It's raining elephants – VA2GKA

Je n’avais pas fais remarqué car cela faisait un moment que je n’avais pas utilisé CwSkimmer, mais le waterfall est à présent en couleur. On s’en fou totalement… inutile, donc indispensable ! :)

CwSkimmer en action sur la bande des 20m

Magnifique, génial, surpuissant ! Voila un petit post dédié à Spectrum Lab, un logiciel à conseiller à tout les bidouilleurs radio et les possesseurs de récepteurs SDR.

Cela fait un petit bout de temps que j’utilisais Spectrum Lab pour mes comparatifs et mes captures d’écrans des bandes amateur mais je dois bien avouer que je le sous utilisait largement. Cependant, à force de le patouiller, j’ai finis par en apprendre un peu plus et dernièrement, je me suis penché plus sérieusement sur le logiciel et sa documentation.

Bien sur, il n’a pas que des aspects positifs, et il faut reconnaître que le programme est complexe et peu ergonomique. Le fait qu’il soit difficile à prendre en main est certainement du au large panel de possibilités qu’il offre.

Je ne me lancerais pas ici dans une description exhaustive des possibilités, mais je citerais juste quelques exemples d’applications et de cas concrets :

• Récepteur SDR I/Q avec correction amplitude/phase pour l’affichage d’un spectrogramme en mode waterfall.
• Grabber QRSS avec capture d’écran automatisée et calcul statistique (utilisation en mode direct ou IQ)
• Pour les récepteurs SDR qui ont une fréquence fixe comme le Genesis G3020 (quartz) ou le SoftRock RXTX v6.3 (16 presets sur Si570), possibilité de décaler (via OSC numérique) la bande à une fréquence précise et de redirigé le signal dans un câble audio virtuel (VAC) pour utiliser des programmes comme WSPR qui ne savent pas fonctionner avec des récepteurs IQ.
• Possibilité de filtrage FFT du signal avec des flancs très raides (élimination de QRM) et toute une panoplie de filtrage du signal.
• Décodeur et encodeur pour quelques modes  numériques / modulation (PSK, ASK, FSK, BPSK [ex : PSK31], QBSK…) et aussi de modes QRSS (CW QRSS, DFCW, CASTLE)
• Analyseur spectral waterfall en CDF (Color Direction Finding)
• Générateur de signaux complexes (exemple d’application : tests et mesures d’intermodulation)

Vue sur quelques boites de dialogue du logiciel Spectrum Lab

Pour conclure, ce logiciel un peu trop lourd et complexe pour du trafic ordinaire, mais pour de ce qui est des expérimentations et des essais, c’est un outil à découvrir absolument.

• La page Web dédiée à Spectrum Lab (DL4YHF)
• Téléchargement
• Documentation

J’ai repéré un petit signal dont j’ignore totalement la provenance mais il a une courbe caractéristique d’un multivibrateur astable (fonctionnement illustré dynamiquement ici). Voici une capture d’écran du signal en question :

La personne qui à lancée cette émission à certainement du la référencer dans un forum ou sur une page Web, mais ma connaissance d’Internet sur cette petite niche n’est pas assez bonne pour trouver la réponse.

J’ai aussi relevé un autre signal DFCW :

Là c’est facile, il s’agit de IQ4DJ :

.. --.- ....- -.. .---
I  Q    4     D   J

Note : Au dessus du signal en morse on peut voir une émission WSPR (très bon le WSPR et très robuste :)

Et également cette autre émission QRSS en mode FSKCW :

Mais cette fois-ci, je sèche… Je décoderais bien ceci :

 --- -      -     -  -
-     - ----  ----  -  - ??
J    N  4     4     A  E

Ce qui semble correspondre à une localisation en Italie, mais je ne suis pas sur de mon coup.

Note : Mon Grabber QRSS en ligne est consultable ici.

Petit retour en arrière et petit complément d’information quant-à l’un de mes derniers billets nommé “Grabber QRSS en ligne“, en commençant par quelques explications pour les non-amateurs :

Le QRSS est une technique consistant à envoyer des signaux à très basse vitesse. Le terme QRSS est empreint de QRS (code Q) qui signifie “Transmettez plus lentement”. Par extension, ceci signifie une transmission très lente, voir extrêmement lente. Le but de l’opération est de faciliter la détection du signal lorsque celui-ci est très faible (proche du bruit atmosphérique). En effet, en réduisant la vitesse de transmission, on laisse plus de temps au récepteur pour collecter des informations et on améliore ainsi le rapport signal/bruit.

Ainsi, on peut ainsi gagner facilement 20dB pour un message émis très lentement.

Sans taper dans la théorie de l’information de Shannon, on peut comprendre intuitivement le phénomène en observant le principe de la transformé de Fourrier utilisé par nos décodeurs informatiques. Une excellente page sur le sujet à été réalisée par ON7YD : Extreme narrow bandwidth techniques.

Virer donc votre ampli, émettez à la plus faible puissance possible, rajouter encore le plus gros atténuateur dont vous disposer et pour pourrez vous amuser à faire le tour du monde en QRSS ! :)

Certains records sont bluffants ! Si l’on utilise le rapport distance sur puissance, certains dépassent la dizaine de millions de km par watt…

La contrepartie c’est qu’il faut être patient et que les amateurs de QRSS ne sont pas légion. Ceci dit, il existe sur le net des grabbers qui permettent à l’expérimentateur qui émet de savoir en temps réel si son signal arrive à l’autre bout du monde. Les grabbers QRSS se présentent sous la forme d’une page Web qui se met à jour automatique toutes les 5 minutes par exemple. Il existe aussi des sites qui recoupent plusieurs grabbers et en font des planches contacts pour différentes positions géographiques (exemple avec la page de i2NDT’s QRSS Knights – Grabber Compendium). Certes ça ne vaut pas le report d’un copain à l’autre bout du monde, mais c’est un outil précieux pour les expérimentateurs.

Pour ma part, je viens juste me mettre en place mon grabber pour la bande des 30m. J’utilise mon récepteur SoftRock RX v9 (récepteur SDR IQ) avec une antenne dipôle à 5 mètres du sol. La plage de réception est comprise entre 10.140 000 et 10.140 200 MHz.

Vous pouvez tester et regarder les petits signaux qui transitent (peut-être) à coté de chez moi. Ça se passe sur cette page : QRSS Grabber (également accessible par le menu QRSS). Vous trouverez également sur ces pages toutes les configurations techniques du système. Si vous souhaitez également partager vos antennes, n’hésitez pas à me solliciter pour des infos ou pour les config’s de Spectrum Lab.

Pour accéder au grabber temps réel, cliquez sur l’image

Disposant à présent d’une antenne, certes simple, mais accordée et avec un ROS correct, j’ai cherché à savoir si mon ancienne antenne cadre (MagLoop) tenait toujours la comparaison. Habituellement, j’utilisais cette antenne cadre en intérieur, coincée entre 4 murs. Pour le coup, j’ai cherché à la pénaliser un peu moins en la plaçant au grenier, afin quelle soit au moins à la même hauteur que mon antenne Zeppelin. Elle reste tout de même entre trois gros murs en pierre.

Les tests ci-dessous ne concernent que la réception d’émissions. D’une part je n’ai pas de licence radioamateur pour l’émission et d’autre part, les antennes cadres sont peu intéressantes en émission du fait de leurs très faible rendement. Elles ont par contre certains avantages comme la compacité et une bonne immunité au bruit. Voici donc une comparaison de ces deux antennes en utilisant un spectrogramme en mode waterfall, afin que qualifier visuellement les réceptions (Logiciel utilisé : Spectrum Lab). A gauche l’antenne Zepp et à droite l’antenne cadre, le tout sur la bande des 40m :

Comparaison des deux antennes : Antenne Zeppelin -vs- Antenne cadre (magloop).

On notera un niveau de réception globalement plus fort avec l’antenne Zepp (tons plus foncés qui correspondent sur la palette à une réception plus forte). En revanche, le contraste semble bien être le même pour les deux vues, et je ne repère pas de signaux présent à gauche qui ne soient pas présent à droite. Le rapport signal/bruit à l’air d’être le même. Le logiciel Rocky fait justement automatique ce calcul (affichage graphique du rapport signal/bruit) et voici ce que cela laisse apparaître :

Comparaison similaire, mais avec le logiciel Rocky (affichage en tenant compte du niveau de bruit)

Il est difficile de faire la différence entre les deux antennes et le rapport signal/bruit est donc très proche. Cela appuie encore une fois ce que j’avais déjà noté dans un précédent post. Cette antenne cadre donne à mon avis de très bons résultats en réception. Bien entendu, si elle à l’avantage d’être compacte, elle à aussi l’inconvénient de ne pas être exploitable en dehors de sa plage d’accord alors que la Zepp fonctionne toujours à la manière d’un long fil. Pour les quelques amateurs de réception, je ferais bientôt une page consacrée à la réalisation de cette antenne magloop qui sort un peu du lot d’antenne cadre que j’ai pu réalisé. Il n’y a rien de nouveau et je n’invente rien. Pour faire court, c’est une magloop blindée réalisée avec du coax CNT-600 (Andrew), avec une longueur de câble de 5.50m enroulée sur deux spires. Deux incisions de 2cm de large sont réalisées en haut de la boucle en coupant le blindage. L’adaptation d’impédance est réalisée avec une seconde boucle du même type de coax. Bon… une photo et/ou un dessin c’est mieux, je sais :)

Alors que je faisais quelques mesures pour qualifier les modifications apportées à mon antenne, j’ai relevé un signal puissant sur mon analyseur de spectre.

Zoom sur le signal en question (note : l’antenne est directement reliée à l’analyseur de spectre)

J’ai noté un pic sur la fréquence 40.675 MHz reçu entre -60 et -50 dB. Si je ne me trompe pas dans mes conversions, cela doit faire du S9+10 ou S9+20, ce qui est plutôt fort. J’ai vérifié sur mon récepteur SoftRock RX v9 et j’ai pu confirmer exactement cette fréquence.

Vue du signal en mode waterfall

Se pose alors la question de savoir exactement ce que c’est… Cela ressemble à une balise, avec un signal émis toutes les 2 secondes, mais cela me me dit pas d’où ça vient, ni ce que c’est. Google m’a bien entendu pointé du doigt quelques pistes. Certaines personnes sur des forums parlent de signaux émis par les baybyphone. J’espère que ce n’est pas cela, car à la puissance reçue, je plains le gamin :)

Dans mes recherches sur le Web, j’ai également noté que des quartz de cette fréquence (et alentour) sont utilisés en modélisme et que cette plage de fréquence est utilisée pour des applications domestique. Aussi, après avoir un peu cherché autour de moi, je soupçonne le régulateur du chauffage central d’être à l’origine de ce signal, pour communiquer avec le boiter de commande. Reste encore à faire quelques tests pour éclaircir le mystère :)

Dans le série des signaux mystérieux, j’ai également noté cet étrange ruban via le système WebSDR (le 21/04/2010 vers minuit) :

Réception de la bande des 30m via WebSDR

Cela ressemble à une puissante émission DRM, mais je ne peux pas le vérifier. Je serais curieux de savoir ce que c’est exactement. Si quelqu’un à une info, je suis preneur.

Le second petit montage à été assemblé dans la foulée. C’est un pré-ampli pour une antenne cadre, de conception très simple. Il est basé sur un ampli-op LMH6624 de chez National Semiconductor. Cet AOP à des performances excellentes ! La bestiole tient bien en fréquence et on peut effectivement lui coller la mention Ultra Low Noise (0.92nV/sqrHz). J’ai réalisé deux moutures du montage. La première version effectue un filtrage actif sur la bande des 40m. Comme c’est un montage du second ordre, les pentes de mon passe bande ne sont pas très raides. La seconde version plus agressive à déjà été décrite dans un post précédent. J’utilise des propriétés de résonance du circuit pour obtenir un pic raide, mais c’est un jeu dangereux qui ne paie généralement pas car le pré-ampli peut se transformer en résonateur. De plus, je n’ai pas mis de condensateur variable, et il y a beaucoup de chances (trop) pour que je tombe à coté de la bande désirée. Voici le résultat une fois assemblé :

Pré-ampli assemblé avec la technique de la soudure au four

La partie alimentation filtrée occupe la majeure partie du montage. L’ampli-op est au format SOT-23 (CMS), format que je commence à apprécier. Ce montage est prévu pour être cablé sur une antenne cadre (magloop), en bref, une boucle. J’insère un offset de 2.5V pour me placer dans les bonnes conditions d’utilisation de l’ampli-op, tout en l’alimentant en 0-5V (c’est plus pratique et j’ai des tonnes de transfo simple polarité…). Sauf que, par manque de temps, je ne pas pu la tester sur mon antenne cadre. En effet, le pré-ampli dispose d’une capacité à l’entrée non nulle, et cette capacité à décalé la fréquence d’accord de l’antenne. Rien de bien méchant, mais il faillait virer quelques condos et mettre un variable plus adapté. Bref, time-over mais je l’ai quand même testé sur un bout de fil laissé traîner à même le sol. En principe, cela ne devrait pas bien marcher, car le circuit est ouvert (morceau de fil) et l’offset n’est donc pas présent. Aussi, je ne pourrais avoir qu’une seule alternance si l’ampli-op voulait encore bien fonctionner en dehors de sa plage d’utilisation (c’est un ampli-op non rail-to-rail, donc il n’aime pas les signaux proches des valeurs d’alim +Vs -Vs).

Mais surprise, le circuit fonctionne plutôt bien. Je n’ai pas été vérifier la tronche des signaux à l’oscillo, mais les waterfalls ont une bonne tête. Voici ce que l’on peut voir :

Vue spectrale -waterfall- avec à gauche le signal pré-amplifié, et à droite, la connexion directe à l’antenne

La partie à gauche, c’est avec le pré-ampli, et à droite, c’est la connexion directe à l’antenne. Voici une autre vue avec une autre palette de couleur. Les transitions des couleurs sont plus rapides et l’on peut mieux apprécier les gains en dB.

Vue similaire avec une autre palette à transitions rapides

On peux noter une jolie différence de 15dB entre la version avec pré-ampli et la connexion directe. Le gain souhaité à la base était de 20dB. Pour un montage qui -en principe, pour ces conditions- ne devait pas fonctionner, il s’en sort plutôt bien :)

L’amateur averti aura tout de même noté que bien qu’il y ait une amplification, elle n’apporte pas grand chose. En effet, aucun autre signal ne ressort en plus, et on peut en conclure une fois de plus que le récepteur SoftRock RXv9 à une plage de travail relativement bien étudiée. On peut confirmer ceci avec un waterfall qui fait automatiquent l’ajustement du rapport signal/bruit. Rocky fait très bien ce travail :

Rocky, utilisé pour apprécier l’absence de différence qualitative des deux configs (avec SpectrumLab ici).

Et la seconde version ? Ahh, et bien comme on pouvait le prévoir, elle ne fonctionne pas aussi bien. Je suis tombé à coté de la fréquence désirée (7.040MHz) d’un peu plus de 900kHz… Rien que cela :)

MiniVNA utilisé pour caractériser le pré-ampli

Comme le pic était très raide, le préampli fait bien son travail : En dehors de la bande, il commence jouer le role de filtre. Je perds donc du signal utile comme en peut le voir sur ces deux derniers graphiques : ici et ici.

Encore pas mal de petits tests à faire, mais ces expériences étaient intéressantes !

Cela faisait un petit moment que je planchais sur la réalisation de mon récepteur SDR personnel, avec en parallèle deux autres petits projets pour un adaptateur d’impédance et un pré-ampli. Bien que les schémas soient relativement simples et présentent au final peu de composants, cela m’a pris un bon moment, car je n’avais pas mis les pieds dans ce type de réalisation électronique depuis bien longtemps. A ceci s’ajoute le fait de devoir choisir un logiciel de routage (j’ai longuement hésité entre Eagle, Proteus et Target 3001) et apprendre à s’en servir.

Enfin voila, le plus gros du travail est fait, et les circuits tant attendus que j’ai fais réaliser sont enfin arrivés. Hé oui, pour le coup là, j’ai fait faire mes plaques par un professionnel ! Mais un vrai amateur, LE VRAI, touille lui même son perchlo (en faisant des taches partout) et révèle lui même ses typons en se faisant bouffer les doigts à la soude ! (souvenirs… souvenirs…) Cependant, quelques détails m’ont invité à changer d’optique.

Mon matériel resté à croupir au grenier n’était plus fonctionnel et ne permettait la réalisation que d’une seule face (insolation simple face). Le double face est toujours possible, mais l’alignement est plus délicat pour les via. Par ailleurs, les composants que j’utilise sont ridiculement petit… Les plus petits sont au format µSOIC, et je ne pense pas réussir à graver des pistes aussi petites sans me planter d’un petit pourcentage sur l’ensemble du circuit. Bref, c’était aussi l’occasion de tester le service d’un pro avec quelques options sympathiques comme le verni épargne et le test électrique des pistes. Voici donc les plaques réalisées (après une découpe manuelle. Le fabricant propose une découpe -propre-, mais c’est une option payante, et ‘faut pas déconner, je suis pas Crésus non plus… : )

Les différents circuits imprimés pour mes trois types de montages

Le premier circuit que j’ai assemblé concernait mon adaptateur d’impédance à base d’un JFET-N. Conceptuellement, rien de bien nouveau, c’était juste pour voir si cela marchait bien et si je pouvais avoir un gain substantiel sur une antenne non accordée et/ou avec une impédance différente de 50 ohms. J’ai procédé à l’assemblage des composants par soudure au four. Voici le résultat :

L’adaptateur d’impédance assemblé (avec un petit patch tout baveux…)

Bien que le résultat visuel soit plutôt correct, l’aspect fonctionnel n’est en revanche pas au rendez-vous. Après plusieurs tests, rien à faire, l’adaptateur d’impédance reste muet… Je me gratte la tête en cherchant la panne et je commence par vérifier mon montage et mon routage. Rien à signaler, je sort alors mon miniVNA pour caractériser les entrées et sorties du CI dans l’espoir de déduire ce qu’il ne va pas. Et là, surprise, je retrouve en entrée le comportement que j’attendais en sortie. Bizarre… Je retourne voir le datasheet du constructeur pour finalement m’apercevoir que les numéros des pinoches utilisées ne sont pas les même que celles que mon logiciel de routage m’a indiqué. J’ai fais une confiance aveugle aux données pré-enregistrées, et visiblement, ce n’est pas une bonne idée. Il faut être pris pour être appris, on ne m’y reprendra plus ! Pour corriger le tir, rien de plus facile avec un composant à 3 papatounnes. Une petite rotation de 120° et mon montage est redevenu parfaitement fonctionnel.

J’ai alors effectué quelques tests avec mon récepteur SDR (SoftRock RX v9) pour vérifier le bon fonctionnement du montage et évaluer son intérêt. Pour cela, j’ai choppé un morceau de câble de longueur quelconque que j’ai mis à l’entrée de mon adaptateur d’impédance. Avec cette pseudo-antenne (antenne long fil partiellement à terre), j’avais toute les chances d’avoir une impédance différente de 50 ohms, et certainement très élevée. Voici un petit comparatif de la réception sans l’adaptateur puis avec l’adaptateur :

A gauche, la connexion directe avec l’antenne et à droite l’utilisation de l’adaptateur d’impédance

La différence n’est pas flagrante mais on peut noter un signal un peu plus prononcé avec l’adaptateur. L’adaptateur ajoute aussi un poil de bruit supplémentaire, mais si le signal ressort mieux (rapport signal/bruit) c’est tout de même intéressant.

Au final, un premier montage concluant après un faut départ. Je doute néanmoins que ce type de montage intéresse beaucoup de monde vu qu’il est axé réception uniquement.

Pour terminer, une petite capture d’écran de la sortie de l’adaptateur d’impédance mesurée avec le miniVNA :

Caractérisation de la sortie de l’adaptateur d’impédance avec miniVNA

Augmenter la fréquence d’échantillonnage afin d’utiliser une taille de FFT plus grande et ainsi gagner quelques précieux dB de rapport signal/bruit, ça marche bien comme le montre le graphique ci dessous :

Comparaison sur une réception avec une taille me FFT 8 fois plus grande sur la partie de droite

Mais l’inconvénient, c’est que cela à un coût : le convertisseur analogique/numérique (ADC) plus haut de gamme. Pas me miracle !

Les quelques algorithmes de réductions du bruit que j’ai pu tester sur les logiciels SDR ne m’ont pas vraiment convaincu. La sonorité s’en trouvait dégradée et distordue. Je viens de faire quelques tests de filtrage avec une approche un peu différente. Comme on utilise habituellement (en SDR) une FFT qui sert à la fois pour le waterfall et pour le fitre passebande, on pourrait mettre en tampon la FFT pour lui appliquer un filtrage 2D qui à quelques avantages par rapport aux techniques classiques. Ben entendu, cela a un coût, qui se traduit en délais de traitement. 1/2 seconde pour un traitement intéressant, certainement trop diront beaucoup de gens, mais je ne suis pas de cet avis et j’ai fais mes petits tests, et je les poursuis.

Voici quelques images plus parlantes qu’un long blabla :

Version bruitée

Avec filtrage 2D

Sans vouloir chercher à comparer ce qui n’est pas vraiment comparable, je me suis amusé à faire un petit montage avec une capture d’écran de WebSDR et une autre de Spectrum Lab avec mon SoftRock RX v9 sur une antenne cadre.

Sur le montage suivant, en première partie haute, on peut voir WebSDR. A notre que la vue à été inversée (flip horizontal) pour être dans le même sens de défilement que Spectrum Lab. En dessous, la capture du SoftRock RX v9. Pour comparer les deux sonogrammes, il faut les reprendre tous les deux à partir de la petite bande bleu clair (Note : L’ajustement à été fait approximativement, mais on s’y retrouve).

Capture d’écran partielle de WebSDR (en haut) et de Spectrum Lab avec le SoftRock RX v9 (en bas)

Il est intéressant de noter les différences de réception à quelques 350 Km de distance. L’essentiel est là, mais il y a certaines émissions présentes sur l’une et pas sur l’autre.

La granularité me semble meilleure avec le SoftRock, ceci est peut-être du au fait que j’utilise une carte 24 bits et que WebSDR travaille avec un ADC 16 bits. Une autre explication possible pourrait être que PA3FWM utilise un traitement numérique en vue de gagner en bande passante pour le serveur. Ce petit bijou online gère tout de même plus de 100 utilisateurs simultanément ! Les tailles de FFT peuvent aussi jouer sur le rendu graphique. Beaucoup d’interrogations, il faudrait que je consulte Pieter-Tjerk.

Pour achever ma comparaison bancale, rappelons que les antennes sont différentes, avec une géolocalisation différente et des orientations différentes… Mais bon, les écrans étant tout de même relativement similaires, on peut dire qu’il y a une certaine cohérence des ces projets SDR. Les deux approches sont excellentes.

Toujours dans mes petites observations et constatations autour des antennes, j’ai noté que ne niveau de bruit augmentait autour de la fréquence de résonance de l’antenne, là ou le ROS est le plus bas.

Sur la capture d’écran ci-dessous, on peut voir le waterfall (sonogramme) pour une même antenne et un même récepteur. La seconde partie à droite plus colorée à juste subie une rotation de palette, ce qui permet de mieux se rendre compte des différences (les transitions pour la légende sont plus rapides).

Utilisation de deux palettes différentes pour caractériser visuellement des phénomènes radio

La fréquence d’accord de l’antenne est bien au alentour de 3.55MHz. La partie gauche est plus foncée au centre, et avec la nouvelle palette plus colorée à droite, on noter par rapport à la (nouvelle) légende, un niveau de bruit plus élevé.

En jouant sur la l’accord de l’antenne, je n’ai pas remarqué de baisse significative de niveau pour des signaux reçus sur la fréquence de résonance, et légèrement en dehors.  S’il n’y a effectivement pas de différence (j’en doute quand même), cela m’inviterait à penser qu’il vaudrait mieux écouter les émissions légèrement en dehors de la fréquence d’accord de l’antenne, car le rapport signal/bruit serait meilleur.

Hum… Il faudrait que je retourne dans mes bookins pour savoir ce qu’en dise les spécialistes. F5AD au secours ! :)