Fun Cube Dongle

FCD02_html_322d89cbFUNcube Dongle Pro

Il ricevitore SDR per i satelliti.. e non solo!

Genesi del progetto

I FUNcube sono una serie standardizzata di piccoli satelliti educativi, di dimensioni 10x10x10cm, tipicamente progettati e realizzati in ambito accademico per avvicinare gli studenti alla pratica delle comunicazioni spazio-terra.

Per allargare il bacino di utenza e la partecipazione si è identificata la disponibilità di un ricevitore per satelliti a basso costo, come una delle chiavi del successo. Oggi infatti, il mercato consumer offre limitate opportunità di ricevitori per 435 MHz e con costi certo non “da studenti”!

E’ da questi presupposti quindi, che dalla collaborazione fra gruppi universitari ed Amsat-UK è nato un progetto innovativo e di grandissimo rilievo tecnico ed educativo: il FUNcube Dongle!

Il “padre” del progetto è Mr. Howard Long, noto alla comunità amatoriale come G6LVB e lo scopo principale è permettere la ricezione della telemetria dei FUNcube con mezzi semplici, economici e moderni.

Destinazione finale privilegiata del dispositivo è infatti la scuola o università, dove collegato ad un comune computer riceva e registri per successive analisi e studi i dati.

Ecco quindi la genesi dell’idea: un ricevitore SDR costruito dentro una “chiavetta” USB, idoneo alla ricezione diretta delle frequenze satellitari.

Descrizione dell’hardware

Lo schema a blocchi, così come presentato da Mr. Howard è il seguente:

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Il primo blocco, è un down-converter, dalla frequenza ricevuta alla banda base, funzionalmente simile ad esempio al SoftRock largamente noto ed impiegato in HF. In VHF e superiori però, non è al momento possibile impiegare la stessa configurazione hardware a causa della complessità realizzativa di mixer e oscillatore locale in quadratura. Ecco quindi, che Howard si affida ad un tuner “classico”, basato su un chip per ricevitore DAB e DVB-T, che comprende al suo interno un oscillatore, il PLL, un VCO, il mixer ed un filtro passa basso programmabile. La copertura di frequenza è particolarmente ampia e si estende da 64 a 1700 MHz! Il suo uso è ragionevolmente semplice: ad un pin si connette l’antenna, lo si programm per una determinata frequenza e su altri due pin si hanno disponibili i segnali in quadratura I e Q.

La cifra di rumore di questo primo stadio, è attorno ai 4dB.

Il secondo stadio, è costituito dal TLV320AIC3104, un codec audio economico con ingresso differenziale che provvede alla filtratura programmabile del segnale complesso.

In fondo alla catena, troviamo un dispositivo ancora a basso costo, che sovraintende alla gestione dello streaming audio e programmazione dell’intero dispositivo attraverso una comune porta USB.

L’uscita audio digitale è completamente compatibile con lo standard sound blaster e quindi non richiede driver specifici: qualunque programma che elabori flussi I/Q può essere impiegato per la decodifica.

Tutto il dispositivo è progettato per il contenimento del costo finale, uno dei principali obiettivi per la diffusione del progetto in ambito accademico, sacrificando talvolta alcune raffinatezze circuitali che potrebbero venire realizzate in future versioni, a costi maggiorati, destinate ad un pubblico “adulto”.

Tutto è realizzato in SMD e risulta un vero “gioiello” specie se pensiamo al taglio amatoriale del progetto.

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Le caratteristiche salienti:

Ricevitore SDR a larga banda

Frequenze da 64MHz a 1700 MHz, copertura continua

Uscita: streaming audio I/Q, sound blaster compatibile

Connettore antenna: SMA femmina

Contenitore: “chiavetta” USB

Interfaccia PC: USB, 1.1

prezzo: circa 150€

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I programmi di controllo e ricezione

Il progetto ha visto la luce da pochi mesi e pertanto siamo solo all’inizio di una lunga storia di applicazioni possibili e non passa giorno che appaiano nuove migliorie ai programmi già disponibili o ne siano resi disponibili di nuovi, sia per impieghi specifici sia di uso generale.

Al momento, il team di progettisti ha messo a disposizione un gruppo minimo di strumenti software per la gestione e l’aggiornamento del dispositivo. Vediamoli:

FCHIDxxx: è l’interfaccia che permette di programmare la frequenza centrale di ricezione del dispositivo e tutte le configurazioni degli stadi di amplificazione, filtraggio e conversione. Qui sotto un esempio della caratteristica schermata di controllo.

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Questa utility serve anche per entrare nel “bootloader mode”, che consente l’aggiornamento del firmware del dispositivo. Questo programma è disponibile in versione già compilata per ambiente Windows, mentre per altre piattaforme quali Mac Osx e Linux, sono disponibili i sorgenti in Qt.

FCHIDBLxxx: è il programma che serve per aggiornare il firmware (al momento molto in evoluzione) del dongle. Per il suo uso, si rimanda alla manualistica specifica disponibile sul sito del progetto.

Per la decodifica, i due software al momento più semplici da impiegare sono lo SpectraVue ed il WRpro.

SpectraVue

è un programma di uso generale, ben noto nell’ambiente degli appassionati di SDR. E’ semplice e versatile al tempo stesso. Per la configurazione sul FCD, è disponibile in rete una guida specifica, molto semplice e completa. Permette la demodulazione dei formati analogici più comuni e offre una buona scelta di rappresentazioni a video del segnale, dall’oscilloscopio, ai waterfall, agli spettri tridimensionali. Tempi di media e larghezza dei filtri sono tutti configurabili con semplicità.

Nel menù di configurazione dell’ingresso, vi sono quattro parametri detti alpha, beta, Idc e Qdc che permettono di massimizzare la reiezione della frequenza immagine e ridurre il picco a “zero Hz”.

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WRpro

è una evoluzione del famoso software di Alberto di Bene I2PHD, Winrad. Con l’ausilio di una DLL specifica, si può controllare la frequenza di ricezione direttamente dalla schermata di WRpro senza l’impiego quindi del FCHid.

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Altri programmi di decodifica oggi impiegabili oggi ad esempio: HDSDR, kgksdr, Rocky, Winrad1.61

E’ possibile remotare con facilità il dispositivo, come illustrato da Denis, G0OLX, per mezzo di programmi gratuiti quali LogMeIn e Skype.

Un’altra interessante applicazione è “Alan”, che trasforma il FCD in uno scanner a scansione continua, programmabile.

Le prime misure

Le misure sono state effettuate sul campione #209 e col FW 1.18d-pre

La prima valutazione, riguarda la sensibilità del dispositivo al variare della frequenza. La banda di misura è di 10 kHz a 20 kHz di offset dalla frequenza centrale di ricezione.

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I dati sono stati ottenuti, regolando tramite FCDI003 i parametri di guadagno del primo stadio e della IF per il migliore risultato, valutato per mezzo del programma Spectravue.

I valori ottenuti sono di tutto rilievo, specie se si considerano, costi, ingombri e banda coperta dal dongle. Molte ricevitori amatoriali di larga diffusione non fanno certo meglio! Esistono alcune “fette” di frequenza dove il dispositivo appare palesemente poco sensibile. Questo fatto è dovuto al firmware corrente ancora in evoluzione. Nelle banda amatoriali a noi disponibili comunque, la sensibilità è sempre buona, con una predilezione per la banda dei 70, “casualmente” quella usata per il downlink dei satelliti FUNcube.

Il clock principale del FUNcube Dongle è un quarzo a 24, 507 MHz. La sua precisione non è particolarmente elevata, ma “mappata” nel FCD e nel caso si impieghi l’interfaccia FCHIDxxx, la frequenza di ricezione viene automaticamente corretta, in maniera trasparente per l’utente. Nel caso invece si impighi il WRpro, occorre settare correttamente nelle impostazioni l’errore del quarzo, in ppm. Nel mio dispositivo, il valore è di -122ppm.

La dinamica e il phase noise sono allineati alla tecnologia economica impiegata come mostrato di seguito tramite alcune misure effettuate con il programma Wrpro e coi settaggi standard di guadagni e filtri, del FUNcube dongle:

Livello in ingresso [dBm]

Livello in uscita dalla scheda audio [dB]

Rumore a 1 kHz [dBc]

Rumore a 10 kHz [dBc]

Spettogramma

-110

-55

-41 (limitato dal rumore di fondo)

-41 (limitato dal rumore di fondo)

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-80

-24

-57

-64

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-50

-2

-55

-63

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I valori infatti non sono particolarmente elevati, ma consentono comunque di divertirsi nella ricezione dei segnali e modulazioni più varie. Indicativamente, segnali oltre i -40dBm portano il dispositivo già in prossimità della non linearità con la relativa genesi di prodotti di intermodulazione.

L’attenuazione della frequenza immagine dipende oggi molto dalla configurazione del programma di demodulazione. Con un poco di pazienza nella taratura dei relativi parametri, è possibile raggiungere valori da 60 a 80 dB.

Conclusioni

Beh.. che dire.. una nuova era si sta per aprire! Finalmente un SDR a basso costo, che copre con continuità ben 6 bande amatoriali e di più, pensato, progettato e realizzato da radioamatori! Le prestazioni anche se non eccezionali in senso assoluto, sono di ottimo livello, specie se paragonate al costo del dispositivo ed assolutamente adeguate all’uso previsto. Le applicazioni che la comunità scientifico-amatoriale saprà farne sono quasi illimitate ed anche ben lontane dall’idea iniziale. Già si hanno notizie di applicazioni nella ricezione dei satelliti meteorologici polari, nel monitoraggio in continuo di tratte terrestri, tanto per citarne alcune..

Buona sperimentazione a tutti!

73, Pierluigi

Bibliografia

www.funcubedongle.com

www.amsat.uk

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