RTL SDR

Vou relatar a seguir testes feitos com o RTL SDR Terratec TStick PLUS, presente do nosso amigo Fabio PY4AJ (muito obrigado Fabin!), que trocou o conector de entrada RF original tipo PAL por um BNC:

Os chips principais são o tuner E4000 (sintonizador RF programável com conversor de quadratura), e o DVB-T COFDM demodulator RTL2832U, do qual são aproveitados apenas dois conversores A/D de 8 bits e a interface USB. A figura seguinte é um diagrama em blocos simplificado:

Obs.: alguns desses dongles com RTL2832 são vendidos sem o chip A7W ou KJE ou BAV99 ou semelhante, que contém dois diodos para proteção eletrostática. Convém instalar um, ou até mesmo dois 1N4148 em oposição para proteger o E4000.

É muito simples de instalar: basta um driver para porta USB, instalado pelo ZADIG, (vejam como aqui), e um software SDR que tenha driver para o RTL, como o imbatível SDR# ou SDR Sharp.

O SDR# com os drivers para RTL dongles pode ser obtido aqui. Basta extrair os arquivos numa pasta e executar o install.bat. Será criada uma pasta SDRSharp com o executável, todos os drivers para o RTL, e o programa Zadig. A figura seguinte mostra o ZADIG após a instalação do driver da porta USB:

A figura seguinte mostra o SDR Sharp em ação, sintonizando o satélite NOAA-19. O Doppler foi ajustado manualmente clicando de vez em quando no digito de centenas de Hz para manter a sintonia (linha vermelha) em cima da raia central (portadora) do sinal FM. Veja aqui como corrigir o Doppler automaticamente.

A imagem é de ótima qualidade, apenas nota-se algum ruído nas barras de sincronismo.

IMPORTANTE : Assim como para o FCD, que usa o mesmo tuner, é IMPRESCINDÍVEL o uso de algum FILTRO pré-seletor, e obviamente, para a recepção de imagens APT dos NOAA, uma BOA antena, como por exemplo a DCA !

O filtro pré-seletor evita a saturação e DE-SENSIBILIZAÇÃO do tuner por sinais fortes fora da frequência desejada !

A figura seguinte mostra a recepção do NOAA-15 em 06-04-2013 usando o software SDR console V2, sendo que no meio da passagem do NOAA mudei de dongle:

Não há diferença na qualidade das imagens, apenas as barras de sincronismo estão um pouco mais nítidas com o FCD. Foi usada a mesma banda passante de 40 kHz nos dois dongles, como pode ser visto nas duas figuras seguintes (vejam qual o dongle ativo no canto inferior esquerdo da tela do SDR console) :

Lembramos que o limite de sensibilidade de um receptor é definido pelo ruído total presente na banda passante B considerada.

Simplificando, o ruído total é composto pelo ruído térmico kTB presente em qualquer condutor, mais o ruído gerado pelo próprio receptor, expresso pelo Numero de Ruído NF (Noise Figure), que indica quantos dB o ruído total é maior que o térmico.

Portanto, dentro de uma banda de 100 Hz, (banda aproximada usada em nossas medições), a sensibilidade só pode ser pior que -154 dBm, isso com NF=0dB !...

Os RTL dongles usam sintonizadores que tem NF entre 3,7 a 5,5 dB. Arredondando NF para 4 dB, teremos um patamar de ruído de -150 dBm.

Observação: Existem vários métodos diferentes para medir a sensibilidade de um receptor, como por exemplo: Relação sinal/ruído SNR, SINAD, Fator de ruído ou Numero de ruído (NF), relação portadora/ruído CNR, Mínimo sinal detectável MDS, etc...

Nossa intenção não é medir exatamente esses parâmetros, mas apenas ter uma noção, principalmente no sentido de COMPARAR o comportamento dos dois dongles, o FCD e o RTL (que usam o mesmo tuner).

Fomos até o laboratório da NASA, (leia-se shack do Fabio PY4AJ), e usando um velho mas ótimo gerador HP 8640B, que pode ser visto na foto:

Como o RTL faz amostragem com apenas 8 bits (contra 16 do FCD), ele tem um patamar de ruído bem mais alto, visto no SDR#, que é graduado em dBFS. A figura seguinte mostra duas instancias do SDR# rodando simultaneamente no mesmo PC, sendo uma no FCD e outra no RTL, cada um numa porta USB diferente:

O sinal do gerador foi aplicado aos dois dongles simultaneamente via splitter, deixando -136 dBm na entrada de cada um, o que resultou em um sinal visível no espectro com 10 dB acima dos picos do ruído. Não há diferença de sensibilidade !

Os dois dongles foram ajustados no ponto de melhor sensibilidade da cada um, que pode ser visto na tela de ajustes de cada um, com os AGC desligados, e os softwares com resoluções equivalentes (taxa de amostragem/FFT resolution: 96k/4k=24 Hz para o FCD e 1024k/32k=32 Hz para o RTL).

Medições mais precisas feitas com o SDR console V2 mostram o FCD com apenas 1 dB a mais de sensibilidade que o RTL :

Foi aplicado na entrada de cada dongle -136 dBm via splitter e os dois softwares foram ajustados para ter o patamar de ruído na mesma posição e com a mesma resolução. Os dongles também foram ajustados para a melhor sensibilidade, como pode ser visto na figura anterior. O FCD tem portanto o menor sinal detectável, da ordem de -147 dBm (B=5,86 Hz) contra -146 dBm (B=7,63 Hz) para o RTL. (obs.: a diferença nas RBW é justamente 1 dB...)

Obs.: O SDR# tem o espectro graduado em dBFS, e o SDR console em dBm, sendo que este ultimo só é correto após uma calibração em amplitude ! (na figura acima não foi feita essa calibração, para termos os patamares na mesma posição, pois o que importa no caso, é a diferença entre o sinal e o patamar de ruído)

Apenas para efeito de COMPARAÇÃO, aplicamos -145 dBm na entrada respectivamente do FCD, do RTL e de um radio FT-100D. Esse é aproximadamente o valor do MSD. A figura seguinte mostra o áudio demodulado em USB pelo SDR# e visto no MixW. (De ouvido, o sinal é facilmente detectado):

O FCD se equipara ao FT-100D e o RTL perde um pouco. Provavelmente por causa do LNA existente no FCD.

É importante observar que a S/N indicada acima é a relação em dB entre o nível do sinal de áudio e a media do ruído medida na mesma RBW, que no caso é 22 Hz. Essa relação NÃO depente absolutamente da largura de banda usada na demodulação SSB. Essa largura afeta o valor TOTAL do ruído dentro da banda de audio considerada ! Por exemplo, se a S/N é de 14 dB numa banda de 22 Hz, essa mesma S/N numa banda de áudio de 3 kHz (=largura da banda de demodulação SSB) vale 10log(3000/22)=21,3 dB a menos, ou seja, 14-21,3=-7,3 dB, porque o ruído total na banda de 3 kHz é 21,3 dB maior que na banda de 22 Hz.

(É por isso que, por exemplo, o WSJT consegue detectar sinais com -20 dB de S/N ou menos. Porque o ruído é considerado na banda de voz (~2,4 kHz) e não na real banda ocupada que é de 6 Hz !)

Também é importante observar que a quantidade M de bins ou pontos usados na FFT não tem o menor efeito sobre o áudio demodulado ! Esse valor de M afeta a RBW (largura de banda de resolução) no espectro de RF, ou seja, qual é a mínima separação de frequência que dois sinais próximos devem ter para poderem ser vistos separadamente ! O valor de M altera também a visualização do ruído no espectro de RF, por um valor chamado "ganho de processamento da FFT", cujo valor em dB é igual a 10log(M/2) = 10log (taxa de amostragem/2RBW). (vide os dois últimos links abaixo)

M é o valor ajustado em "Resolution" no SDR#. Já o SDR console informa e permite ajustar o RBW, e avisa: Resolution does not affect demodulation in any way - it is purely visual.

O que é normal, pois ambos usam o mesmo tuner, e no caso é ele quem determina a sensibilidade em RF. (apesar de que o FCD tem um LNA na frente do tuner, que não tem muita utilidade, pois tem quase o mesmo numero de ruído (NF) que o tuner...). E o fato de um ser 16 bits e o outro apenas 8, não influi em nada na sensibilidade !

Mas o RTL é bem mais barato, e permite taxa de amostragem de até quase 3 Mega amostras por segundo, o que permite ver uma banda de 3 MHz, contra apenas 96 k am/s do FCD, o que permite ver uma banda de apenas 96 kHz.

O novo FCD pro PLUS permite 192 kHz de banda, mas tem a grande vantagem de ter embutidos 11 filtros pré-seletores, e sintoniza desde de 150 kHz até 1,9 GHz ! (contra 64 MHz a 1,7 GHz dos FCD e RTL com E4000)

É a diferença entre o maior sinal S que pode ser medido (equivalente a 0 dBFS) e o patamar de ruído N.

A tabela seguinte foi feita usando o SDR#. Os valores em dB foram arredondados para o inteiro mais próximo. A coluna S a indica o valor do sinal de entrada que resulta em 0 dBFS.

dGP é a variação do ganho de processamento da FFT, em relação a linha com M=1024.

Resolução M	dGP	RTL		FCD		dif
	(dB)	S (dBm)	N (dBFS)	S (dBm)	N (dBFS)	(dB)
1024	0	-74	-63	-55	-99	36
2048	3	-77	-62	-58	-97	35
4096	6	-80	-61	-61	-95	34
8192	9	-83	-59	-65	-93	34
16384	12	-86	-58	-68	-92	34
32768	15	-89	-57	-70	-91	34
65536	18	-92	-56	-70	-90	34
131072	21	-95	-55	-70	-90	34

Como o maior sinal é sempre 0 dBFS, a faixa dinâmica é igual ao patamar de ruído em dBFS com sinal trocado !

A coluna "dif" mostra a diferença a mais para o FCD, na faixa dinâmica, de pelo menos 34 dB !

Nesse quesito, o FCD é 34 dB melhor que o RTL, porque ele faz a amostragem com 16 bits contra 8 do RTL.

Teoricamente, poderia ser 48 dB melhor, pois a SNR de quantização é proporcional (em dB) a 6 vezes o numero de bits. Na pratica, o FCD tem 34/6=5,7 bits a mais que o RTL.

As figuras seguintes mostram o espectro visto nos dois dongles, ambos com -90 dBm na entrada, e onde é bem visível a diferença no patamar de ruído:

Como nos dois testes o M é o mesmo, mas a taxa de amostragem não, o RBW no RTL é 250k/16k=15 Hz e 96k/16k=6 Hz no FCD.

Como o tuner E4000 é banda larga, ele sofre de-sensibilização pelos muitos sinais presentes na antena em frequências que não a desejada para sintonia.

A figura seguinte mostra como é recebido o sinal de uma radiossonda, com uma antena LFA de 3 elementos, conectada via splitter aos dois dongles, com duas instancias do SDR# rodando simultaneamente. Como o FCD tem um LNA na entrada, com ganho fixo de 24 dB, ele é mais prejudicado que o RTL nesse aspecto. Mas em ambos é possível ver uma melhora no sinal e uma diminuição no ruído, causado em parte por intermodulação pelos sinais indesejados ! Veja aqui o filtro (passa-banda UHF) usado no teste.

A figura seguinte mostra o efeito do filtro pré-seletor com um sinal de uma portadora fixa, recebido com a mesma antena. A resolução (RBW=Fam/M) foi ajustada para ser aproximadamente a mesma nos dois, e vale da ordem de 12 Hz para o FCD (96k/8k) e 16 Hz para o RTL (1024k/65k):

Sem filtro, a portadora é recebida 40 dB acima do patamar de ruído no RTL, contra apenas 35 dB no FCD.

Outro ponto a favor do RTL, e pelo fato de ter uma banda bem maior que o FCD, é poder captar dados ADS-B transmitidos pela maioria dos aviões, que reportam entre outras coisas, a posição, velocidade, altura, etc da aeronave com precisão de GPS. A transmissão ADS-B tem o seguinte espectro, onde 99% da energia está numa banda de 2 MHz (-10 dB), o que inviabiliza a recepção pelos FCD:

Os dados ADS-B são transmitidos em curtíssimas rajadas a 1Mb/s em PPM (modulação de posição de pulso), onde a duração do pulso é de 0,5 micro segundo (na verdade 1 micro segundo, sendo a metade do tempo em 1 e a outra em 0, pela codificação Manchester), que obviamente, só pode ser amostrado a uma taxa mínima de 2 Mam/s, o que inviabiliza o uso dos FCD (96 kam/s) e FCD plus (192 kam/s).

A figura seguinte mostra o espectro do sinal ADS-B Visto no SDR V2 com o RTL, recebido por um dipolo para UHF a 6 metros de altura (polarização vertical), que tem 8 dBi de ganho em 1090 MHz:

Usamos os softwares ADSB# para recepção com o RTL e o ADSBscope para display dos dados, que mostra a tela seguinte, onde vemos a vivo, o trafego aéreo da nossa região !:

É sabido que o tuner E4000 tem um "gap" por volta de 1,1 a 1,3 GHz (pois nessa faixa não há sinais de TV). Esse gap varia de um componente a outro. É muito fácil verificar o gap do seu dongle. Basta executar o SDR# e DESLIGAR o "offset tuning" no controler, de forma a poder ver o "zero DC offset" ou oscilador local OL, no meio do espectro, e variar a sintonia:

Se o PLL do oscilador local sincroniza corretamente, vemos uma linha no centro do espectrograma, como na figura seguinte:

Mas se o PLL do OL não sincroniza, o pico do OL no espectro fica pulando o que causa uma modulação de intensidade da linha do OL no espectrograma, como mostra a figura seguinte:

Basta variar a sintonia para achar em qual banda ocorre o gap. No dongle que testamos, foi entre 1200 e 1261 MHz.

Uma outra forma de medir o gap é usando o software rtl1090, com a função "Max/Min", como mostra a figura seguinte:

Apesar do RTL dongle ter sido projetado para recepção de TV digital HD, também é possível, nem que seja por curiosidade, receber TV analogica !...

Com o programa TVSharp (click para download), podemos sintonizar as portadoras de vídeo de TV analógica, recebendo o sinal de luminância apenas, ou seja, teremos uma imagem em preto e branco, sem o som evidentemente (que pode perfeitamente ser captado com um segundo dongle em FM). Veja tabela de frequências aqui. A figura seguinte mostra a recepção do canal 38 (port. vídeo em 615,25 MHz) no meu QTH de Sete Lagoas MG. Lembramos que tanto no sistema PAL como no NTSC, a luminância modula a portadora de vídeo em AM-VSB:

O FCD tem sensibilidade ligeiramente melhor, da ordem de 1 dB em VHF e mais de 3 dB em UHF (devido ao LNA)

O FCD tem faixa dinâmica muito maior (34 dB a mais) que o RTL (porque usa 16 bits contra 8)

O RTL tem banda muito maior, 2 MHz (ou até 3 MHz) contra apenas 96 kHz do FCD. (chip para DTV contra chip de áudio)

O RTL é menos sujeito a de-sensibilização que o FCD (devido ao LNA no FCD)

O RTL permite receber ADS-B, o FCD não ! (maior banda e taxa de amostragem)

O RTL permite recepção de imagens LRPT (O FCD Pro Plus também, pois tem banda de 192 kHz)