Receptor SDR VHF-UHF-SHF

FUNcube Dongle

por PY4ZBZ em 18-01-2012.     Rev. 26-06-2013

 

1 - Descrição

2 - Softwares

3 - Instalação

4 - Ajustes

5 - Observações

6 - Acessórios

7 - Efeito de filtros

 

 

Descrição

 

 O FUNcube Dongle, que doravante chamarei FCD, corresponde ao hardware de um receptor SDR miniatura (80x22x15 mm), com entrada RF via conector SMA e saída USB, idealizado pela AMSAT-UK. Recebe de 64 a 1700 MHz. Obs.: na faixa de 1100 a 1270 MHz não funciona corretamente. Como usa taxa de amostragem de 96 kHz, permite ver uma banda com largura de quase 96 kHz. A sensibilidade é de 0,15 uV para 12 dB SINAD , NBFM em 145 e 435 MHz.

Ele é baseado num CI sintonizador (tuner) usado em receptores de TV digitais, o E4000 da Elonics, que converte o sinal de entrada de RF em dois sinais em quadratura I e Q centrados em ZERO Hz (zero-IF). A conversão é feita com a ajuda de um oscilador local sintetizado programável controlado a cristal, e dois misturadores. A figura seguinte mostra o diagrama em blocos do TUNER :

Esses dois sinais analógicos I e Q, centrados em zero Hz, são então digitalizados por um CODEC de áudio, com taxa de amostragem de 96 k amostras por segundo. Um microcontrolador PIC permite a comunicação com o PC dos sinais digitais I e Q e da programação do TUNER. A figura seguinte mostra o diagrama em blocos do FCD:

A figura seguinte mostra o circuito interno do FCD:

 

Mais detalhes nos guias PDF no site do FCD aqui.

 

 

 

 

 

 

 

 

Softwares

 

 O FCD é visto pelo PC como uma placa de som USB, o que permite usar qualquer software SDR que opera via placa de som . 

Na seleção da placa de som do software SDR, o FCD aparece como "Microfone (FUNcube Dongle Vx.x)"

Por exemplo, e entre outros... o M0KGK SDR, o KG-SDR, o SoDiRa, o SpectraVue, o WRplus, o HDSDR, o SDR#, o SDRadio, o Rocky, o PebbleSDR, o SdrDx, e o melhor de todos para o FCD, o SDR-RADIO (ou SDR-Console).

Existem basicamente 3 tipos de softwares para o FCD:

Os que são autossuficientes, os que precisam de uma DLL e os que precisam de um controlador front-end.

Programas "autossuficientes":

  O SDR-RADIO , o SDR# , o PebbleSDR , o SdrDx, sendo o SDR-RADIO o melhor deles, dispensam qualquer outro tipo de programa e/ou DLL, como é o caso dos demais citados anteriormente. E o SDR-RADIO ainda faz rastreamento de satélites, corrige automaticamente o efeito Doppler ajustando a sintonia do FCD, recebe imagens APT de satélites meteorológicos, entre muitas outras coisas, como o ajuste automático do DC offset !

 A figura seguinte mostra o SDR-RADIO em ação com o FCD, sintonizando o satélite NOAA-15 numa passagem em cima do meu QTH de Sete Lagoas MG:

Observação: é preciso marcar "Swap IQ" e "Doppler Invert" para que o eixo de freqüências esteja correto. Veja porque aqui. Mais uma das qualidades do SDR-Radio é que ele não muda a freqüência do oscilador local do FCD para corrigir o doppler (pois isso poderia causar perdas de "PLL Lock", e deslocamentos na imagem APT), mas muda a sintonia do software (tune)! Observe que o DC offset ficou variando com o Doppler, mas a sintonia do satélite ficou constante. Para que o DC offset não interfira no sinal do satélite, sintonizei o FCD via "Center tune" em 137,600 MHz. Assim, toda a banda ocupada pelo sinal do satélite  (40 kHz) fica fora do DC offset.

O SDR-RADIO tem um visualizador simples para imagens APT, que apenas mostra as imagens não processadas dos canais A e B, em preto/branco:

Mas com o software WxToImg ligado via mixer de áudio temos por exemplo a seguinte imagem de 15-02-2012 as 16:48 UTC, do satélite NOAA-159 em Sete Lagoas GH70un (+ amarelo), com uma antena DCA e um preamplificador 137 MHz caseiro:

Foto do preamplificador caseiro 137 MHz com BF982, sem a tampa:

Veja mais imagens APT aqui.

Tela do novo SDR#, que ainda é bem simples, mas não precisa de controlador ou dll e tem correção automática da rejeição de frequência imagem e DC offset:

Outro software novo é o PebbleSDR. Também já tem interface para o FCD, dispensando DLL ou controlador. A tela seguinte mostra o PebbleSDR no modo "Phase" e com a tela "Dialog" do controlador do FCD aberta:

Mais duas telas do PebbleSDR:

Tela do SdrDx, que também já tem suporte direto para o FCD, sintonizando uma radiossonda:

 

DLL

Os softwares SoDiRa, WRplus e HDSDR necessitam de uma DLL: " ExtIO_FCD_G0MJW.dll ", e assim permitem o ajuste direto de freqüência do FCD. Para ajustes de outros parâmetros do TUNER do FCD, essa DLL abre a telinha seguinte, que abre junto com o programa SDR, ou também em "Show Options > Select input > FCD-GoMJW ExtIO Control":

Tela do controlador do FCD, que abre marcando Expert na telinha acima:

 

Tela do HDSDR:

 

Tela do WRplus (obs: para não ficar em tela cheia, usar uma bat ou linha de comando com WRplus.exe -wv ):

 

Tela do SoDiRa:

 

Controladores " Front-End "

Os demais softs como SpectraVue, M0KGK, KG-SDR, SDRadio, Rocky, etc... NÃO permitem o ajuste direto de sintonia do FCD, e para tal necessitam do programa controlador (front-end software), como por exemplo o " FCHid.exe ", ou o " qthid.exe " ou o " Satcontrol " onde deve ser feita a sintonia:

Esse controlador V2.0 salva automaticamente todos os ajustes.

 

O programa qthid.exe é outro controlador front-end :

 

Outro front-end software é o Satcontrol_FCD de DK3WN, e que permite controlar automaticamente o Doppler na recepção de satélites. Ele substitui o FCHid.exe em programas que precisam dele (SpectraVue, KG e M0KGK), mas também pode ser usado controlando a freqüência do WRplus, HDSDR, SDR# e Sodira.

O Satcontrol também necessita da DLL:  " ExtIO_FCD_G0MJW.dll ". (Obs: a versão 0.9.22 [15.03.2011] do satcontrol vem com uma DLL antiga que deve ser substituída).

Observação: O Satcontrol muda diretamente a freqüência do sintetizador do oscilador local do FCD para correção do Doppler. Isso pode causar perdas de travamento (lock) do PLL do FCD, o que causa deslocamentos no sincronismo horizontal de imagens APT, ou perda de dados em modos digitais (embora isso nunca aconteceu nos meus testes). Esse problema não existe no SDR-Radio, como mostrado mais acima, ou no HDSDR como cliente DDE do Orbitron, pois esses mudam a sintonia do programa SDR, mantendo o oscilador local do FCD fixo. A figura seguinte mostra o Satcontrol em ação no TCA de uma passagem do NOAA-19. A imagem recebida está aqui.

Exemplo de tela do SpectraVue sintonizando o NOAA-19 via front-end Satcontrol (obs: sintonizei o SV 22 kHz abaixo, para ficar livre do DCoffset, informando 137,078 em vez de 137,100 MHz no Satcontrol, como frequência do NOAA-19):

 

 

 

Tela do SDRadio. A freqüência indicada não é a correta, e deve ser informada no controlador front-end (como nos demais programas SDR que precisam dele):

Telas do Rocky:

Telas do KGSDR:

Tela do M0KGK SDR:

 

 

 

Instalação

 

Basta plugar o FCD numa porta USB do PC, e o Windows (XP ou 7) instala automaticamente os drivers USB necessários (exemplo no W7):

Com o SDR-Radio, podemos verificar a versão do firmware do FCD, Na tela do SDR-Radio (acima), podemos ver no caso: FCDAPP 18.10, que é a versão mais recente em 18-01-2012. Essa verificação também pode ser feita com o Expert  ou com o qthid.exe, como pode ser visto nas respectivas figuras acima.

Basta verificar no site do FCD qual é a mais nova versão disponível. A correspondência entre o nome do arquivo export18x.pro.bin do firmware e a versão mostrada pelos programas é a seguinte:

versão 18d = FCDAPP 18.04

versão 18e = FCDAPP 18.05

versão 18f = FCDAPP 18.06

versão 18g = FCDAPP 18.07

versão 18h = FCDAPP 18.08

versão 18i = FCDAPP 18.09 (out 2011)

versão 18j = FCDAPP 18.10 (dez 2011)

Se a versão do FCD for anterior a mais recente do site, basta baixar o arquivo do firmware e o bootloader, e rodar o programa bootloader, conforme o guia PDF disponível no site do FCD. O programa front-end FCHid.exe e outros também podem ser obtidos nesse site.

O grupo Funcube do Yahoo também é uma fonte importante de informações e programas.

 

Depois é só instalar um ou vários softwares SDR (mencionados acima), e conforme o caso, o programa front-end e/ou a DLL já citados

O SDR-Radio é o mais pratico para o FCD, pois é auto-suficiente e cheio de recursos. Vejam detalhes aqui.

 

Ajustes:

Devem ser feitos três ajustes:  DCoffsetErro de freqüência  rejeição da freqüência imagem.

DC offset

 

Uma vez escolhido o software SDR a ser usado, é preciso fazer o ajuste do DC offset, que aparece no meio da banda de 96 kHz. As figuras seguintes mostram o ajuste feito com o Expert no WRplus:

O ajuste é feito mudando alternadamente os valores em I e Q de forma a reduzir o nível do sinal na freqüência central de sintonia (oscilador local=zero Hz=DC na FI). É um pouco trabalhoso... No exemplo, passou de -58 dB para -77 dB. O SDR-Radio, o SpectraVue e o SoDiRa por exemplo tem uma opção para fazer isso automaticamente. 

 

 

Erro de freqüência  

É preciso também fazer a correção do erro de freqüência do oscilador loca do FCD, usando um sinal externo de freqüência exata conhecida. As figuras seguintes mostram o ajuste feito com o Expert no WRplus. Importante: é preciso primeiro ZERAR os valores que vem por default !:

O ajuste pode ser feito de duas formas: informando o erro em kHz ou em ppm. A figura seguinte mostra o ajuste em kHz:

A figura seguinte mostra o ajuste feito em ppm, Como o erro era de -3,4 kHz para uma freqüência de 145000 kHz, o erro em ppm é -3,4/145000=-0.0000234 ou -23,4 ppm, que arredondei para -23 ppm:

Importante: o ajuste deve ser feito apenas em uma das duas opções, kHz ou ppm, sendo a outra zerada !

Quem usa o SpectraVue, KG e M0KGK com o FCHid.exe deve realizar todos esses ajustes nele. No caso do ajuste do erro de freqüência do exemplo acima, basta informar o valor de -23 ppm, mas da seguinte forma: 1.000.000-23 = 999977 :

 

Rejeição da freqüência imagem

 

Depois é preciso fazer o ajuste da rejeição de freqüência imagem: pelo ajuste de amplitude e fase dos sinais I e Q, usando um sinal externo estável.  As figuras seguintes mostram o ajuste feito com o Expert no WRplus. O sinal externo recebido está em 144980 kHz e o FCD está sintonizado em 145000 kHz. Portanto, a freqüência imagem do sinal em 144980 está em 145020 kHz :

 

No caso especifico do Expert, não esquecer de salvar os ajustes clicando em "file" e "Save default":

Os valores são salvos num arquivo "fcd.ini", que no caso dos ajustes dos exemplos acima estão em [Freq] e [Corrections]:

 

 

 

Observações

 

Vejam aqui excelente relatório de testes (sensibilidade e numero de ruido) feito por F5RCT

 

Como o FCD é banda larga, não há nenhum filtro pre-seletor na sua entrada. Por isso é extremamente vulnerável a intermodulação, de-sensibilização, saturação e outros problemas causados por sinais fortes presentes na sua entrada na banda de 60 a 2000 MHz, por exemplo, emissoras locais de radiodufusão FM, TV, repetidoras, etc... Para recepção de sinais fracos, é indispensável um filtro pré-seletor.

 

Outra pequena deficiência é que a máxima taxa de amostragem possível é de apenas 96 kHz, o que impede por exemplo recepção de WFM.

 

Outra deficiência (normal) é o sinal DC presente no meio da banda (DC offset), que pode e deve ser reduzido nos ajustes iniciais, mas dificilmente é totalmente eliminado, causando certa interferência em sinais fracos com banda maior que 48 kHz. Uma forma de evitar essa interferência é sintonizar o sinal desejado fora do DC offset.(como na tela do SDR-Radio acima).

Outra pequena deficiência é o "gap" entre aproximadamente 1100 a 1270 MHz, banda na qual o PLL não sincroniza (PLL Lock), como mostra a figura seguinte:

A recepção funciona, mas o sinal sintonizado é interferido pelo ruído de fase do PLL, como mostra a figura seguinte:

 

 

 

Inversão ou não dos sinais I e Q. Aparentemente não há padronização entre hardwares/softwares nesse aspecto. O problema pode ser causado por exemplo pelo sentido do defasamento relativo dos osciladores I e Q (+90 ou -90 graus) e outros fatores de construção dos hardwares e programação dos softwares.

Dependendo do software usado, é preciso inverter os sinais IQ (swap IQ) para que a banda seja mostrada corretamente no espectro, ou seja, freqüências mais altas a direita.  Notei que isso deve ser feito nos seguintes programas: SDR-Radio, KG-SDR e M0KGK SDR. No SDR-Radio, é preciso marcar a opção "Doppler invert" também ! Não precisam dessa inversão os HDSR, WRplus e SpectraVue.

 

 

Estabilidade de freqüência do oscilador local. Foi melhorada na versão FCD Pro V1.1. Vejam aqui:

Site 1  e  Site 2

 

 

ATENÇÃO: a partir da versão 18h do firmware, e da versão 1.1 do FCD, foi incluída a opção "bias T", que permite alimentar um preamplificador/filtro/preseletor/conversor via cabo coaxial ligado ao conector SMA. Quando habilitada, o FCD injeta 5 V com 100 mA max no conector SMA de entrada RF. 

Se a sua antena apresentar um curto em DC, não habilite o bias T !

O FCHID.exe (Funcube Dongle Frequency Control  V2.0, veja a tela dele em ajuste de freqüência), e o SDR-Radio permitem habilitar o "Bias Tee", assim como o Expert da DLL , onde o "bias T" é chamado "phantom power".

 

 

A tabela seguinte resume as características de diversos softwares SDR para uso com FCD:

Software SDR

Precisa de

Corr. Doppler

I-Q

Facilidade

Outros
SDR-Radio Nada Incluída Swap Spur reduction Rastr. Satélites
SdrDx Nada ? Normal Spur reduction  
SDR# Nada Satcontrol Swap Correct IQ  
PebbleSDR Nada Satcontrol Swap    
HDSDR DLL Satcont. ou DDE Normal    

WRplus

DLL Satcontrol Normal    
SoDiRa DLL Satcontrol L/R DCfilt  
SpectraVue Controlador Satcontrol Normal NCO null  
M0KGK Controlador Satcontrol Invert    
KG Controlador Satcontrol Invert    

 

 

Correção automática do Doppler.

Mais uma vez, o SDR-Radio é o melhor pois não necessita outros programas ! Como já mencionei anteriormente, mais uma das qualidades do SDR-Radio é que ele não muda a freqüência do oscilador local do FCD para corrigir o doppler (como faz o Satcontrol), mas muda a sintonia do software (tune)!

Veja aqui uma outra maneira de corrigir o Doppler com o SDR#.

 

Uma outra boa opção de corrigir o Doppler é usar o programa Orbitron (ou outro software para rastreamento de satélites) junto com o HDSDR, onde deve ser marcada a opção "DDE client", "Orbitron" e "Tune", como mostra a figura seguinte:

No Orbitron, basta rodar o driver "MyDDE" para que ele forneça automaticamente os dados da correção Doppler para a sintonia do HDSDR, sem alterar o oscilador local do FCD.

 

A figura seguinte mostra como sintonizar sinais, evitando a interferência do DC offset, que no caso está em 147,380 MHz e que corresponde a sintonia central do FCD. O sinal desejado está em 147,360 MHz e sintonizado no VFO A. Aparece outra transmissão FM em 147,390 MHz:

 

 

Vejam aqui o efeito de um filtro passa-banda na entrada do FDC.

 

Vejam aqui o FCD recebendo sinais de radiossondas.

 

 

Acessórios

 

Upconverters e filtros:

 

Estão disponíveis varias versões de conversor para banda de HF para ser conectado na entrada do FCD, no site do CT1FFU. Veja na seção "Kits", com fotos, ótimas descrições e diagramas em arquivos PDF.

 

Outro conversor HF de fácil construção e bem documentado aqui, de George Smart M1GEO. 

 

Outro UP-converter,  LNA VHF, e filtro da High Sierra Microwave

 

 

Para facilitar, estão disponíveis aqui para download os mais recentes (jan 2012)  arquivos auxiliares:

 " ExtIO_FCD_G0MJW.dll " para uso com SoDiRa, WRplus, HDSDR e Satcontrol 

e programa controlador (front-end software) " FCHid.exe " V2.0 para uso com SpectraVue , M0KGK, KG-SDR 

 

Veja aqui o efeito de filtros na entrada do FCD.

 

Um outro receptor SDR "dongle" muito parecido, pois usa o mesmo tuner de 67 a 1700 MHz, mas com taxa de amostragem de apenas 48 kHz, é o EasySDR.

 

73 de Roland PY4ZBZ