SNW - Homebrew UBA Challenge 2014

For ENG version click here

Homebrew Challenge 2014 - inzending van de Sectie SNW - 1ste plaats

RTL-SDR Radio HF Convertor (ook voor Android)

Voorwoord :

In dit artikel gebruiken wij een normale DVB-T USB stick voor TV ontvangst, als een panorama-ontvanger op onze laptop, computer, of tablet. Deze gaan we "misbruiken" om er andere frequenties mee te kunnen ontvangen, dan waarvoor hij oorspronkelijk bedoeld is.
Het ontvangen signaal zien we op ons PC scherm in een soort spectrum-analyzer omgeving en het geluid kunnen we horen in verschillende modes als FM, AM, CW, LSB en USB.
De bedoeling is om bestaande HAM software te gebruiken, die bestaat voor zowel Windows als voor Linux en Android. We gebruiken een gewijzigde hardware-driver die het mogelijk maakt, de stick in een soort "test" mode te zetten, waardoor de binnenkomende antenne-signalen na een tuner en een decoder in een I en een Q signaal continue naar de USB poort gestuurd worden. De maximum vensterbreedte die je kan zien op je scherm is ongeveer 2 MHz. Zo is bijvoorbeeld in één klap de hele 2m band op je scherm te zien. Mogelijk te gebruiken programma’s zijn bijvoorbeeld HDSDR en SDR# (SDR Sharp). Met HDSDR + Dream is DRM (Digital Radio Mondiale) mogelijk en mits gebruik van het programma DSD(170) zijn decodering van DMR en DStar gesprekken mogelijk. Voor SDR# bestaan er een hele reeks "plug-ins" om nog andere modes te decoderen. Voor Android is er SDR Touch met de nodige RTL2832U driver.
Dit alles is slechts mogelijk bij TV sticks die een bepaalde chipset bevatten. Dat moet je vóór de aankoop dus eerst uitzoeken.
De bruikbare chipsets moeten altijd één chip gemeen hebben: een Realtek RTL2832U decoder-chip, die het signaal na de tuner-chip voor DVB-T omzet naar mpeg-2, maar hier in de test mode in een onbewerkte I en Q stream. Vandaar dat men ook soms spreekt van een "RTL stick" of "RTL-SDR"vanwege deze chip.

Bestaande RTL2832 sticks met verschillende tuners :


FC0013 Tuner	E4000 Tuner	RT820T Tuner	RT820T Tuner

De tuner in de chipset kan verschillend per type stick zijn en bepaald het te ontvangen frequentiegebied.
De meest gebruikte tuner-chips zijn de volgende:

een E4000 Elonics tuner-chip met een bereik van 52 MHz tot 2200 MHz (is nu uit productie),
een RT820T Rafael tuner-chip met een bereik van 24 MHz tot 1766 MHz (is nu gangbaar),
of de nieuwere RT820T2 met een ruimer dynamisch bereik en iets gevoeliger ingang,
en dan zijn er nog de oudere tuners-chips Fitipower FC0012 en FC0013 met een bereik van 22 MHz tot 1100 MHz.

Dus eigenlijk kan men met deze sticks standaard al VHF, UHF en gedeeltelijk SHF ontvangen.
Maar gezien de ontvangst-beperking onder de 50 MHz op deze sticks, hebben we voor HF ontvangst een convertor nodig, die de HF band van pakweg 0 - 30 MHz omhoog transformeert, zodat we de signalen kunnen horen op een hogere frequentieband (van bijvoorbeeld 50 - 80 MHz) en die kan onze stick WEL ontvangen.

De gewenste opzet:
In dit geval gaan we het ontwerp van een HF convertor anders aanpakken dan je terugvindt in andere ontwerpen die elders te vinden zijn op het Internet.
Volgende zaken bijvoorbeeld zijn zeer wenselijk en aan te passen en/of op te lossen:

het moet een beetje een universele schakeling zijn voor de verschillende bestaande soorten sticks,

je kan zelf een passend mixer-kristal kiezen voor de door u gebruikte RTL-stick,

de schakeling mag maar weinig stroom verbruiken (bijvoorbeeld voor Android toestellen),

het geheel moet gemaakt zijn met gemakkelijk te krijgen en goedkope materialen,

geen schakelende delen (relais) tussen HF en UHF meer, zoals in voorgaande ontwerpen,

2 antenne-ingangen blijven aanwezig, 1 voor HF en 1 voor VHF/UHF.

Speciaal voor Tablet of Smartphone gebruik:

de schakeling moet zo klein mogelijk zijn (voor Android = draagbaar gebruik),

een extra USB doorvoer voorzien op de convertor, want een Tablet heeft meestal maar één USB poort,

de voeding kan gebeuren door de Tablet of Smartphone, maar ook extern voeden is mogelijk.

Bekijken we even het frequentiedomein en de ontvangstmogelijkheden :

Figuur 1

Fig. 1

Van groot belang is de keuze van het kristal voor de HF mixer. Dit is eigenlijk afhankelijk van de gebruikte RTL-Stick.
Ik wil hier toch duidelijk een onderscheid in maken. Kijk dus zeker welke soort stick dat je precies in huis hebt.
Voor de gebruikers van de RTL stick met een E4000 tuner (de wat oudere types):
Als we kijken naar het bovenste deel in fig.1, zien we dat een E4000 tuner pas kan ontvangen vanaf 52 MHz. Passen we het hier voorgestelde kristal van 50 MHz toe in de HF mixer, dan kunnen we na mixing, de HF band in het segment van 50 tot 80 MHz ontvangen, maar de E4000 ontvangt niet op de eerste 2 MHz. Dat is een belangrijk stuk van de HF band (0 tot 2 MHz). Het is dus aangewezen voor bezitters van een RTL-Stick met de E4000, om een iets hoger kristal toe te passen om de gehele HF band te kunnen ontvangen. Hier is niet zoveel marge. Een mogelijkheid is om een goedkoop kristalblokje van 66.666 MHz (uit een oude computer) te gebruiken of beter een ander kristal van 55 à 60 MHz. De exacte frequentie maakt niet uit. Een hoger kristal kan ook, bijvoorbeeld 80 MHz, maar dan kom je op het einde van de HF band (80 + 30 MHz) na mixing uit in de radio FM-banden dat is niet de bedoeling. Sommigen gebruiken in hun ontwerp een 100 MHz kristal, maar dan valt de geconverteerde HF band ook pal in de sterke FM band. Een goede keuze is bijvoorbeeld het gebruik van een 125 MHz kristal, maar dan valt de geconverteerde HF band pal in de vliegtuigband. Dat is echter niet erg omdat het daar toch vrij rustig is, en als je de VHF antenne even niet aansluit. Het highpass-filter moet dan wel herrekend worden beginnend vanaf 110 MHz, zodat de sterke FM band grotendeels onderdrukt wordt.
Hier offeren wij dus ofwel de 50 MHz band op, ofwel een stuk vliegtuigband van 125-158 MHz, om de HF band in te kunnen ontvangen. Ben je niet zeker van je keuze, gebruik dan een 125 MHz kristal. Dat werkt altijd met elke RTL stick .
Voor de gebruikers van een RTL stick met de R820T of T2:
Voor de bezitters van een R820T/T2 stick is het iets gemakkelijker om een kristal van 50 MHz te gebruiken.
Deze stick ontvangt al standaard vanaf ongeveer 24 MHz en er is wat ruimte om een ander kristal te gebruiken, dat mag tussen de 40 en de 60 MHz zijn.
Met een beetje antenne kun je op HF al redelijk de tijdzenders MSF60 (60 kHz) en DCF 77 (77,5 kHz) ontvangen !
In het onderste deel van fig. 1 zie je wat de bedoeling is: de HF band gaat eerst door een Low Pass filter die enkel de HF band 0-30 MHz doorlaat. Daarna wordt het antennesignaal gemixt met een 50 MHz kristal. Op de uitgang van de mixer zit een 10dB verzwakker. Hierachter gaat het signaal door een High Pass filter, die alles onder de 50 MHz blokkeert om dan een zuiver HF signaal over te houden.Het laatste filter is niet strikt noodzakelijk, maar het helpt wel om de spiegel-frequenties van het kristal van 50 MHz te onderdrukken.

Schema voor de E4000 - R820T/T2

Fig. 2 (klik voor groter exemplaar)

Verduidelijking en opties in het schema voor de R820T en E4000 (met 2MHz beperking)
Aan de HF-ingang is voor het ingangs-filter een 7 polig Lowpass-filter gekozen. In oudere versies was een 9 polig filter voorzien. Dit was in de praktijk niet nodig, en is terug beperkt tot een 7 polig filter. Het filter is asymmetrisch, dit is nodig voor de SA602A ingang.
Vermits in mijn filters enkele waarden gebaseerd waren op de bekende "FunCube Convertor", vond ik later een artikel van F5RCT, die brandhout maakte van het ontwerp voor de FunCube. Vele amateurs klaagden over de slechte gevoeligheid op lage frequenties bij de FunCube Convertor. Ik heb dus mijn filters berekend op 50 Ohm input en 1500 Ohm output voor de ingang van de SA602. En zo hebben ik nog een beter filter gevonden dan F5RCT voorstelt.
De filters zijn berekend met het programma RF Sim99, dat nog steeds goed zijn dienst bewijst, zelfs in het Win7/8 tijdperk. De componentwaarden zijn wel geoptimaliseerd om zoveel mogelijk standaardwaarden van spoeltjes te kunnen gebruiken.
De filtergrafiek (ingangsfilter) is voor de R820T versie:
De rode lijn is de frequentie-doorlaatcurve. Elke verdeling is 5 MHz breed. Begin is 1 Hz en einde is 50 MHz.

De Low Pass ingangs-filter van 0 tot 30 MHz

Fig. 3 (klik voor groter exemplaar)

Er is gekozen voor een actieve mixer met een SA602A chip. Dit om 3 redenen: 1e omdat er toch al een voedingsspanning aanwezig is (via de USB doorvoer) voor het voeden van het kristalblokje. 2e omdat de SA602A een stuk goedkoper is dan bijvoorbeeld een SBL1 of IE500 of de moderne ADE-1 passieve mixer. En 3e omdat nu in principe ook een passief kristal kan gebruikt worden, direct in de oscillator kring van de SA602A chip.
Aan de uitgang van de SA602A hangt een optioneel Lowpass 7-polig Chebychef filter ter filtering van de mogelijke spiegelfrequenties onder de 50MHz. Dit filter is niet echt aangepast aan de 1500 ohm uitgang van de SA602A.
Maar in de praktijk gaf dit geen problemen omdat het filter over het hele frequentiebereik nooit 1500 Ohm in en 50 Ohm Out zal blijven. Bedenk ook dat de ingang van de stick eigenlijk 75 Ohm is. Van het uitgangsfilter heb ik geen hier grafiek afgebeeld.
Edit: ondertussen is ook dit opgelost en is er een filter met 1500 ohm in en 75 ohm out naar de R820T.
Op het einde van deze filter kan ook de VHF antenne aangesloten worden zodat men HF-VHF niet hoeft om te schakelen via een relais. De HF antenne dient dan best wel afgekoppeld te worden.
De USB doorvoer geeft een aantal voordelen. Er is een vermindering van de nodige kabels om het geheel aan te sluiten en men spaart een USB poort uit op de computer of Tablet.
De USB voeding heeft een extra afvlak condensator en een extra ontkoppel condensator. Dit kan een vermindering van storing en ruis geven op de gewoonlijk toch al slechte USB voeding van een computer of Tablet.

Kort na de USB doorvoer is een jumper geplaatst. Men kan hier 2 dingen mee doen: op de plaats van de jumper kan men de HF convertor extern voeden met een 5 Volt DC, of een voedings-schakelaar plaatsen. Zo kan je de HF convertor tijdelijk uitschakelen.

De kristal oscillator moet volgens het schema een actief type zijn dat 3,3 Volt nodig heeft. Kristal blokjes uit computers hebben meestal 5 Volt nodig. Houdt hier rekening mee. Alle typen van kristalblokjes passen op de print.
Op de uitgang van het kristal zit een verzwakker van 10dB, omdat anders het signaal uit het kristalblokje veel te hoog is om te mixen met de soms zwakke signalen in de HF band. Een 2de reden is de volgende: het kristalblokje produceert blokgolven, met mogelijk sterke harmonischen. De verzwakker verminderd deels de harmonischen en voorkomt oversturen van de SA602A.
De LED in de voeding op het printje is optioneel en heeft niet veel zin als de print in een gesloten kastje gebouwd wordt. Als je dat doet, is het aan te raden om het geheel in een metalen kastje (koper of blik) in te bouwen.

Het is een enorm gemak om het geheel aan te sluiten op maar één USB poort, die kan aangesloten blijven en men kan zowel HF als VHF/UHF ontvangen. Door de HF antenne tijdelijk los te koppelen, of de jumper weg te nemen, kan men ook alleen VHF/UHF ontvangen.

Tip: voor de eerste experimenten om iets op HF te ontvangen is een enkele geïsoleerde draad van 6 à 10m binnen of buiten al voldoende. Je kan ook je VHF antenne gebruiken, door de massa los te koppelen (RCA stekker maar half insteken). Zo wordt deze zwevend en zal zich als een losse draadantenne gaan gedragen.

De print :

Opgelet: deze beschrijving gaat over de zelf te maken oude print (zie de 3 foto's hieronder).

De print is dubbelzijdig (1 kant volledig massa) om voldoende afscherming te hebben. Maar het kan ook enkelzijdig, eventueel afgeplakt met wat koperfolie, of andere metaalfolie. Ik heb in de praktijk in eerdere versies echter geen instraal-problemen ondervonden.

Enkele componenten kunnen op de onderzijde (massa-zijde) staan, en dus zijn sommige gaatjes uitgefreesd om kortsluiting met de massa te voorkomen. Het opbouwen en plaatsen van de onderdelen is gemakkelijker als je begint met de kleinste en laagste onderdelen eerst en daarna de grotere onderdelen en dan de connectoren.
Voor de juiste C-waarden kun je er 2 op elkaar solderen. Voor spoeltjes moeten ze rechtstaan en tegen elkaar vanboven,en in serie. Dat gaat wat moeilijker.

Een kristal in SMD wordt op de voorzijde gemonteerd, een kristal blok wordt op de onderzijde gemonteerd, alsook de USB chassis-aansluiting.

Als alle componenten op het printje zitten, behalve de RCA-tulp ingangen, kan rond het printje een doosje van printplaat of blik gemaakt worden. Er moeten eerst enkele gaten gemaakt worden voor de RCA’s 6,2mm, de USB uitgang 13mm x 6mm, het USB kabeltje 3,2mm en de OUT uitgang 3mm. De print moet dan rondom en dubbelzijdig gesoldeerd worden aan het kastje.


Printontwerp - componentenopstelling	Het print masker	De afgewerkte print

Op de RCA connectoren worden de moer en springveer eerst opgedraaid en vastgezet en dan met de draadzijde direct door de gaten in de print gestoken en vast gesoldeerd. Doe dit voorzichtig en snel, want de inwendige plastiek kan een beetje smelten.
Een hulpmiddel kan zijn dat je al een losse RCA stekker in het chassis steekt, voor je gaat solderen.
De midden aansluitingen van de RCA stekkers worden met korte stukje draad op de print gesoldeerd.

De aansluiting OUT op het printje, gaat rechtstreeks met een kabeltje+stekker naar de IN van de dongle.

Opbouw en afwerking :

Om de USB poort te ontlasten (vooral op Tablet en Smartphone), is de convertor met een kort USB kabeltje met de computer USB-poort verbonden. Dit kabeltje is van bijvoorbeeld een oude USB muis, of in mijn geval van een GSM adapter kabeltje (zeer goedkoop te krijgen via Internet). Houdt er rekening mee dat je soms ook een Mini USB kabeltje nodig hebt in plaats van een normale type-A USB stekker op de Tablet.

De RTL stick zelf wordt dan in de USB poort op de HF convertor ingeplugd.

Om het geheel zeer compact te houden, worden als antenne ingangen RCA chassis gebruikt (op de oude print) en dit om volgende redenen. Op vele bestaande HF convertors en ook de RTL-sticks, vind je als ingang en uitgang bijvoorbeeld de kleine MCX of SMA chassis-connectoren terug. Maar daar zit je dan. De meesten van ons zullen deze MCX of SMA stekkers niet in huis hebben. Als je ze al kunt vinden of kopen, zijn ze bijna altijd met een draad aan gemonteerd. Je kunt ze praktisch niet zelf solderen, of je moet speciaal gereedschap hebben. Bovendien zijn deze MCX connectoren heel kwetsbaar en niet gemaakt om dikwijls te connecteren en los te maken. Dat moet dus anders kunnen. Een mogelijke oplossing is dus het gebruiken van goedkope RCA chassis connectoren (tulp stekkers).

De hier gebruikte RCA chassis zijn prima geschikt voor VHF/UHF en sommigen onder ons zullen nog weten dat deze ook op vroegere TV tuners terug te vinden waren. Ieder heeft hierna zelf de keuze om met verloop-stekertjes naar 75 Ohm of 50 Ohm kabel te gaan naar zijn antenne. De ingang van de RTL-Stick is altijd 75 Ohm (bij TV stick!).

Het staat u ook vrij om andere of duurdere ingangs-connectoren te gebruiken zoals BNC of de SMA.
Op de nieuwe print zitten al SMA connectoren. Dus het probleem van de converter-pluggen naar BNC blijft bestaan.

Bij de RTL of TV stick is altijd het kleine zwarte staaf-antennetje met magneetvoetje bij geleverd, met de juiste connector (MCX of PAL 75 ohm). Dit antennetje is meestal afgestemd op ongeveer 550 MHz. Niet veel mee te beginnen dus voor gebruik van onze RTL panorama ontvanger. Dit geeft ons de mogelijkheid om het stekkertje met de 75 ohm draad af te knippen op een lengte van zo’n 25 cm en dit aan te sluiten (solderen) op de uitgang van ons HF Convertor printje. Zie de foto’s onder. Zo vermijden we alvast de aansluit problemen van de HF convertor naar de RTL stick.

Om dit verhaal af te ronden wil ik opmerken dat er altijd wel verbeteringen mogelijk zullen zijn.van de SA602A.
Het staat iedereen vrij om deze uit te voeren of aan te passen.van de SA602A.
Het was hier enkel de bedoeling om een kleine, simpele en goedkope HF convertor voor te stellen, met onderdelen die vrij simpel te verkrijgen zijn.van de SA602A.
Dit ontwerp kan dan ook concurreren met andere commerciële ontwerpen.

Aansluitingen in de praktijk :


De R820T met MCX connector	De E4000 met PAL connector

Op de foto’s boven ziet u ook enkele nuttige verloop-connectoren om een antenne van 50 Ohm of 75 Ohm aan te kunnen sluiten. De zwarte RTL stick heeft hier een MCX naar PAL verloopstuk nodig.

Resultaten met de PC bij HF ontvangst :

Het mooiste programma om te gebruiken is HDSDR. Informeert u over de installatie hiervan.
Met een kleine HF antenne (VOB draad van 10m) zijn al vrij goede resultaten te halen.

In HDSDR Options/ RF Front-end + Calibration : SDR hardware on Down/Up-Converter aanvinken : stel de LO-frequency van uw kristal in op 50000000 in. Zo kan u zonder omrekenen direct de juiste frequentie aflezen van de afstemming.

U kan de zoom schuiver in HDSDR gebruiken : op HF zit alles veel dichter op elkaar. Anders is het veel te druk op het scherm om de signalen goed te zien .

De RTL Settings (ExtIO_RTL2832.DLL v2014.2 :

De Frequency Correction moet al goed staan van de testen die u zonder de HF Convertor gedaan hebt.

In de Sample-Rate , beperk de frequentieband tot ongeveer 1 MHz schermbreedte. Zet deze best 1.02 Msps.

De Tuner Gain zet u op ongeveer 43.4 dBm of op automatisch (Tuner AGC aanvinken).

Een voorbeeld van HF spectrum van 0 tot 1 MHz – vanaf de tijdzenders tot een gedeelte van de middengolf.
Het scherm kan echter beter uitvergroot worden met de "zoom-in schuiver" van 0 tot +/- 500 kHz.
De afstemming staat hier op AM zender RTBF op 621 kHz. Ook DCF-77 kHz is hier nog op te zien aan het begin van de schaal, 3de streepje.

Voorbeeld van de amateurband op 80meter ( is 's avonds veel beter) :
De cursor staat hier op een LSB phonie uitzending.

Het Android verhaal :

Onderzoek leert ons dat er voor Android toestellen nog niet zo veel beschikbaar is om een losse "generic" DVB-T stick te gebruiken als RTL-stick op een OTG USB poort van een Android toestel. Het enige mij bekende programma of "App" was Android Touch, te vinden op Google Play. Er is een testversie, met een paar beperkingen, waarmee je kan starten. Ook heb je als 2de App, de RTL 2832U driver nodig om de RTL chip aan te sturen.

Edit: Ondertussen is er ook al " RF Analyser " , waar ik ook aan medegewerkt heb. Niet exact hetzelfde als SDR Touch, maar wel een goede vervanger.
Al bij al werken de programma's vrij behoorlijk en je kan er prima stereo FM mee beluisteren en nog andere services, maar je voelt wel dat de andere modes als NFM, USB en AM nog wat door-ontwikkeld moeten worden. Om op HF te kunnen ontvangen is het zelfs mogelijk om een offset-frequentie in te stellen, zodat je met een HF convertor onder de 50 MHz kan luisteren. Mijn ervaring is echter dat je een keigoede HF antenne moet hebben, anders is de aanwezigheid van bijgeluiden en valse signalen enorm.
Een nadeel bij Android Touch is ook dat je maar met een venster van 1 MHz breed kan kijken.
Al bij al is het toch interessant om hiermee eens te experimenteren en uit te kijken naar mogelijke verbeteringen.

Resultaten met Android :

Onderstaande: de cursor staat op Radio2 in stereo FM.
Achteraan is een Slim-Jim antenne voor 70cm te zien, gemonteerd op het oorspronkelijk bijgeleverde magneetvoetje.

Radio 2