P25). В P25 данные передаются в цифровом виде со сжатием и кодами коррекции ошибок - это позволяет увеличить дальность устойчивой связи и больше каналов впихнуть в ту же полосу радиочастот. Также существует опциональная возможность шифрования переговоров, однако обычная полиция работает без шифрования.

Для приема P25-раций можно использовать декодер DSD . DSD ожидает аудиоданные на входе. Перенаправить аудио с SDRSharp в DSD можно с помощью Virtual Audio Cable. DSD весьма критичен к настройкам SDRSharp - я рекомендую устанавливать AF Gain около 20–40%, возможно отключать галочку Filter Audio. Если все идет по плану - в окне DSD побегут декодированные пакеты, а в наушниках будут слышны переговоры. Эта схема также работает с упомянутым плагином AutoTuner в SDRSharp.

Найти частоты предлагаю читателям самостоятельно, так как эта информация не является открытой.

Радиопереговоры самолетов и диспетчеров

По историческим причинам для радиосвязи в авиации используется амплитудная модуляция. Обычно передачи с самолетов лучше слышно, чем от диспетчеров или погодных информаторов на земле. Диапазон частот - 117–130 МГц.

Прием сигналов с автоматических передатчиков самолетов ADS-B

ADS-B используется для того, чтобы и диспетчер, и пилот видели воздушную обстановку. Каждый самолет регулярно передает параметры полета на частоте 1090 МГц: название рейса, высота, скорость, азимут, текущие координаты (передаются не всегда).

Эти данные можем принять и мы, чтобы лично наблюдать за полетами. Два популярных декодера ADS-B для RTL2832 - ADSB# и RTL1090. Я использовал ADSB#. Перед запуском желательно настроиться на 1090 МГц в SDRSharp, посмотреть, есть ли сигнал и какая ошибка частоты из-за неточности кварцевого генератора. Эту ошибку необходимо скомпенсировать в настройках Front-end’а: Frequency correction (ppm). Нужно помнить, что величина этой ошибки может изменяться вместе с температурой приемника. Найденную коррекцию нужно указать и в окне ADSB### (предварительно закрыв SDRSharp).

Оптимальная антенна-монополь для 1090 МГц получается длиной всего 6,9 см. Так как сигнал очень слабый, тут очень желательно иметь дипольную антенну, установленную вертикально с такой же длиной элементов.

ADSB# декодирует пакеты и ждет подключений по сети от клиента, отображающего воздушную обстановку. В качестве такого клиента мы будет использовать adsbSCOPE .

После запуска adsbSCOPE необходимо открыть пункт меню Other -> Network -> Network setup, нажать внизу на кнопку adsb#, убедиться, что указан адрес сервера 127.0.0.1. Затем на карте необходимо найти твое местоположение и выполнить команду Navigation -> Set Receiver Location. Затем запустить подключение к ADSB#: Other -> Network -> RAW-data client active.

Если все сделано правильно, то в течение нескольких минут ты сможешь увидеть информацию о самолетах (если, конечно, они пролетают рядом с тобой). В моем случае с антенной-монополем можно было принимать сигналы от самолетов на расстоянии примерно 25 км. Результат можно улучшить, взяв более качественную антенну (диполь и сложнее), добавив дополнительный усилитель на входе (желательно на GaAs), используя тюнер на основе R820T (на этой частоте он имеет более высокую чувствительность по сравнению с E4000).

Прием длинно- и коротковолновых аналоговых и цифровых радиостанций

До прихода интернета КВ-радиостанции были одним из способов узнавать новости с другого конца земного шара - короткие волны, отражаясь от ионосферы, могут приниматься далеко за горизонтом. Большое количество КВ-радиостанций существует и поныне, их можно искать в диапазоне ~8–15 МГц. Ночью в Москве мне удавалось услышать радиостанции из Франции, Италии, Германии, Болгарии, Великобритании и Китая.

Дальнейшее развитие - цифровые DRM-радиостанции: на коротких волнах передается сжатый звук с коррекцией ошибок + дополнительная информация. Слушать их можно с помощью декодера . Диапазон частот для поиска - от 0 до 15 МГц. Нужно помнить, что для таких низких частот может понадобиться большая антенна.

Помимо этого, можно услышать передачи радиолюбителей - на частотах 1810–2000 кГц, 3500–3800 кГц, 7000–7200 кГц, 144–146 МГц, 430–440 МГц и других.

Радиостанция «судного дня» - UVB-76

UVB-76 расположена в западной части России, передает на частоте 4,625 МГц с начала 80-х годов и имеет не до конца ясное военное назначение. В эфире время от времени передаются кодовые сообщения голосом. Мне удалось принять ее на RTL2832 с конвертором и 25-метровую антенну, спущенную с балкона.

GPS

Одна из самых необычных возможностей - прием навигационных сигналов со спутников GPS на TV-тюнер. Для этого понадобится активная GPS-антенна (с усилителем). Подключать антенну к тюнеру нужно через конденсатор, а до конденсатора (со стороны активной антенны) - батарейка на 3 В для питания усилителя в антенне.

Далее можно либо обрабатывать слитый дамп эфира matlab-скриптом - это может быть интересно в целях изучения принципов работы GPS, - либо использовать GNSS-SDR , который реализует декодирование сигналов GPS в реальном времени.

Принять аналогичным способом сигнал с ГЛОНАСС-спутников было бы затруднительно - там разные спутники передают на разных частотах, и все частоты в полосу RTL2832 не помещаются.

Другие применения и границы возможного

RTL2832 можно использовать для отладки радиопередатчиков, подслушивания за радионянями и аналоговыми радиотелефонами, для разбора протоколов связи в игрушках на радиоуправлении, радиозвонках, пультов от машин, погодных станций, систем удаленного сбора информации с датчиков, электросчетчиков. С конвертором можно считывать код с простейших 125 кГц RFID меток. Сигналы можно записывать днями, анализировать и затем повторить в эфир на передающем оборудовании. При необходимости тюнер можно подключить к Android-устройству, Raspberry Pi или другому компактному компьютеру для организации автономного сбора данных из радиоэфира.

Можно принимать фотографии с погодных спутников и слушать передачи с МКС - но тут уже потребуются специальные антенны, усилители. Фотографии декодируются программойWXtoImg .

Есть возможность захватывать зашифрованные данные, передаваемые GSM-телефонами (проект airprobe), в случае если в сети отключен frequency-hopping.

Возможности SDR на основе RTL2832 все-таки не безграничны: до Wi-Fi и Bluetooth он не достает по частоте, и, даже если сделать конвертер, из-за того, что полоса захватываемых частот не может быть шире ~2,8 МГц, невозможно будет принимать даже один канал Wi-Fi. Bluetooth 1600 раз в секунду меняет рабочую частоту в диапазоне 2400–2483МГц, и за ним будет не угнаться. По этой же причине невозможен полноценный прием аналогового телевидения (там нужна принимаемая полоса 8 МГц, с 2,8 МГц можно получить только черно-белую картинку без звука). Для таких применений нужны более серьезные SDR-приемники: HackRF, bladeRF, USRP1 и другие.

Тем не менее возможность исследовать как аналоговый, так и цифровой радиоэфир, прикоснуться к спутникам и самолетам теперь есть у каждого!

Если вы когда либо хотели заняться радиолюбительством, не обязательно покупать собственное радиоприемное устройство. Слушать радиолюбительские частоты через веб-интерфейс позволят онлайн трансляции WebSDR. Опытным радиолюбителям проект будет не менее интересен, ведь более ста радиоприемников по всему миру предоставлены своими владельцами для публичного использования.

WebSDR - SDR приемник, подключенный к сети интернет, позволяющий любому себя настраивать и слушать радиоэфир. При этом программно-определяемая технология позволяет перестраивать приемник одновременно нескольким пользователям независимо и при этом прослушивать разные радиосигналы в отличие от множества классических радиоприемников, подключенных к сети интернет.

Серверная часть состоит из:

• ПК с ОС Linux, подключенного к сети интернет (необходима скорость около 100 kbit/s uplink на слушателя);
• программного обеспечения;
• радиоприемника с антенной. Часто роль приемного устройства выполняет квадратурный смеситель, подключенный к аудиокарте ПК.

Отдин из радиолюбителей запустил такой сервер на Raspberry Pi по схеме, показанной ниже.

Интерфейс программного обеспечения прост. Он состоит из водопада и инструментов для настройки web sdr приемника.

Слушать онлайн sdr приемники, расположенные в России можно по ссылкам:

Естественно, говоря о сборке, я имею в виду техническую сторону этого вопроса. Все давно придумано до нас. Но вот почти полное отсутствие материалов по сборке широкополосного RTL-SDR в рунете натолкнуло меня на мысль сделать подробное руководство для этого интересного устройства.

Такой приемник можно купить на AliExpress или на eBay уже в собранном виде. Но лично я паять люблю и решил не отказывать себе в таком удовольствии, поэтому заказал разобранную версию приемника. Плюс, она дешевле долларов на 20. Брал Kit у этого продавца (ссылка на AliExpress).

Чем же это устройство замечательно и отличается от обычного «свистка» вставляющегося в USB? А отличается оно тем, что может принимать еще и КВ путем прямого оцифровывания ВЧ сигналов. Лично мне очень не хватало панорамного приемника на коротких волнах. На КВ он работает, на уровне обычного бытового КВ приемника. Чувствительность КВ входа не высока, примерно такая же как и у обычных китайских всеволновых балалаек, около 30 мкВ. Хитрые китайцы про это знают, но не пишут. Однако при желании можно встроить дополнительный УВЧ тем самым сильно подняв чувствительность, на плате есть места для организации узлов расширяющих возможности приемника. Но лучше просто озаботиться хорошей КВ антенной. Кроме того, в отличие от «свистка» этот приемник хорошо экранирован.

Но довольно разговоров, пора включать паяльник в сеть и начинать сборку. Поставляется приемник в разобранном виде.

В комплекте идут корпус из алюминиевого профиля, плата для монтажа приемника и конвертера, набор деталей (конденсаторы, резисторы), провода для намотки трансформатора и индуктивностей, разъемы для подключения приемника по USB и к приемным антеннам, сама антенна не понятно на какой диапазон и хороший USB кабель.

Сама плата сделана довольно аккуратно, здесь придраться не к чему. Приемник дешевый, наверное самый дешевый из тех что продаются на AliExpress.

Монтаж

Возможно, более опытные радиомонтажники меня будут ругать, но я решил собирать все в той последовательности, в которой сейчас и опишу. Мне так удобнее.

Для начала собираем стенд для припаивания ВЧ разъемов к плате приемника. Для этого прикручиваем пластину с отверстиями к профилю и вставляем плату с установленными разъемами на место. Это позволит нам избежать ошибок с перекосами, и как следствие не нужных нам механических напряжений на плате.

Вставляем и прихватываем разъемы сверху.

Далее начинаем монтаж SMD компонентов на плату. В принципе, на плате все подписано и компоненты из комплекта тоже, так что тут проблем возникнуть не должно. Единственный совет, будьте предельно аккуратны, поскольку компоненты идут с запасом в одну штуку, и потеря сразу двух каких-нибудь мелких компонентов может свести на нет всю работу.

После монтажа SMD монтируем USB разъем.

Основа почти готова, осталось только намотать трансформатор, индуктивности и установить плату приемника на ее законное место. С нее и начнем. Освобождаем плату приемника от разъемов.

И спаиваем в наши платы с обеих сторон.

Затем наматываем на оправке диаметром 5 мм две катушки по 8-10 витков.

И впаиваем их в плату.

Теперь пришло время для самого сложного. Это изготовление трансформатора и его монтаж.

Для этого необходимо взять обмоточный провод идущий в комплекте и сложить его втрое скрутив между собой. Так, чтобы получилась скрутка трех проводов одной длины. После этого наматываем этот тройной провод на ферритовое колечко, так, чтобы получилось около 9-10 витков.

При помощи тестера определяем начало и конец всех трех обмоток и помечаем их, например A, B, C и A1, B1, C1.

И самое сложное. Концы соединенных вместе обмоток С и В1 необходимо припаять к 4 и 5 ножкам микросхемы RTL2832U (Q branch). Как вариант, можно паяться и к ножкам 1 и 2 (I branch), это не принципиально.

Будьте предельно внимательны. Концы обмотки тонкие. Ножки микросхемы маленькие. Не смотря на свое вполне приличное зрение делать это мне пришлось под лупой. Такая операция уже больше напоминает ремонт сотовых телефонов.

Ну вот вроде бы и все. Можно упаковывать наш приемник в корпус.

Теперь необходимо все проверить. Для этого подключаем приемник через USB к компьютеру, устанавливаем драйвера и скачиваем SDRSharp. В общем, все как я уже описывал в статье « ». Если все установилось правильно и заработали водопад и спектр, пришло время испытать наше устройство.

Для прослушивания КВ диапазона нужно подключить антенну к соответствующему входу, а в программе SDRSharp выбирать прямое семплирование с порта Q !

Для прослушивания УКВ необходимо выбирать режим квадратурного семплирования и соответствующую антенну.

Испытания

Исследуем чувствительность приемника. Для исследования чувствительности, приемник был подключен к ноутбуку Asus R510C. Принимаемый сигнал снимался со встроенной звуковой карты. В качестве источника сигнала и анализатора использовался прибор Rohde&Schwarz CMS 52.

Параметры для SSB: Тон 1кГц. Режим демодуляции приемника USB, RTL-AGC – On. Чувствительность приемника при SINAD 12дБ

Параметры для AM: Тон 1кГц. Режим демодуляции приемника AM, глубина модуляции 80%. RTL-AGC – On. Чувствительность приемника при SINAD 10дБ

Параметры для FM: Тон 1кГц. Режим демодуляции приемника NFM, девиация частоты 2кГц. RTL-AGC – On. Чувствительность приемника при SINAD 12дБ

КВ вход

80 метров
Частота 3.600 МГц

• USB: 22,78 мкВ
• AM: 39,72 мкВ

40 метров
Частота 7.100 МГц

• USB: 21,68 мкВ
• AM: 38,81 мкВ

30 метров
Частота 10.130 МГц

• USB: 26.98 мкВ
• AM: 46,24 мкВ

20 метров
Частота 14.200 МГц

• USB: 23,5 мкВ
• AM: 35,11 мкВ

17 метров
Частота 18.120 МГц

• USB: 20,7 мкВ
• AM: 32,4 мкВ

15 метров
Частота 21.225 МГц

• USB: 22,18 мкВ
• AM: 32,77 мкВ

12 метров
Частота 24.940 МГц

• USB: 17,42 мкВ
• AM: 26,7 мкВ

Си-Би (11 метров)
Частота 27.200 МГц

• USB: 49,26 мкВ
• AM: 97,95 меВ
• FM: 63,68 мкВ

10 метров
Частота 28.550 МГц

• USB: 0,11 мВ
• AM: 0,155 мВ
• FM: 0,126 мВ

УКВ вход

12 метров
Частота 24.940 МГц

• USB: 0,58 мкВ
• AM: 0,64 мкВ

Си-Би (11 метров)
Частота 27.200 МГц

• USB: 0,4 мкВ
• AM: 0,67 мкВ
• FM: 0,58 мкВ

10 метров
Частота 28.550 МГц

• USB: 0,38 мкВ
• FM: 0,5 мкВ

2 метра
Частота 145.000 МГц

• FM: 0,51 мкВ

70 сантиметров
Частота 433.000 МГц

• FM: 1,78 мкВ

30 сантиметров
Частота 900.000 МГц

• FM: 1.45 мкВ

Выше измерить уже не смог, прибор позволяет работать только до 1ГГц. Вот собственно и все. Если есть вопросы, пишите, постараюсь ответить.

Выход в свет микросхемы RTL2832U для приемников цифрового телевидения в формате DVB-T не обещал никаких сенсаций, ведь фирма Realtek и так несколько запоздала с ее выпуском. В 2010 году уже начинал внедряться более прогрессивный стандарт DVB-T2 с более эффективным кодированием информации, поэтому первоначально новинка не привлекла особого внимания. В течение двух лет дешевые USB-тюнеры на ее базе использовались по своему прямому назначению, пока в начале 2012-го года не произошла утечка некоторой технической информации о режимах работы данного чипа. Выяснилось, что для приема аналогового (FM) и цифрового (DAB) радио в диапазоне УКВ, эта микросхема использует принцип программного декодирования предварительно оцифрованной из эфира полосы частот. Т.е. она, грубо говоря, оцифровывает высокочастотный сигнал из антенного входа, а фильтрация конкретной несущей и ее детектирование (выделение полезной информации) из полученного цифрового потока отдается на откуп центральному процессору. Очевидно, что сделано это было из соображений экономии, точно так же, как во времена заката Dial-UP массовое распространение получили экстремально дешевые «софт-модемы», которые тоже представляли собой лишь продвинутую пару ЦАП+АЦП, а весь сигнальный процессинг выполнялся CPU в потоке с наивысшим приоритетом.

Высокий приоритет потока обработки сигнала с полосой частот чуть более 3 кГц приводил к заметному замедлению работы ПК того времени. Сегодняшние системы ведут себя сопоставимым образом, обрабатывая в 1000 раз больше информации.

Именно эта тяга к экономии и предопределила дальнейшую судьбу большинства тюнеров, собранных на основе RTL2832U. Утечка информации о возможностях чипа произвела эффект разорвавшейся бомбы. Еще бы, ведь все радиолюбители мира в одночасье получили мощнейшее средство радио-мониторинга. Приемник, покрывающий диапазон от Low-Band до отдаленного УКВ, не ограниченный ни типом модуляции, ни остротой настройки, с возможностью панорамного просмотра полосы более 3 МГц, и все это за 10 долларов! Ну и пусть, что работа возможна только в паре с компьютером, зато дешево и на вид практически неотличимо от простой флешки. Для сравнения, классический сканирующий приемник с поддержкой такого диапазона частот и типов модуляции (но без панорамного обзора) стоит порядка пятисот долларов и выглядит крайне подозрительно в руках обычного человека.

Рассматриваемый в данной статье приемник на базе RTL2832U является классическим SDR, поэтому и получил в народе название RTL-SDR. Даже китайские интернет-магазины часто продают эти тюнера именно под таким названием, совсем забывая упомянуть, что вообще-то это устройство задумывалось как телевизионный тюнер, а не игрушка для радиолюбителей.

Software Defined Radio – устройство приема и/или передачи радиосигналов, построенное на базе цифровой обработки сигналов процессором компьютера. От классического «аналогового» принципа отличается именно тем, что сигнал на как можно более ранних стадиях (в случае приемника) преобразуется в цифровой вид и в дальнейшем обрабатывается процессором. Это позволяет избавиться от массы аналоговых элементов схемы, часто дорогих и/или требующих тонкой настройки. В случае SDR-передатчика, сигнал до последнего существует в цифровом виде и проходит ЦАП в самом конце своего формирования. Кроме аналогового радио и SDR, существует еще большой класс DSP-радио, которое во многом аналогично SDR, но за цифровую обработку отвечает не просто программа, а специализированный DSP-чип (Digital Signal Processor). Такой цифровой сигнальный процессор реализует все или часть алгоритмов обработки сигналов на уровне логики, а не программного кода, что делает его более экономичным и эффективным, хоть и менее гибким, по сравнению с SDR. На практике часто бывает сложно провести четкую грань между SDR и DSP.

Примечательной особенностью практически любого SDR является его всеядность, ведь даже довольно сложные в «железной» реализации методы кодирования (например, однополосная амплитудная модуляция – SSB) легко обрабатываются программно и на практике для такого приемника вообще нет разницы, что принимать. В качестве демонстрации этой особенности, можно упомянуть курьезную разработку, которая позволяет принимать на такой тюнер аналоговое телевидение. Да-да, эти извращенцы заставили TV-тюнер принимать TV-сигнал! Но необычное тут то, что тюнер, вроде как, только для DVB-T, а сигнал таки аналоговый.

К сожалению, приемник аналогового телесигнала получается не очень полноценным, и поделать с этим ничего нельзя. Проблема в том, что сигнал изображения в системах PAL или SECAM с разложением на 625 строк занимает в эфире полосу до 6.5 МГц, в то время как RTL2832U в SDR-режиме умеет в один момент оцифровывать максимум 3.2 МГц. В итоге из-за ограничений доступной полосы частот, изображение принимается со значительно уменьшенной горизонтальной детализацией, а звуковое сопровождение (для передачи которого используется отдельная несущая в стороне от сигнала изображения) не принимается вовсе.

Также при помощи этого тюнера можно принимать и декодировать сигналы GPS, переговоры абонентов сотовых сетей (когда выключено шифрование), или, скажем, «читать» пейджинговые сообщения (там, где таковые все еще в ходу). Для всего этого существует либо самостоятельно ПО, либо плагины к универсальным «комбайнам» вроде SDRSharp.

Так что с короткими волнами?

Короче, очень удачная игрушка получилась, но не бывает так, чтобы все сразу было хорошо. Мониторинг местного УКВ-эфира – это, безусловно, очень интересно, но было бы гораздо интереснее, если бы была возможность приема и на более низких частотах. Ведь только на частотах менее 30 МГц можно непосредственно услышать сигналы передатчика, расположенного на другом краю планеты. Тем более что продвинутые возможности детектирования разных видов модуляции оказываются практически невостребованными в диапазоне ультракоротких волн. Служебная аналоговая связь, как правило, ведется с использованием узкополосной частотной (NFM), а в авиа-диапазоне в ходу обычная амплитудная модуляция. Самый энерго-эффективный и сложный в реализации метод модуляции с одной боковой полосой (SSB) на УКВ практически не используется, а вот на коротких волнах без него можно разве что Радио Китая послушать.

Проблема приема коротких волн на RTL-SDR имеет несколько решений. Первое – это подача сигнала с антенны непосредственно на вход микросхемы RTL2832U, минуя радиочастотный модуль (представленный обычно чипом R820T или R820T2). Называется это прямой оцифровкой (Direct Sampling, он же Q-branch или I-branch), и именно такой метод используется в дешевых наборах типа «сделай сам», массово представленных в китайских интернет-магазинах.

В такие наборы входит корпус, TV-тюнер, печатная плата, горсть дискретных деталей, и очень странная антенна. Тюнер предполагается разобрать, отпаять от его платы USB и антенный разъемы, и впаять то, что осталось в соответствующий фигурный вырез большей печатной платы. Туда же устанавливаются дискретные элементы, все это закручивается в корпус и на выходе получается симпатичная коробочка размером не больше пачки сигарет, теоретически способная принимать сигналы в диапазоне от нуля до многих сотен мегагерц.

На практике метод прямой оцифровки хоть и отличается крайней простотой реализации, но имеет слишком много недостатков. Самый главный из них – фактическая оцифровка сигнала только в диапазоне до 14400 кГц. Принимать он может и более высокие частоты, однако это уже побочный канал приема, который мешает основному и которому мешает основной. Второй критический недостаток – довольно низкая чувствительность полученного таким образом коротковолнового приемника. Вход RTL2832U не предназначен для обработки слабых сигналов, которые приходят с антенны. Реальная чувствительность получается хуже нескольких десятков микровольт, чего явно недостаточно для приема дальних SSB-станций, особенно на неэффективную короткую антенну.

Антенны – отдельная очень большая тема, на которую написаны тысячи серьезных работ. В обывательских кругах бытует мнение, что чем длиннее антенна – тем лучше она работает, однако в большинстве случаев это совсем не так. Наилучший результат дает антенна, настроенная в резонанс. А простейший путь добиться резонанса – это выбрать правильный размер. Эффективная проволочная антенна должна иметь длину, примерно равную четверти длины волны принимаемой станции. Например, принимать сигнал на частотах в районе 3.5 МГц (длина волны около 85 метров) лучше всего будет 21-метровый провод. До сантиметров отмерять не стоит, потому что кривая резонанса все равно довольно пологая. Очень пагубно на качество антенны влияет любой параллельный ей электропроводящий предмет, в том числе земля. Поэтому провод должен быть вертикальным или наклонным и не располагаться под острыми углами к близким металлическим или бетонным конструкциям. При невозможности сооружения полноразмерной антенны, допускается свернуть провод в трех-пятиметровую спираль (но его реальная длина все равно примерно должна соответствовать четверти длины волны). Так же не забываем, что в случае использования четвертьволновой антенны, внешний контакт антенного входа приемника обязательно должен быть заземлен или подключен к проволочному противовесу той же длины.

Малую эффективность антенны можно скомпенсировать повышением чувствительности приемника. К примеру, связные коротковолновые приемники обычно имеют чувствительность 0.25 микровольта и лучше, так что многие десятки микровольт «голого» RTL2832U сгодятся разве что для приема мощных радиовещательных станций.

Кстати, антенна из комплекта предназначена для сотового модема, о чем на ней прямо написано. На коротких волнах она работает почти никак, а что заставило китайского производителя вообще положить ее в набор – великая тайна.

Кроме низкой чувствительности и проблем с рабочим диапазоном, схема прямой оцифровки неудобна сложностью подключения дополнительных проводов к выводам микросхемы. Сделать это реально только игольчатым жалом и под сильным увеличением. Твердая рука также жизненно необходима, поэтому очень многие именно на данном этапе запороли тюнер и отправили остаток набора в долгий ящик.

И хотя даже этим недостатки не ограничиваются, думаю, сказанного уже достаточно для понимания того, что собирать его в соответствии с задумкой производителя не стоит. Гораздо лучше использовать набор в качестве основы для более достойного устройства аналогичного назначения.

Преобразование частоты

Второй способ научить RTL-SDR принимать КВ заключается в переносе спектра 0-30 МГц в любой другой участок, с которым тюнер умеет работать без всяких модификаций.

Подобный перенос называется преобразованием частоты вверх (Up-converting) и производится при помощи вспомогательного генератора переменного тока и схемы, называемой смесителем. Суть работы смесителя заключается в следующем: при подаче на его входы двух сигналов с разными частотами, на выходе формируется третий сигнал, частота которого равна сумме или разнице входных. При этом выходной сигнал повторяет в себе все амплитудные и частотные колебания входных. Таким образом, если на один вход подать принятый антенной сигнал в диапазоне 0-30 МГц, а на другой – не модулированный переменный ток от вспомогательного генератора (гетеродина) с частотой, скажем, 100 МГц, то на выходе мы получим полную копию сигнала с первого входа, сдвинутую на 100 МГц вверх.

В большинстве подобных преобразователей предлагается использование микросхемы SA602, которая отлично зарекомендовала себя в связной аппаратуре практически всех диапазонов волн. Она довольно распространенная, требует минимум «обвязки», а ее возможности с лихвой покрывают наши потребности.

Совершенно аналогичный чип может скрываться и в корпусе с маркировкой NE602. Так же существуют более дешевые микросхемы SA612 и NE612, которые немного отличаются по характеристикам, но тоже вполне пригодны для преобразователя частот. Цоколевка и рабочие напряжения всех четырех микросхем совпадают, поэтому они полностью взаимозаменяемы.

Единственное теоретически заметное в данном случае отличие микросхем SA612/NE612 от SA602/NE602 – это их меньший коэффициент усиления, 14 dB против 18. Однако на практике в приведенной ниже схеме мне не удалось обнаружить на слух какую-либо разницу между ними, поэтому смело можно использовать ту, которая первой попадется под руку.

Что еще, кроме гетеродина и смесителя нужно для преобразователя частоты? Последним жизненно необходимым элементом схемы является фильтр низких частот (ФНЧ, он же Low-pass Filter). Его важность проистекает из самого принципа работы преобразователя частоты. Мы помним, что смеситель в преобразователе производит сложение и вычитание частот, поступающих на его входы. И если с частотой гетеродина 100 МГц на второй вход подать сигнал 3.5 МГц, то мы сможем принять его тюнером при настройке на 103.5 МГц. Однако если подать на второй вход сигнал с частотой 203.5 МГц, то смеситель услужливо вычтет из него частоту гетеродина и снова выдаст нам те же 103.5 МГц.

Этим отсечением и занимается фильтр низких частот. Подробно на принципе его действия останавливаться не будем, тем более что он очевиден любому, кто знает, что такое индуктивное и емкостное сопротивление. Для нас главное, что он очень прост в реализации и, не смотря на свою аналогово-высокочастотную сущность, при правильном изготовлении не нуждается в какой-либо настройке. Схема ФНЧ седьмого порядка с частотой среза 30 МГц выглядит так:

Существует некоторая путаница в именовании фильтров нижних и верхних частот в русскоязычной литературе. Одни авторы руководствуются такой логикой: «фильтр должен называться фильтром низких частот, если он отфильтровывает (т.е. подавляет) низкие частоты». Другие же, напротив, думают так: «если фильтр очищает (т.е. наоборот оставляет) низкие частоты, то именно его и нужно называть фильтром низких частот». В результате в разных источниках под ФНЧ (или ФВЧ) подразумеваются совершенно противоположные понятия. Для устранения путаницы предлагаю вспомнить английские термины, которые не допускают двусмысленности. Фильтр, пропускающий низкие (т.е. подавляющий высокие) частоты, называют Low-pass Filter. Обратный ему, соответственно, – High-pass Filter. Все однозначно и никакой путаницы. И если перевести ключевое слово английского и наложить его на русский термин, то получается, что Low -pass Filter – это фильтр низких частот, т.е. ФНЧ. В то же время High -pass Filter – это фильтр высоких частот, ФВЧ.

В принципе, с тремя жизненно необходимыми элементами определились, и если сделать преобразователь частоты по стандартной схеме из datasheet, то он уже будет работать. Однако у такой схемы есть еще один неочевидный недостаток, который значительно ухудшит характеристики устройства.

Согласование сопротивлений

Вход смесителя выбранной микросхемы имеет сопротивление около 1500 Ом, а описанная выше четвертьволновая антенна – всего 50 Ом или меньше. На первый взгляд кажется, что ничего страшного, ведь с «силовой» точки зрения важно, чтобы потребитель (вход микросхемы) имел более высокое внутреннее сопротивление, чем источник (антенна), и в данном случае это условие соблюдено. Вот только с «сигнальной» точки зрения такое соотношение обозначает, что потребитель не берет всю мощность от источника. А там, где потребитель не берет все, что ему предлагается, сигнал всегда проходит с потерями.

Многие начинающие конструкторы вообще не уделяют внимания согласованию сопротивлений именно потому, что руководствуются «силовым» подходом. Ведь сопротивление лампочки на многие порядки выше выходного сопротивления ближайшей трансформаторной подстанции, и ничего, лампочка светится, подстанция не взрывается. Ошибка тут в том, что пред лампочкой не стоит задача «высосать» всю энергию из подстанции, ее функция состоит в том, чтобы взять ровно столько, сколько ей нужно. В то же время в сигнальных цепях любой недобор и перебор приводят к тому, что часть энергии просто не доходит от источника к потребителю и в результате сигнал ослабляется.

Второй точкой схемы, где требуется согласование сопротивлений, является выход смесителя. Тут ситуация даже хуже чем на входе, потому что высокоомный (те же 1.5 кОм) источник нужно подключить к низкоомному потребителю (вход тюнера имеет стандартный «телевизионный» импеданс 75 Ом).

Снова пример из механики. Представим себе электродвигатель с номинальной частотой вращения, скажем, 3000 оборотов в минуту, и лифт. Предположим, что мощность двигателя как раз соответствует мощности, необходимой для поднятия кабины. Однако если мы непосредственно соединим вал такого двигателя и лебедку лифта, ничего хорошего у нас не выйдет. Вал двигателя стремится крутиться слишком быстро, но при этом обеспечивает слишком малый крутящий момент для того, чтобы кабина лифта могла двигаться в нормальном режиме. Да, вероятно такой лифт все-таки сможет работать. С сильнейшим перегрузом двигателя и/или «космической» скоростью движения кабины после разгона. Для того, чтобы наш лифт заработал нормально, двигателю тоже необходим редуктор, который уменьшит частоту вращения и при этом увеличит крутящий момент. А хуже предыдущей эта ситуация потому, что тут не только не оптимально используются энергия источника, но и нарушается режим его работы из-за непомерной нагрузки.

В принципе, здесь тоже самое место трансформатору или, в крайнем случае, согласующему LC-фильтру. Но изготовление трансформатора, как уже говорилось выше, не стоит затраченных усилий, а согласующий фильтр, во-первых, имеет слишком «горбатую» амплитудно-частотную характеристику, а во-вторых, является избыточным с точки зрения самой необходимости что-то фильтровать в данной точке схемы. В общем, я решил использовать активный согласующий каскад. Он хоть и требует некоторой энергии для своей работы, но зато позволяет получить почти идеальное понижение сопротивления в любых разумных пределах.

В этой схеме нагрузка транзистора включена не в коллекторную цепь, как это делается в обычном усилительном каскаде, а в эмиттерную. В результате коллектор с точки зрения входного сигнала заземлен (через источник питания), а схема получила название каскада с общим коллектором. Такой каскад не дает усиления напряжения, но зато позволяет как бы добавить «токовой мощности» высокоомному источнику сигнала, или, другими словами, снизить его выходное сопротивление.

Второе название такого каскада – эмиттерный повторитель, которое он получил от своей чрезвычайной линейности. Такое включение нагрузки, по сути, вводит в каскад отрицательную обратную связь глубиной в 100%. Ведь любое приоткрытие транзистора входным сигналом приводит к увеличению тока через нагрузку, а значит и повышению напряжения на эмиттере транзистора. В результате любое увеличение напряжения на базе относительно эмиттера приводит к синхронному увеличению напряжения на эмиттере на такую же величину. Или, другими словами, напряжение на нагрузке просто повторяет напряжение на входе каскада. Но, не смотря на кажущееся отсутствие усиления, ток, текущий через нагрузку, в идеальном случае ограничен только ее сопротивлением, и при этом почти весь он берется из цепи питания, очень слабо нагружая источник входного сигнала.

В нашем случае каскад нагружен резистором на 75 Ом, что обеспечивает идеальное согласование со входом тюнера, а высокая линейность повторителя дает нам возможность легко перекрыть весь диапазон 0-30 МГц, не потеряв ни децибела. Единственное «но»: транзистор для этого каскада желательно подобрать с большим коэффициентом передачи тока, лучше, если он будет 200 единиц или выше. Большинство экземпляров транзистора 2N2222A удовлетворяют этому условию (если не отбраковка, конечно), но все-таки лучше перепроверить хотя бы простым китайским мультиметром.

Не путайте транзистор 2N2222A с его близким родственником P2N2222A, который имеет очень похожие параметры, но отличается цоколевкой. У обоих транзисторов база выведена на центральную ножку, а вот коллектор и эмиттер располагаются в зеркальном отражении, поэтому на приведенную ниже печатную плату P2N2222A должен устанавливаться с разворотом на 180 градусов.

Еще одним крайне желательным элементом конструкции является реле, позволяющее использовать тюнер и в его «родном» диапазоне частот. Согласитесь, было бы обидно получить чисто коротковолновый приемник, если буквально одной деталью можно сделать его универсальным. Принцип действия реле известен всем, и в данном случае один переключающий контакт просто должен коммутировать вход тюнера между выходом преобразователя частоты и гнездом УКВ-антенны.

Очень важным в данном случае параметром оказывается то, что не часто встретишь в даташите на реле – минимальные напряжение и ток коммутации. Именно минимальные! Проблема в том, что даже замкнутые контакты обычного реле могут оказаться не соединенными друг с другом в строгом смысле. Из-за окислов и эрозии между ними может получиться тончайший непроводящий зазор, который мгновенно пробивается напряжением даже в доли вольта и спекается от тока в десяток микроампер. Однако при коммутации приемной антенны у нас далеко не всегда есть сотни милливольт и десятки микроампер. Поэтому слаботочные реле имеют специальную конструкцию и особое покрытие токопроводящих элементов (вплоть до «мокрого» ртутного контакта), которые обеспечивают надежную коммутацию цепей с субмикронными напряжениями и токами.

Как оказалось, слаботочные высокочастотные реле довольно редкие и дорогие, поэтому пришлось искать замену. Наиболее доступным и подходящим вариантом оказалось герконовое реле. В его основе лежит геркон (герметичный контакт), представляющий собой герметичную стеклянную трубку с впаянными в ее торцы упругими позолоченными или родированными стальными пластинами. Трубка заполнена инертным газом, исключающим образование окислов. Управление осуществляется током в катушке, которая намотана на геркон: под действием магнитного поля стальные пластины изгибаются и замыкают или размыкают цепь.

К сожалению, все доступные в местной продаже импортные герконовые реле оказались с одним замыкающим контактом, не позволяющим переключать источники сигнала. Городить два отдельных реле не хотелось, поэтому пришлось выпаять из старой советской платы от какого-то измерительного прибора реле РЭС55А. Это герконовое реле с одним переключающим контактом, вполне пригодное для коммутации приемной антенны в диапазоне коротких волн.

Маркировка реле производства СССР определяла в основном его форм-фактор, а не электрические характеристики. Такие параметры, как сопротивление обмотки, напряжение и/или ток срабатывания, а иногда даже используемый материал контактов, определялись так называемым «паспортом», или «исполнением». При этом тип паспорта на корпусе почему-то присутствовал далеко не всегда. В результате определение конкретных характеристик иногда превращалось в своеобразный квест. Например, напряжение срабатывания можно было косвенно определить по оммическому сопротивлению обмотки. Измеренное значение нужно было найти в таблице паспортов данного типа реле и по нему определить конкретный тип и остальные характеристики. Особой пикантности процессу прибавляло то, что сопротивление обмотки могло совпадать не только для реле с, например, разным материалом контактов (что как раз понятно), но и у реле с разными напряжениями срабатывания.

На напряжение 5 вольт рассчитаны реле РЭС55А с паспортами 03xx, 08xx, 11xx, 16xx (они же РС4.569.600-03, РС4.569.600-08, РС4.569.600-11 и РС4.569.600-16 соответственно). Также можно использовать 6-вольтовые модификации 02xx, 07xx, 15xx (РС4.569.600-02, РС4.569.600-07, РС4.569.600-15). Сопротивление обмотки у всех подходящих исполнений от 57 до 110 ом.

В принципе, можно использовать любое малогабаритное герконовое реле, правда, нужно будет переработать под него чертеж печатной платы под его распиновку. Желательно также, чтобы реле было новым, или хотя бы не использовалось ранее в цепях с напряжением выше десятка вольт и током более единиц мА.

Схема

Практическая схема конвертера имеет такой вид:

В ней мы видим уже знакомый ФНЧ, собственно микросхему преобразователя частоты с обвязкой, выходной согласующий каскад на транзисторе, и коммутирующее реле. Коммутация входа тюнера ANT на выход преобразования производится автоматически одновременно с подачей питания на схему.

Не очень понятным может показаться назначение резистора R1 и конденсатора C1, но если вспомнить то, что хорошая коротковолновая антенна может достигать длины нескольких десятков метров, то возникает мысль и об атмосферном электричестве. Нет, от прямого удара молнии в антенну ничего не спасет, а вот от статики и наведенного далеким разрядом импульса вполне можно обезопаситься. Резистор R1 (желательно мощностью 1 Ватт) просто открывает пусть статическому электричеству на землю, а конденсатор C1 (это должен быть высоковольтный керамический конденсатор на напряжение не менее 1 кВ) препятствует попаданию этого электричества на вход микросхемы. В прочем, если прием планируется только на укороченную антенну, то резистор можно вообще не устанавливать, а конденсатор заменить перемычкой (или обычным, не высоковольтным керамическим конденсатором той же емкости).

Диод D1, включенный параллельно обмотке реле, гасит индукционный выброс, возникающий в момент отключения питания схемы. Обмотка реле имеет значительную индуктивность и накапливает в своем магнитном поле немало энергии. При прекращении протекания постоянного тока, эта энергия высвобождается в виде импульса напряжения обратной полярности, который в нашем случае поступает прямо на шину питания всего устройства, включая тюнер. На этом месте можно использовать любой малогабаритный диод с максимальным обратным напряжением 10 вольт или больше.

Включение микросхемы в основном соответствует референсу из даташита. Для переноса входного сигнала в рабочий диапазон тюнера нужен генератор на частоту 40 МГц или выше. При этом нужно учитывать такие факторы:

• Радиочастотный модуль R820T рассчитан на работу в диапазоне от 42 МГц, поэтому на более низких частотах его чувствительность и даже работоспособность не гарантирована.
• В полученном диапазоне переноса нежелательно наличие мощных передающих станций, потому что их сигнал может попасть на вход тюнера минуя преобразователь частоты и все испортить.
• Частота гетеродина должна быть предельно стабильной, ведь любое ее изменение сбивает настройку на передатчик.

Для максимальной стабилизации частоты, гетеродин выполнен с использованием кварцевого резонатора.

Кварцевый резонатор (или просто «кварц») – это тонкая пластина кварца, на разные стороны которой нанесено проводящее напыление. Пластина вырезана из монокристалла чистого диоксида кремния, который имеет свойство механически колебаться под действием электрического поля, приложенного вдоль некоторых осей. Как и любая механическая колебательная система, пластина имеет собственную частоту резонанса, которая определяется ее формой и толщиной. Если к металлическому напылению подвести переменное напряжение, то пластина начнет колебаться в такт с изменениями электрического поля, а оказываемое ею электрическое сопротивление, будет зависеть от частоты этих колебаний. На частоте резонанса сопротивление резко изменяется в сотни и тысячи раз, что позволяет использовать такую пластину как частотозадающий элемент генератора. Преимуществом кварца является его высокая стабильность и удобство использования в генераторах колебаний. Именно поэтому его можно найти практически в любом электронном устройстве.

Идеальной для переноса была бы частота гетеродина 120-125 МГц. При таком ее значении весь участок 0-30 МГц переносится в относительно «тихий» диапазон волн, где нет вещательных передатчиков.

Используемая во многих китайских конвертерах частота гетеродина 100 МГц является крайне неудачной. Ведь в этом случае самый интересный диапазон 0-8 МГц после переноса вверх попадает в область УКВ-радиовещания. Мощный сигнал вещательной FM-станции часто может быть принят даже резистором на плате, после чего он наложится на перенесенный сюда же слабый сигнал КВ-передатчика и сделает его прием невозможным.

Однако создать надежный и стабильный кварцевый генератор на частоту за сотню МГц достаточно сложно. Для этого пластина кварца должна иметь такую малую толщину, что получить ее механической обработкой уже невозможно. Такие кварцы делаются путем химического травления и крайне труднодоставаемы.

Другой путь достижения высоких частот – это генерация не на основной частоте пластины, а на одной из механических гармоник. Подобно гитарной струне, пластина кварца может колебаться не только на своей «фундаментальной» частоте, но и на нечетных обертонах. Если внедрить в схему генератора другой частотозадающий элемент, подавляющий генерацию на основной частоте, то некоторые кварцы начинают колебаться с частотой третьего обертона. А еще более некоторые пластины при должном упорстве можно заставить генерировать на пятом или седьмом обертоне.

Эксперименты с кварцами 14-25 МГц, выпаянными из старого компьютерного хлама и купленными в Китае, показали, что большинство из них непригодно для работы даже на третьем обертоне. Видимо их пластины вырезаны таким образом, что их активность на гармониках оказывается крайне низкой, и генератор либо вообще не возбуждается, либо скатывается на фундаментальную частоту не глядя на подавляющий элемент. Конечно, при должном упорстве можно найти кварц, который заработает на седьмой гармонике и даст частоту более 100 МГц, но это оказалось не так просто, да и трудоемкость настройки такого генератора уже выходит за рамки простейшей конструкции. Поэтому было решено пойти на компромисс и использовать перенос на частоту около 50 МГц. Полученный при этом рабочий участок 50-80 МГц тоже накладывается на старый вещательный УКВ-диапазон 66-74 МГц, однако сегодня в большинстве мест он фактически заброшен по причине малой распространенности поддерживающих его радиоприемников.

Отдельной проблемой являются первые три канала телевизионного вещания, которые тоже попадают в этот диапазон и часто могут стать причиной помех. Но в городах вещание на этих каналах сегодня ведется довольно редко, а в сельской местности расстояние до передатчика обычно позволяет не беспокоиться о помехах.

В любом случае при наличии помех на КВ, стоит попробовать отключить от устройства УКВ-антенну, которая через емкость реле и монтажа всегда имеет некоторую связь со входом тюнера.

Почти все современные кварцы с маркировкой выше “40.000”, являются гармониковыми, т.е. изначально предназначены для работы на третьем (или более высоком) обертоне. Если поставить такой кварц в схему без подавления «фундаментальной» частоты, он, скорее всего, будет генерировать или на трети от заявленной, или сразу на двух частотах. Например, из купленного в китайском интернет-магазине набора кварцев на 1-48 МГц, последний оказался гармониковым. Но запросто можно встретить такой кварц и на 40 МГц, а среди старых изделий 20-и и более летней давности гармониковыми является большинство кварцев с частотами от 25 МГц.

Можно, конечно, использовать отдельную микросхему генератора нужной частоты, но это дополнительный корпус на плате, дополнительный потребитель тока, да и придется решать проблему согласования выходного напряжения этого генератора и гетеродинного входа смесителя.

В общем, окончательный вариант преобразователя использует гармониковый кварц с маркировкой “49.475”, выпаянный из старого аналогового радиотелефона. А для подавления фундаментальной частоты в схему генератора добавлен контур L4/C8, настроенный частоту третьего обертона. Именно благодаря этому контуру генерация на 16.5 МГц оказывается невозможной и у кварца просто не остается других вариантов.

В схеме с указанными номиналами L4 и C8 без проблем заработают все кварцы с маркировкой примерно от “45.000” до “55.000”, а также некоторые “15.000”-“18.500”. Если цифра на корпусе выходит за эти пределы, то индуктивность L4 и/или емкость C8 придется изменить, чтобы частота полученного контура примерно соответствовала нужной частоте генератора (формула расчета частоты LC-контура ищется в интернетах за 30 секунд). При использовании «фундаментального» кварца, например, на частоту 40 МГц, катушку L4 нужно просто удалить из схемы, ничем ее не заменяя.

Узнать, заработал ли кварц, очень просто. Достаточно в уже собранной схеме настроить тюнер на его частоту. При наличии генерации, в спектре будет виден пик сигнала гетеродина, который бесследно исчезает при переключении конвертера в режим УКВ. Этим же способом определяется точное значение частоты гетеродина, которое нужно внести в настройки ПО.

Нет необходимости специально искать кварц с «круглым» номиналом. Во-первых, на коротких волнах в режиме SSB актуальна настройка с точностью не хуже 100 Гц, что все равно превышает погрешность калибровки большинства кварцев. А во-вторых, программное обеспечение для RTL-SDR позволяет установить произвольную частоту сдвига, и после этого шкала настройки будет показывать уже откорректированную частоту вне зависимости от номинала кварца.

Монтаж

Разводка печатной платы показана на рисунках:

архив с файлами схемы и печатной платы

Плата двусторонняя, но это обусловлено в первую очередь монтажом разъемов, вся схема преобразователя частоты разведена на нижнем слое, а верхний, раз он все равно есть, используется в качестве экрана.

Еще одним отсутствующим на схеме элементом является жестяной экран вокруг всех дискретных деталей, образующих кварцевый генератор. По той причине, что выход смесителя подключен к довольно чувствительному устройству в виде ТВ-тюнера, необходимо минимизировать утечку сигнала гетеродина, к которому тюнер так же чувствителен, как и к полезному сигналу. Контактные площадки для монтажа экрана окружают кварц Q1, катушку L4, конденсаторы C7-C9, и все они соединены с «землей». Металлический корпус кварца также заземляется на этот экран в своей верхней части при помощи проволочной перемычки.

Если нет медной жести, то экран можно сделать из консервной банки, или из баллончика от пены для бриться, лака для волос и т.п. И консервные банки, и флаконы бывают сделаны как из алюминиевого проката, так и из луженного стального листа. Алюминиевые не притягиваются к магниту и не паяются, поэтому использовать нужно стальные. Такая жесть легко режется обычными ножницами, она уже залужена, поэтому паять ее – одно удовольствие.

Припаять экран можно или на проволочные стойки, или продев в отверстия платы тонкие жестяные «язычки», оставленные при его вырезании.

В моей плате тюнер устанавливается не горизонтально, как в оригинале, а вертикально для экономии места. Вырез фигурной формы позволяет припаять его общим проводником к «земле» главной платы с обеих сторон, а питание и линии данных от USB-разъема к нему нужно подвести короткими гибкими проводниками. Положение всех разъемов и светодиода сохранено для того, чтобы оригинальный корпус можно было использовать с минимальными доработками. Единственное отличие заключается в использовании сдвоенного двухцветного светодиода с общим катодом, который позволяет отображать оба режима работы устройства. Отверстие для переключателя режимов работы нужно просверлить самостоятельно в той же боковой планке, которая имеет вырез для USB и светодиода.

Переключатель режимов работы – обычный миниатюрный тумблер или фиксирующаяся кнопка с одним переключающим контактом, который в одном положении подает питающее напряжение на всю схему, а в другом – только на одну половину индикаторного светодиода. Все соединения переключателя с платой выполнены гибким изолированным проводом.

Устройство после сборки (см. КДПВ) внешне мало отличается от того, что получилось бы при монтаже исходного набора, однако это уже девайс совсем иного класса.

Настройка ПО

В качестве примера буду использовать популярный продукт SDRSharp, который умеет работать с переносом частоты. Точную частоту кварцевого генератора нужно ввести в поле Shift с отрицательным знаком. Подробно останавливаться на тонкостях настройки программы для работы в диапазоне коротких волн не буду, потому что этого добра в сети и так навалом. Но не могу умолчать об одной особенности, о которой не все знают.

Методику определения частоты кварца я описывал выше, но нужно учитывать тот факт, что каждый экземпляр тюнера имеет некоторую индивидуальную погрешность настройки. При работе с широкополосными сигналами TV- и FM-трансляций такая погрешность никак не влияет на работоспособность, однако при приеме узкополосных видов модуляции (особенно SSB и CW) она часто превышает ширину канала. Поэтому перед измерением точной частоты кварца нужно откалибровать сам тюнер.

Для калибровки нужно принять тюнером любой сигнал, частота которого точно известна. Вещательные передатчики обычно стабилизированы очень тщательно, поэтому в качестве эталона вполне можно использовать любую FM-станцию. Но сигнал вещательного УКВ-передатчика достаточно широкополосный, в то время как для калибровки тюнера из всего спектра нужно выделить несущую частоту. Проще всего это сделать в тот момент, когда нет модуляции, т.е. при передаче тишины. В этот момент спектр излучения стереофонического передатчика принимает вид тризубца или более сложной фигуры с несколькими узкими пиками, центральный из которых соответствует несущей частоте.

Поймать момент тишины бывает непросто, но в этом деле хорошо помогает функция SDRSharp, позволяющая записать на диск «сырой» сигнал из эфира, а затем циклически воспроизводить его точно так, как если бы работал реальный тюнер. Если в запись попадет хотя бы один момент тишины, то возвращаясь к нему вновь и вновь, можно зафиксировать точную частоту несущей.

Реальная частота передатчика может быть определена по ближайшему значению, кратному 100 кГц. На скриншоте тюнер принимает сигнал 95 998 350 Гц, хотя очевидно, что вещательная станция работает на 96 000 000 Гц. Для калибровки нужно изменить параметр «ppm» настроек так, чтобы центральный пик располагался симметрично вокруг отметки шкалы, соответствующей действительной частоте сигнала.

Примерное значение PPM можно вычислить по формуле:

где: f – реальная частота передатчика; F – частота настройки тюнера. Вычисленное значение (в моем случае оно равно 17) можно использовать в качестве отправной точки, а точная величина, полученная при просмотре более узкополосных спектров, скорее всего, будет немного отличаться.

В качестве эталона можно использовать и другие сигналы, если есть уверенность, что они имеют достаточную точность установки частоты. Не стоит сильно доверять передатчикам связных УКВ-радиостанций (особенно дешевых китайских «побрякушек»), т.к. для них погрешность в несколько сотен Гц является вполне допустимой и совершенно незаметной при работе. Передатчики «серьезных» служб, например, диспетчерской вышки ближайшего аэропорта, скорее всего, достаточно точны, а вот частотам «бортов» уже слепо верить не стоит.

Можно попробовать использовать в качестве эталона сигналы передатчиков базовых станций сотовой связи в диапазоне 850 или 900 МГц. Существует даже специальная утилита “Kalibrate-RTL”, которая позволяет автоматизировать этот процесс. Частоты каждого канала жестко определены стандартом и выдерживаются с высокой точностью, поэтому методом сравнения того, что поймал тюнер, и того, что должно быть вблизи текущей настройки, можно вычислить погрешность. В моем случае программа выдала совершенно неадекватное значение PPM, хотя отклонение частоты от номинала было определено правильно, и при помощи вышеприведенной формулы я получил то же самое значение, что и от вещательного передатчика.

Также на погрешность настройки немного влияет температура тюнера, поэтому начинать калибровку желательно после 10-15-минутного прогрева в рабочем режиме.

После запуска конвертера калибровку можно будет уточнить по сигналам коротковолновых радиовещательных станций, чей спектр гораздо больше подходит для этого. Однако по той причине, что на КВ-настройку может влиять как калибровка самого тюнера, так и точность ввода частоты гетеродина, определить, что из них корректировать, будет сложнее. Например, если путем коррекции значения частоты гетеродина в поле Shift удалось совместить настройку с реальной частотой передатчика в одном диапазоне, но соответствие нарушается на других диапазонах, значит дело в калибровке тюнера. Если же все станции смещены на одинаковую величину, то корректировать нужно именно поле Shift.

Собственно, все. Удачных вам прохождений, 73!

Теги:

• diy или сделай сам
• электроника
• rtl2832u
• aliexpress

Добавить метки