Software Defined Radio per la Radioastronomia amatoriale ICARA 2015 -- Napoli, 7 - 8 novembre 2015 Software Defined Radio per la Radioastronomia amatoriale Un semplice esempio applicativo Massimo Devetti, IV3NDC Giovanni Aglialoro, IV3GCP

SDR: principio di funzionamento - 1 i segnali captati dall'antenna vengono campionati e elaborati dal software, demodulati e convertiti in banda base dal ricevitore SDR poi inviati al PC, che a sua volta campiona i segnali in banda base con la propria scheda audio e provvede, se necessario, a ulteriori elaborazioni sul segnale, disponibile infine in forma audio

SDR: principio di funzionamento - 2 Il segnale RF viene convertito in IF, o direttamente in banda base dal QSD, che produce in uscita le due componenti I e Q. Queste, elaborate ed amplificate, raggiungono l’ingresso della scheda audio del PC che provvede al successivo processing. L’oscillatore locale e il Phase Shifter generano i necessari clock di pilotaggio per il mixer QSD QSD = quadrature sampling detector; I, Q = componenti In fase e in Quadratura; LO = local oscillator

RTL-SDR.com RTL2832U R820T2 DVB-T+DAB+FM+SDR

RTL-SDR Schematics - 1 Rafael Micro R820T R820T datasheet Il chip tuner si occupa della sintonia, ricezione del segnale e conversione in IF RTL-SDR Schematics - 1 Rafael Micro R820T R820T datasheet

RTL-SDR Schematics - 2 Realtek RTL2832U questo chip demodula audio e video, campiona e genera il flusso dati verso il PC, tramite porta USB. RTL-SDR Schematics - 2 Realtek RTL2832U

SDR: Pregi e difetti PRO CONTRO Flessibilità nell’elaborazione dei segnali in IF o in banda base (filtraggio numerico) Largo impiego della visualizzazione spettrale nelle operazioni di sintonia, discriminazione e filtraggio Possibilità di post-elaborazione ed analisi (registrazione, successivo campionamento e processing in banda base ecc.) CONTRO Gli SDR più economici non dispongono di un vero Front-End RF (filtri di banda, fissi o configurabili)  Problemi di sovraccarico da forti segnali (BC), bassa resistenza all’intermodulazione, scarsa dinamica Negli SDR economici il filtraggio viene effettuato solo in banda base  limitata efficienza e «incisività» dei filtri Dipendenza dalle performance di PC e scheda audio

Per utilizzare un dongle RTL… … come ricevitore occorrono: i driver, la libreria, il software SDR. Nel nostro caso abbiamo installato i driver con Zadig; il software usato è SDR# (leggasi: sdr sharp), che contiene anche alcune librerie utili. Spesso l'unica difficoltà di utilizzo degli RTLSDR consiste nell'installazione e corretto utilizzo del driver e del software

Comparazione tra i più comuni ricevitori SDR Tune Low (MHz) Tune Max (MHz) RX Bandwidth  (MHz) ADC Resolution (Bits) Transmit? (Y/N) Price ($USD) RTL-SDR (R820T) 24  1766 3.2 8 No ~20 Funcube Pro+ 0.15 410 260 2050 0.192 16 ~200 Airspy 1800 10 12 200 SDRPlay 0.1 430 380 2000 300 HackRF 30 6000 20 Yes BladeRF 3800 40 > 400 USRP 1 (Ettus) DC 64 700 For those who just want to receive a wide range of signals, we recommend the Airspy or SDRPlay as an upgrade to the RTL-SDR. If you are mainly interested in narrowband signals the Funcube Dongle Pro+ may be worth considering. For a big list of more software defined radios see our roundup here  http://www.rtl-sdr.com/roundup-software-defined-radios/.

Qualche ulteriore esempio di Rx SDR (a prezzi contenuti) - 1 Funcube Dongle Pro AirSpy SDRplay

Qualche ulteriore esempio di Rx SDR - 2 Ettus by National Instruments programmabili con LabView (e Matlab) e tanti altri SoftRock, BladeRF, Flex Radio, Elad, Perseus, …

SDR free software in Windows: SDR#, SDR-RADIO.COM, HDSDR, WinRad, … in GNU/Linux, Mac: GQRX, Linrad, GNU Radio*, … * è un framework open source, cioè un ambiente di sviluppo, molto potente ma non certo di uso immediato.

SDR e Radioastronomia Sono evidenti le enormi potenzialità offerte dai ricevitori SDR in campo radioastronomico. Il loro uso come ricevitore permette di fruire delle numerose feature di elaborazione del segnale, nonchè di avere una maggiore «visione» e capacità di intervento sui segnali ricevuti, grazie alla visualizzazione dello spettro. La scelta del ricevitore SDR va effettuata in base alle osservazioni da effettuare. Osservare deboli radiosorgenti richiede SDR di qualità e performance adeguate...ovvero un buon front-end RF : filtri di banda già implementati a livello HW e/o campionamento/filtraggio diretto a livello RF. Gli SDR più economici (Dongle) possono tuttavia trovare impiego per osservazioni delle radiosorgenti più potenti e/o per fini didattici.

SDR Low-Cost: un esempio di impiego Strumentazione: RTL-SDR Dongle Receiver ( costo circa 20 Eur ) Parabola Offset TV-SAT con LNB ( costo poche decine di Eur...o meno se di recupero ) Alimentatore DC, cavi coassiali, Bias-Tee, Notebook Osservazioni effettuate: misura del rumore solare a 11 GHz Misura tipicamente usata nella caratterizzazione dei sistemi riceventi Un alto livello di Sun Noise rispetto al livello di Noise Floor è indice di buone performance del sistema ricevente Misura semplice e con attrezzatura a basso costo, ma interessante in un’ottica di didattica della radioastronomia

Misura del rumore solare, a 11GHz 31 ottobre 2015

Schema del sistema di misura 80 cm offset dish F/D= 0.7 Gain= 37 dBi @ 11 GHz HPBW = 2.7° Movimentazione manuale (AZ, EL) LNB 50 Ω Coaxial cable (RG58) Notebook Bias-Tee RTL SDR Dongle 50 Ω Coaxial cable (RG316) +13 Vdc SW: SDR# + Radio-SkyPipe DC Power Supply

Dettagli tecnici SW usato: SDR#, Radio-SkyPipe (Windows 10, MS Excel) Versione autocostruita C= 110 pF, L= 82 nH Dettagli tecnici SW usato: SDR#, Radio-SkyPipe (Windows 10, MS Excel) Commercial TV SAT LNB: converte il segnale RF a 11 GHz alla IF intorno a 950 MHz, posta in ingresso al ricevitore SDR RTL-SDR Dongle RTL2832U R820T2

Schermata da SDR# Impostazioni in SDR# usate in fase di misura Frequenza: 951MHz BW = 5 KHz Mode: DSB AGC: Off volume costante Schermata da SDR#

Misura del rumore solare a 11 GHz Verificato il livello di Noise Floor nel puntamento su «Cielo Freddo» (assenza di radiosorgenti nel lobo principale dell’antenna) Verificata la ricezione del Sun Noise nel puntamento diretto sul Sole Si punta successivamente l’antenna verso una zona di cielo in cui si sa che di lì a poco transiterà il Sole Osservazione del transito solare nel lobo principale dell’antenna: l’andamento della potenza ricevuta in funzione del tempo ha un tipico profilo a campana

Schermata da Radio-SkyPipe Acquisisce e visualizza (tramite scheda audio del PC) la potenza del segnale audio ricevuto (in prima approssimazione proporzionale alla potenza del segnale RF ricevuto, in quanto AGC disabilitato)

Rumore solare a 11GHz: la misura 31 ottobre 2015 Rilevazione diretta della potenza del segnale ricevuto (sulla schermata di SDR#), ad intervalli di tempo regolari, durante il transito solare. Su un Noise Floor di -43 dBm, il livello di Sun Noise raggiunge i 6 dB Anche in questo caso è verificato il tipico profilo a campana della potenza ricevuta in funzione del tempo. 6 dB Sun Noise

Riferimenti e ringraziamenti IV3NDC, Massimo iv3ndc@gmail.com IV3GCP, Jan iv3gcp@cosmicnoise.org Alcuni materiali, schemi e immagini sono tratti da: http://www.pianetaradio.it/radio/sdr.htm http://air-radiorama.blogspot.it/ www.rtl-sdr.com Presentazione di Marco, IK1ODO Altri siti utili: http://www.radioamatoripeligni.it/i6ibe/sdrsharp/sdrsharp.htm IZ0ROQ da Onda Telematica http://www.weaksignals.com/ http://zadig.akeo.ie/ http://sdr.osmocom.org/trac/ http://gnuradio.org/ http://www.ettus.com/ http://www.radiosky.com/skypipeishere.html Un ringraziamento, per i consigli pratici nell’installazione e uso dell’SDR a: Gianluigi IV3GTH, Claudio IV3DXW e Giorgio IV3FWJ.