Recension : manuel pratique de radio logicielle (SDR)

7 mai 2019, 14:41
Recension : manuel pratique de radio logicielle (SDR)
Recension : manuel pratique de radio logicielle (SDR)
Dans sa préface enthousiaste, Burkhard Kainka, auteur de l’ouvrage que je vais commenter, donne des indices importants expliquant le succès de la radio logicielle (ou SDR  software defined radio en anglais), bien au-delà de la communauté des radioamateurs. La SDR n'a en effet plus à démontrer son rôle exceptionnel pour redonner vigueur au loisir déclinant des passionnés de radio. L'accord et le décodage des signaux radio en ondes courtes reposant aujourd'hui sur un minimum de matériel et des logiciels à la fois puissants et gratuits, il n'en fallait pas plus pour que les nouveaux passionnés de radio, que sont venus rejoindre ceux que rebutent les signaux alternatifs et les fréquences radio, soient totalement acquis au concept de la radio logicielle.

L'époque des installations occultes en ondes courtes, formées de bobines complexes, de composants radio et de techniques de construction spécialisées appartient au passé. Aujourd'hui, une simple carte d'interface radio et un mélangeur IQ suffisent, associés évidemment… à un logiciel, installé en général sur un ordinateur portable doté d'une carte son de qualité. Toute la « matière grise » de la SDR est donc confiée au code programmé.
À noter que Burkhard Kainka est non seulement un écrivain prolifique, un passionné d'électronique, un concepteur de projets et un fournisseur de kits, mais qu’il est aussi radioamateur (indicatif DK7JD). Autant dire que son livre ne se perd pas dans des considérations exclusivement logicielles, assorties de leur cortège sans fin de captures d’écran et de listage de code. Bien au contraire, l’auteur accorde une attention toute particulière aux aspects concrets de la réception en ondes courtes, notamment la lutte contre les parasites là où l’efficacité est maximale : côté antenne.

Shield Arduino pour mélangeur IQ

Pour vous frayer un chemin vers les arcanes de la radio logicielle, procédez ainsi, dans cet ordre : (1) montez le matériel en vous attachant à bien comprendre son fonctionnement, (2) exécutez le logiciel. L'ouvrage commence donc tout d'abord par présenter un shield (carte enfichable) pour l’Arduino Uno. Voici les deux cartes, assemblées (ci-dessous) et en « kit » (ci-après).







Ici encore, dans un ordre que j'apprécie car il met le lecteur en confiance, l'auteur aborde le schéma et la théorie de fonctionnement du shield SDR de manière assez détaillée. Le composant formant le cœur du shield est un circuit intégré SI5351A PLL (boucle à verrouillage de phase) de SiLabs. L’Arduino n'a pas grand-chose à faire : son rôle consiste simplement à recevoir (en série) la fréquence souhaitée de l'ordinateur portable, puis d'ajuster en conséquence le circuit VFO (oscillateur à fréquence variable) du shield. Le programme exécuté par l’Arduino est accessible dans un fichier d'archivage de logiciel sur la page web d'assistance indiquée dans l'ouvrage. Ce « croquis » est extrêmement bien documenté et expliqué, dans le livre aussi.
Revenons au matériel : l’étage d'entrée radio du shield Arduino est un amplificateur séparateur (drain commun) constitué d'un JFET de type BF545B, l’équivalent en CMS du célèbre BF245B. L’étage comporte une protection contre les surtensions, formée de deux diodes antiparallèles, pour le soustraire aux décharges électriques. L'entrée est à l’évidence à large bande (dite « porte de grange ») et l'auteur conseille à juste titre l'utilisation de filtres et préamplificateurs externes pour les conditionnements critiques.

Facultativement, il est possible d’enficher le shield d’écran LCD d’Elektor au-dessus du shield SDR, comme montré ici :




Cette configuration permet d'afficher la fréquence SDR du moment, outre sa fonction d'instrument de mesure. Pratique et bon marché. Et en plus, l’Arduino a un peu plus à se mettre sous la dent !

Le chapitre 2 poursuit avec la procédure d'installation de l'un des logiciels SDR les plus anciens, (toujours) performant, et gratuit de surcroît : G8JCF. Son créateur, Peter Carnegie, l'avait déjà introduit en 2007 dans le magazine Elektor et il avait à l'époque fait un tabac. Le logiciel a depuis été constamment étendu et amélioré. Fait remarquable, emblématique des vertus du partage des logiciels chez les makers, le programme charge automatiquement le micrologiciel approprié dans l’Arduino, ce qui évite d'avoir à entrer dans l'IDE (environnement de développement intégré). Il vous suffit d’enficher la carte et de mettre l’ensemble sous tension. C'est tout. C'est ensuite avec émotion que vous vivrez la toute première expérience :




Le livre propose une procédure pas à pas indiquant comment relier le logiciel G8JCF à l’Arduino couplé au shield SDR, et faire tourner le micrologiciel de l’auteur. Un petit exercice de mise en route est proposé pour accorder l’appareil sur une fréquence de 7000 kHz dans la bande des 40 m. Très détaillé et bien expliqué.

Vient ensuite l'installation de SDRsharp — alias SDR# — pour la gamme de fréquences comprise entre 24 MHz et 1800 MHz. Un petit test tactile sur l'entrée d’antenne est suggéré pour vérifier si le système est actif et réagit. Si tout va bien, poursuivez avec la réception en modulation d'amplitude, forcément meilleure en soirée lorsque la propagation des ondes moyennes est plus favorable.


  

Pratique de la réception en ondes courtes et lutte contre le bruit

Le chapitre 2 de l’ouvrage est un guide pour les novices complets en matière de réception ondes courtes. Cette partie réussie et bien structurée aborde les pièges et les bizarreries que le nouveau venu que vous êtes découvrira dans le monde merveilleux des ondes longues, moyennes et courtes, avec des stations radioamateur longue distance, des radios commerciales, mais aussi des services publics, d’urgence et météofax (pour les navires en mer). Chaque « mode » d’émission parmi les plus courants (onde entretenue, modulation d'amplitude, bande latérale unique ou BLU) est abordé succinctement avec un exemple pratique de station correspondante.

Cette discussion constitue une excellente préparation au chapitre suivant qui concerne les parasites, leurs origines et les méthodes pour vivre avec. Au chapitre 3, j'ai trouvé très instructive la discussion relative au bruit audio lié à la carte son du PC. Vous y trouverez un exemple pratique et bien illustré d'un dispositif USB indiscutablement pris en flagrant délit d’introduire des parasites indésirables dans le système de radio logicielle !
Parmi les autres sources de bruit susceptibles d'interférer, sont décrits succinctement les dispositifs d'éclairage, les boîtiers haut débit et les signaux électromagnétiques induits par les alimentations. J'aurais préféré personnellement que ce chapitre soit un peu plus consistant car les nouveaux venus en matière de radio logicielle ont besoin de solides connaissances sur les méthodes employées par leur ennemi absolu - le bruit - pour altérer la réception.

L’antenne, bien sûr !

Le chapitre que j'ai trouvé le plus efficace pour promouvoir la SDR auprès d'un public de novices concerne cet accessoire indispensable qu’aucun logiciel ne peut remplacer : l'antenne. Par sa démarche étape par étape consacrée aux propriétés des antennes de réception en ondes courtes et à l'accord du récepteur, l'auteur parvient à calmer les attentes des passionnés de radio en appartement concernant la réception de signaux venant de l'autre bout du monde avec un simple fil de fer. C'est illusoire, non seulement en raison de la taille limitée de l'antenne, mais aussi à cause des niveaux plus élevés de bruit électrique d'origine humaine dans les zones à forte densité de population.

Pourtant, le livre permet de découvrir qu'avec une mise à la terre correcte de l'antenne, un balun (transformateur symétrique-asymétrique) et/ou une protection à tresse coaxiale à moins d'un euro, il est possible de réduire significativement le niveau de bruit. Ainsi protégé, votre système SDR ne sera pas le moins du monde perturbé par la grande ville, même au premier étage d'une tour d'habitation.

Les antennes cadre et monopôle occupent une place privilégiée dans cet ouvrage, et à juste titre : elles sont extrêmement efficaces pour éliminer les parasites électriques et elles offrent une certaine directivité. Le livre fait également quelques suggestions concernant les antennes actives, bien qu'à mon avis trop succinctes.

Autres fonctions d'un système SDR

Le projet décrit dans cet ouvrage n'est pas un simple système SDR ; vous y découvrirez aussi comment le transformer en instrument de mesure (dans votre labo d’électronique), en émetteur WSPR (prononcer whisper) - Weak Signal Propagation Reporter en anglais), utilisé pour les communications radio à signaux très faibles entre radioamateurs, et même en émetteur-récepteur QRP (communication basse puissance). Ces trois applications sont présentées de manière très motivante et dans l'esprit des radioamateurs : voici les bases, à vous d’y apporter votre propre touche ! Par exemple, ici, un amplificateur pour un émetteur de 200 mW utilisant un FET BS170 et un filtre de signal de sortie :




En mode WSPR sur le D+SDR, cette « nano-station » a réussi à établir le contact avec d’autres à des milliers de km de distance :
 
  

Conclusion et 73*

Ce livre est incontournable pour tous ceux qui ont envie de partir à la découverte de l'univers fascinant des ondes courtes avec un système SDR, constitué d’une carte Arduino, d'un shield SDR et du logiciel G8JCF, produits largement diffusés et très peu coûteux, voire gratuit concernant le logiciel. C’est une expérience pratique et le titre en rend bien compte.

Ce qu'apporte essentiellement ce livre :
  • La découverte de votre ennemi absolu dans le monde des ondes courtes : les parasites.
  • Le juste équilibre entre les détails du matériel, présentés par un électronicien chevronné, et la description d’un logiciel accessible même si vous n'êtes pas un crack de l'informatique.

Quelques critiques de forme :
  • Le matériel du shield SDR et le logiciel G8JCF / SDR# mériteraient l'un et l’autre un chapitre chacun ;
  • Certains sujets pourraient être approfondis, par exemple concernant les modes numériques ;
  • Idem pour la théorie des réseaux ;
  • Idem pour les antennes cadre et autres antennes magnétiques.
 
* 73 : code employé par les radioamateurs pour signifier « meilleures salutations ».​
 

Livre SDR Hands-on Book (en anglais)
Auteur : Burkhard Kainka, DK7JD
134 pages, reliure souple
ISBN 978-1-90920-76-9

Livre : www.elektor.fr/sdr-hands-on-book
E-book : www.elektor.fr/sdr-hands-on-book-e-book

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