FunCubeDongle ProPlus RKE07.2013

FUNcube Dongle ProPlus

L’evoluzione della specie

FCDpp_html_ce7c1be8Genesi del progetto

Per chi non avesse avuto l’opportunità di seguire gli eventi, ricordiamo come i cubesat siano 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. In particolare, oltremanica questi satelliti di prossimo lancio, sono stati ribattezzati “FUNcube” proprio con l’obiettivo di avere un nome di appeal che richiamasse senza equivoci il piacere di progettarli ed usarli.

Per allargare il bacino di utenza e la partecipazione a questi progetti, due anni fa l’associazione AMSAT-UK ha identificato nella disponibilità di un ricevitore per satelliti a basso costo, la chiavi del successo.

Da questi presupposti quindi, nel 2010, dalla collaborazione fra gruppi universitari ed Amsat-UK è nato un progetto innovativo e di grandissimo rilievo tecnico ed educativo: il FUNcube Dongle, il cui “padre” è Mr. Howard Long, noto alla comunità amatoriale come G6LVB

E’ un ricevitore SDR per V e UHF contenuto entro nelle dimensioni di una “chiavetta” ed è oggi possibile considerarlo un progetto “che ha fatto scuola”.

Trascorsi ormai due anni e dopo un successo planetario ben oltre le più rosee aspettative degli autori, ecco un suo importante aggiornamento.

Durante l’estate infatti, la casa che produceva i chip del sintonizzatore è fallita, rendendone perlomeno dubbia la futura reperibilità. Da questo evento traumatico, è scaturita la spinta per una profonda revisione del progetto ed un suo sensibile miglioramento sotto molti punti di vista.

Descrizione dell’hardware FCD pro +

Lo schema a blocchi di questa nuova versione del dongle, per motivi legati all’accordi di riservatezza col costruttore dei chip non è ancora completamente noto ma non dovrebbe discostarsi molto da precedente. Certo, cambiano i devices impiegati, così come alcune specifiche degli stessi. Fra i vari upgrades, vale la pena menzionare l’oscillatore a TCXO, i filtri evoluti nel front end (anche SAW) e il sampling audio a 192kHz.

La complessità dell’hardware è testimoniata nelle due immagini seguenti, che riprendono la densità di componenti sui due lati del circuito stampato. Notare i filtri SAW ed il TCXO.

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Illustrazione 1: Lato superiore del PCB del FCDpro+. In evidenza il TCXO ed un filtro

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Illustrazione 2: Lato inferiore del PCB del FCDpro+ con vari dispositivi di supporto e filtri

Comparazione fra FCD e ProPlus

Vediamo riassunti nella tabella seguente le principali differenze fra le due versioni:

FunCubedongle

FCD Pro Plus

Range di frequenza

52 -1100MHz

1270-2000 MHz

0,15-260MHz

410-2050 MHz

Oscillatore

Xtal

TCXO

Stabilità in frequenza

20ppm

0,5ppm (1,5reale)

Tensione alimentazione front end

1,5V

3,15V

OIP3 front end

+10dBm

+30dBm

Bit ADC

16

32 (16 usati)

Frequenza campionamento

96 kHz

192kHz

Passo di sintonia

1 Hz

0,5 Hz

N° di componenti

100

240

Filtri

11, di cui 2 specifici per le bande:

2m: 6MHz @ -3dB (10MHz at -40dB) SAW

70cm: 20MHz @ -3dB (42MHz at -40dB)

9 filtri di terzo e quinto ordine LC per le altre bande

Layout

Componenti solo su un lato del PCB

Componenti su tutti e due i lati del PCB

Numero strati PCB

2

6

Come il precedente, anche il ProPlus non necessita di driver software per Linux, OSx o Windows, ma viene “visto” come una generica scheda audio USB. E’ possibile attivare una alimentazione a +5V sul connettore d’antenna per alimentare eventuali antenne attive o preamplificatori.

Fra le tante differenze, vale la pena analizzare gli effetti delle seguenti 4:

bande: il ProPlus consente una copertura continua dalle onde lunghe fino ai 2GHz. Anche se l’ascolto delle HF non è forse il suo compito principale lo esegue comunque in maniera dignitosa rispondendo così ai desideri dei tanti che vogliono avvicinarsi al mondo SDR senza una applicazione specifica in mente. Peccato per il “buco” di copertura da 250 a 420 MHz: anche se in quella fetta non ci sono bande amatoriali, vi sono comunque alcuni segnali utili per chi è dedito al radioascolto così come potrebbe essevi l’uscita di un downconverter da frequenze più elevate.

TCXO: stabilità e precisione di frequenza sono ora di alto livello e non faranno rimpiangere i migliori apparati “tradizionali”

Filtri e front-end: se la prima versione pagava un inevitabile prezzo in termini di dinamica e selettività specie in 2m e 70cm, il ProPlus ha fatto un enorme balzo di prestazioni, introducendo una configurazione (dispositivo e alimentazione) con oltre 20dB di IP3 di miglioramento e con due fltri SAW specifici per le due bande satelliti. In termini pratici, la sensibilità reale del sistema è notevolmente migliorata anche e soprattutto nelle situazioni “difficili” per i tanti segnali raccolti dall’antenna.

192kHz: il nuovo dispositivo di campionamento del segnale ricevuto, colla sua raddoppiata frequenza di sampling, oltre a permettere una “visione” di banda doppia, rende possibile anche la ricezione della FM commerciale, funziona sicuramente apprezzata dai fans del FM-DX e da chi ne intende fare un uso anche da “ricevitore ogni tempo”.

Nonostante il generoso incremento di complessità e prestazioni, il prezzo non è sensibilmente diverso da quello della precedente versione e questo lo rende ancora più appetibile.

I programmi di controllo e ricezione

FCHid2001: 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 con attivi (per ora) solo i controlli per accendere il BiasT, definire la frequenza centrale di ricezione, selezionare il guadagno del front end, del mixer e dell’amplificatore IF. Altre funzioni saranno attivate verosimilmente in future versioni del software.

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Illustrazione 3: Finestra di controllo di FCHid2001

Come in passato, questa utility serve anche per entrare nel “bootloader mode”, che consente l’aggiornamento del firmware del dispositivo.

Per la decodifica, il programma che ho trovato al momento più conveniente da impiegare è l’HDSDR completo della .dll (dynamic-link library) specifica per il dispositivo (ExtIO_FCDPULS_G0MJK.dll), mentre gli autori del progetto suggeriscono l’utilizzo di Sharp SDR.

HDSDR

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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Illustrazione 4: Finestra di HDSDR, esempio di monitoring centrato a 145.700MHz

Da “dentro” la schermata principale è possibile controllare la maggior parte delle funzioni di tutto il ricevitore. Molto importanti sono però anche le due finestre di controllo della DLL visibili in alto a destra, sovrapposte a quella principale di HDSDR.

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Illustrazione 5: Finestre di controllo della DLL

In questi due riquadri è possibile sia tenere sotto controllo il regolare funzionamento del FCDpro+ sia modificare manualmente alcuni settaggi importanti, quali la correzione di frequenza ed i guadagni dei primi stadi. Questo permette una ottimizzazione delle performances specie in HF, dove disporre sempre della massima dinamica nel ricevitore può essere fattore chiave per il successo o la piacevolezza dell’ascolto.

Sharp SDR

E’ questo il programma suggerito dagli autori per l’uso con il FCDpro+, specie per chi per la prima volta si avvicina al SDR.

Al momento non controlla direttamente il dongle, che va quindi settato con l’FCHid2001 prima descritto.

Consente le “consuete” visualizzazioni ed analisi dei segnali ed è semplice ed intuitivo da configurare. Sul sito del FCD e sul relativo gruppo di discussione Yahoo è sempre possibile approfondire la conoscenza di questi strumenti così come trovare aiuto, conforto e condivisione delle idee presso altri utenti.

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Illustrazione 6: Finestra di SharpSDR centrata a 145.700

Il dongle è compatibile in genere con la grande maggioranza dei programmi SDR capaci di trattare un input di dati da uno stream I/Q, quali ad esempio: SDR-Radio, Spectrum Lab, Spectravue, KGKSdr, Rocky, Wrplus, GqrxSDR.

Le prime misure

Le misure sono state effettuate sul campione #0010157 e colla seguente strumentazione:

PC con Atom N525 + MB Intel, 4GB ram & XPpro

Terratec Aureon Sound Blaster USB

HDSDR + ExtIO_FCDPULS_G0MJK.dll

FCHid2001 + Spectravue (solo per misure wide FM)

HP3499 voltmetro RMS

HP434A distorsimetro

Fluke 6060A generatore sintetizzato

Oscillatore di riferimento a rubidio come clock generale

La prima valutazione, riguarda la sensibilità del dispositivo al variare della frequenza e del modo di emissione come riportato nella tabella seguente (considerando i modi più usati per ogni banda):

Sensibilità in uV

Frequenza MHz

SSB/CW

AM

FM/WFM

0,15

50

0,25

5,6

1

1,4

7

0,35

0,56

29

0,5

50

0,13

0,11

100

0,7

120

0,14

145

0,11

0,16

435

0,11

0,16

Note

Valori per 10dB di S+N/N

Valori per 12dB di SINAD

2,7kHz ddi banda audio

4kHz di banda audio, tono 1kHz, 80% modulazione

Tono 1kHz, deviazione 3,5kHz

I valori ottenuti sono di tutto rilievo, specie se si considerano, costi, ingombri e bande coperte dal dispositivo. Molte ricevitori amatoriali di larga diffusione non fanno certo meglio! Nelle banda amatoriali a noi disponibili la sensibilità è sempre molto buona e correttamente profilata sul valore del rumore di fondo naturale.

Con una piccola antenna attiva è molto facile divertirsi nell’ascolto dalle LF ai margini delle VHF.

Le mie misure di phase noise, per quanto approssimate indicano -70dBc @ 10 Hz e -85dBc @100Hz, (a 14,2MHz) valori certo non eccezionali ma compatibili colla tecnologia “economica e compatta” impiegata. Sicuramente migliori di quanto possibile col precedente hardware e del tutto comparabili a quelle di transceiver “tradizionali” economici o datati come sotto visibile in tabella (dati da: www.febo.com).

FCD ProPlus

TS-520S

FT817

@ 10 Hz

-70 dBc

-74 dBc

-85 dBc

@ 100 Hz

-85 dBc

-83 dBc

-88 dBc

Conclusioni

Beh, che dire.. non posso che confermare quanto già detto due anni fa, all’apparizione della prima versione: una nuova era si è aperta!

Un SDR a basso costo, che copre con (quasi) continuità dalle LF ai GHz può far gola ed interessare un vastissimo pubblico, ben oltre il “popolo” degli appassionati di comunicazioni terra-spazio. Non possiamo quindi che rendere il giusto riconoscimento a chi l’ha pensato e sviluppato e ricordare come parte dei ricavati delle vendite vadano a coprire i costi di progetto, costruzione e lancio di due satelliti amatoriali, FunCubeSat 1 & 2.

Buona sperimentazione dunque a tutti!

73, Pierluigi

Bibliografia

www.funcubedongle.com

uk.groups.yahoo.com/group/Fcdproplus

www.amsat.uk

www.hdsdr.de

sdrsharp.com

www.febo.com

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