Prosty odbiornik nasłuchowy Es’Hail 2 QO-100 na bazie RTL SDR

Radioamatorstwo to nie tylko łączności realizowanie z wykorzystaniem anten znajdujących się w bliskim sąsiedztwie ziemi. Istnieje także możliwość amatorskiej komunikacji poprzez obiekt posadowiony wysoko nad naszymi głowami. Mowa tu o katarskim satelicie telekomunikacyjnym Es’Hail 2 zwanym także w świecie radioamatorskim jako OSCAR 100 lub QO-100. Wysoka częstotliwość, bardziej wyszukany sprzęt, możliwość podłubania i efektowny system antenowy to powody mojego zainteresowania tematem łączności realizowanych za pomocą tego geostacjonarnego satelity Ziemi. Jako, że temat dla mnie nowy postanowiłem – jak zawsze – rozpocząć od nasłuchów.

W czym rzecz?

Łączności satelitarne nie są niczym nowym. Masowe usługi telekomunikacyjne dostępne na bardzo dużych powierzchniach globu od dawna realizowane są właśnie technikami satelitarnymi. Duża odległość nadajnika od powierzchni Ziemi pozwala na emisję informacji, której odbiorcy mogą być rozproszeni na znacznych obszarach, w tym także na różnych kontynentach. Bezpośrednia dostępność do sygnału jest znakomicie ułatwiona ponieważ nadchodzi on wprost z nieba.

Satelitarne łączności amatorskie nie odbiegają od tych realizowanych w świecie profesjonalnym. Wiele obiektów podróżujących po orbicie Ziemi zawiera transpondery pozwalające na pracę przemiennikową w różnych zakresach częstotliwości. Wraz z uruchomieniem na orbicie telekomunikacyjnego satelity Es’hail 2 świat radioamatorski zyskał dostęp do możliwości realizacji hobby w pasmach 3/12.5[cm]. Dzięki staraniom niemieckiej odnogi AMSAT katarski satelita został doposażony w dwa dedykowane transpondery liniowe tworzące przestrzeń do eksperymentowania. Transponder wąskopasmowy przeznaczono do realizacji łączności głosowych i przesył danych, szerokopasmowy zarezerwowano na sygnały amatorskiej telewizji. Niewątpliwą zaletą QO-100 jest obszar jaki obejmuje wiązka jego promieniowania obejmując Europę, Afrykę i część Ameryki Południowej.

Wymiana informacji przez kosmiczny repeater odbywa się z wykorzystaniem dwóch pasm:

• X-band downlink 10[GHz] – pasmo 3[cm],
• S-band uplink 2.4[GHz] – pasmo 12.5[cm] (WiFi).

Do odbioru sygnałów docierających do Ziemi można wykorzystać łatwo osiągalne zestawy antenowe do odbioru telewizji satelitarnej. Nadawanie wymaga zbudowania dedykowanego rozwiązania, które pozostało na tym etapie poza zakresem moich zainteresowań.

W ramach transpondera o wąskim paśmie (500[kHz]) udostępniono możliwość pracy między innymi emisją SSB. Modulacja ta wydaje się bardzo ciekawa z punktu widzenia nasłuchu “na ucho” i pod tym kątem powstało prezentowane urządzenie odbiorcze.

Bandplan obwiązujący na transponderze zaprezentowany jest poniżej.

Elementy odbiornika

Po przeglądnięciu materiałów dostępnych w Internecie zgromadziłem elementy potrzebne do budowy odbiornika nasłuchowego w wersji ekonomicznej, pozwalającego na zapoznanie się ze sposobem odbioru sygnałów satelitarnych oraz kulturą pracy operatorów potrafiących już nadawać do QO-100.

Rozwiązanie bazuje na tanim odbiorniku SDR i przetwarzaniu odbieranego sygnału na komputerze. Takie rozwiązanie znakomicie obniża koszt toru odbiorczego i skraca czas do rozpoczęcia pierwszych nasłuchów radiowych.

Baza sprzętowa obejmuje następujące elementy:

• czasza satelitarna offsetowa >= 90[cm] – moja ma 1.2[m],
• konwerter LNB do odbioru sygnałów telewizji satelitarnej – użyłem LTC LXSAT401,
• dowolny odbiornik SDR (np. odbiornik DVB-T USB) – użyłem RTL SDR Blog v4,
• zasilacz 13VDC – użyłem zasilacza przemysłowego 13[V] + przetwornica podwyższająca,
• obwód bias tee umożliwiający zasilenie konwertera LNB po kablu sygnałowym,
• kabel satelitarny i USB.

Zasilanie konwertera

Do odbioru sygnałów satelitarnych nadawanych w pasmach X lub Ku powszechnie wykorzystuje się konwertery LNB spotykane masowo w ramach instalacji do odbioru telewizji satelitarnej. Moduły montowane w ognisku anteny satelitarnej odbierają mikrofalowe sygnały z zakresu 10-13[GHz] i konwertują je w dół do częstotliwości poniżej 2.5[GHz]. Sygnały o takich częstotliwościach łatwo transportuje się do odbiornika tanim kablem koncentrycznym o powszechnie spotykanej impedancji falowej 75[Ohm].

Jednak żeby taka konwersja mogła nastąpić elektroniczny układ miksera (wbudowany w konwerter) musi zostać zasilony. Do tego celu wykorzystuje się ten sam kabel koncentryczny, którym sygnał z anteny dociera do odbiornika. Podanie napięcia 13[V] zasila elektronikę i wybiera odbiór sygnałów w polaryzacji pionowej, zaś podanie napięcia 18[V] faworyzuje sygnały o polaryzacji poziomej.

O ile dedykowany odbiornik STB jest w stanie zasilić konwerter w odpowiedni sposób, o tyle we własnoręcznie budowanym rozwiązaniu (opartym o dobierane komponenty z półki) sprawę takiego zasilania należy rozwiązać samodzielnie.

Sposób wstrzykiwania zasilania w tor antenowy jest dość prosty i opiera się na włączeniu pomiędzy odbiornik, a konwerter tak zwanego obwodu bias tee . Umożliwia on podanie zasilania DC dostępnego tylko w kierunku do konwertera przy jednoczesnym umożliwieniu swobodnego przepływu sygnału RF, przez ten układ, w kierunku do odbiornika.

Obwód taki składa się w najprostszej wersji z jednej indukcyjności i jednej pojemności. Reaktancje tych elementów oraz sposób ich włączenia pozwala uzyskać zamierzony efekt.

W moim przypadku skorzystałem z gotowego i nieco bardziej rozbudowanego rozwiązania od PASSION RADIO jednak nie jest to krytyczne ponieważ samodzielne nawinięcie indukcyjności 200[nH] i użycie kondensatora 100[pF] umożliwi zbudowanie poprawnie działającego obwodu.

Ogólne założenia doboru elementów znajdują się na przykład na blogu SOTABEAMS. Temat obwodów bias tee w wersji profesjonalnej jest nieco bardziej skomplikowany. Zagadnienie w ciekawy sposób porusza kolega Alan W2AEW.

Dla odbioru sygnałów SSB z transpondera wąskopasmowego (NB), gdzie takie emisje są dozwolone, napięcie zasilające LNB powinno mieć wartość około 13[V]. Do wytworzenia potrzebnego zasilania użyłem popularnej przetwornicy podwyższającej DC/DC, która z dostępnego napięcia 5[V] (pobieranego z przemysłowego modułu zasilającego) generuje wymagane 13[V].

Sama przetwornica została zamontowana na dodatkowej płytce uniwersalnej tworząc moduł umożliwiający wybranie zworką napięcia wyjściowego 13[V] lub 18[V]. Zworka pozwala na bocznikowanie istniejącego w przetwornicy potencjometru przez dodatkowy o wartości 100[kOhm]. Dzięki temu po jego dołączeniu można korygować wypadkową wartość rezystancji jaką widzi obwód przetwornicy i w ten sposób wpływać na wartość tak wybieranego napięcia wyjściowego.

Napięcie 18[V] ustaliłem potencjometrem oryginalnym, zaś 12[V] ustala potencjometr dodatkowy.

Moduł ten wykonałem na wszelki wypadek, gdyby przyszło mi być w potrzebie zmiany czułości konwertera z polaryzacji pionowej na poziomą co ma znaczenie przy potencjalnych testach związanych z odbiorem amatorskiej telewizji cyfrowej DATV. OSCAR 100 posiada bowiem dodatkowy transponder amatorski o szerokości 8[MHz] przeznaczony do eksperymentowania z emisjami telewizyjnymi i jego antena nadawcza pracuje z polaryzacją poziomą.

Budowa odbiornika

Do budowy satelitarnego odbiornika nasłuchowego podszedłem zupełnie eksperymentalnie. Jako, że elementy pracujące blisko komputera są tylko trzy postanowiłem umieścić je na prototypowej płytce bezmiedziowej wyłącznie celem ich ustabilizowania. Odbiornik SDR został podłączony bezpośrednio z płytką bias tee (przy pomocy beczki SMA), a w ich sąsiedztwie pojawiła się przetwornica zasilająca, która została dołączona do płytki bias tee przy pomocy odcinków przewodów i złączy goldpin.. Całość została unieruchomiona przy pomocy winylowych opasek zaciskowych (trytów).

W kwestii odbiornika to właściwie tyle. Jego prostota wynika z faktu, że to odbiornik SDR, czyli front-end radiowy zamknięty w małej obudowie i reszta przetwarzania realizowana oprogramowaniem już po stronie komputera.

Strojenie anteny

Do wyznaczenia azymutu i elewacji dla wstępnego zorientowania czaszy anteny satelitarnej użyłem narzędzia proponowanego na stronie brytyjskiego klubu BATC. Używając kompasu oraz podziałki na uchwycie anteny wycelowałem gdzie trzeba.

Następnie korzystając z przenośnego urządzenia pomagającego przy satelitarnych pracach instalacyjnych (GTMEDIA V8 Finder 2) zacząłem poszukiwać sygnału satelity. Mając bezpośrednie podłączenie do konwertera mogłem skorzystać z dowolnego zakresu częstotliwości oraz polaryzacji sygnału (tym steruje urządzenie) uruchomiłem nasłuch sygnału transpondera na którym na pewno prowadzona jest emisja wideo.

Korzystając ze strony KingOfSat skonfigurowałem parametry dla mocno zaalokowanego transpondera 10.77[GHz], V, 27500. Wybrałem ten ponieważ nie mogłem skorzystać z emisji testowej dostępnej w paśmie radioamatorskim na częstotliwości 10.493[MHz] – urządzenie pomiarowe nie potrafi wstrajać się tak nisko (przynajmniej podczas konfiguracji z klawiatury). Spróbowałem więc szczęścia z transponderem komercyjnym.

Delikatne ruchy w poziomie i w pionie doprowadziły mnie do ustawienia, gdzie sygnał był największy jednak okazało się, że jego poziom był na tyle niski, że urządzenie nie potrafiło wykryć żadnej transmisji – co miałoby być potwierdzeniem poprawnego ustawienia talerza. Przyczyną tej sytuacji jest fakt, iż obszar Polski nie należy do miejsc, które są celem oświetlania ofertą z tego satelity.

Jako, że na pozycji orbitalnej 26[^o]E znajduje się jeszcze inny satelita postanowiłem nie szukać w ciemno i spróbować dostroić antenę do sygnałów jednego z transponderów satelity BADR 8. Z punktu widzenia anteny znajduje się on w tym samym miejscu co Es’hail 2, a jego wiązka promieniowania obejmuje zasięgiem Polskę. Oczekiwałem, że uzyskam odczyt sygnału o lepszej jakości. Zaprogramowałem jeden z transponderów (12226[MHz], H, 27500) niosących programy niekodowane i okazało się, że doskonale słyszę tego satelitę.

Przeprowadziłem korekcję pozycjonowania anteny oraz skrętu osi konwertera celem uzyskania najlepszych wskazań (CC, MER). Po przeskanowaniu transpondera i upewnieniu się, że wykryte kanały należą do oferty satelity BADR 8 uznałem poszukiwanie odpowiedniej orientacji czaszy satelitarnej za zakończone.

Na koniec przełączyłem się jeszcze raz na odczyty parametrów sygnału Es’hail 2 by sprawdzić czy cos się zmieniło. Odczyty pozostały bez zmian. Mimo braku możliwości bezpośredniego strojenia do OSCAR 100 antena została wypozycjonowana stając się gotową do pracy.

Nasłuchy

Jako, że w roli odbiornika wykorzystałem czwartą wersję odbiornika RTL SDR Blog musiałem dokonać stosownej podmiany sterownika w Windows korzystając z programy Zadig (procedura użycia na przykład TU).

Do nasłuchów użyłem programu SDR Console pracującego również pod Windows. Po jego skonfigurowaniu od razu byłem w stanie odbierać sygnały wąskopasmowego transpondera.

Wstrojenie się w obszary dedykowane emisji SSB przyniosło satysfakcję z budowy tego prostego odbiornika. Patrząc na relacje sygnał/szum z zadowoleniem potwierdziłem poprawność strojenia systemu antenowego. Następnie spędziłem sporo czasu kręcąc się po transponderze by przekonać się, że w paśmie mikrofalowym panuje wysoka kultura pracy i dyskusji – warto ponasłuchiwać.

Okazało, się, że aby wejść w świat nasłuchu łączności satelitarnych najtrudniejszym elementem może okazać się możliwość instalacji i wypozycjonowania anteny. Reszta, na tym etapie, jest prosta i tania. Gdy nie ma przeciwwskazań warto zainteresować się ta opcją choćby dla tego, by doświadczyć czegoś nowego i móc trochę pogrzebać przy samodzielnie budowanym sprzęcie.

Na koniec wspomnę, że w czasie pisania tego artykułu (środek słonecznego wiosennego dnia) patrząc na częstotliwości skrajnych emisji transpondera (a są to bikony o dobrze zdefiniowanych częstotliwościach) odbierane spektrum było przesunięte w górę o ponad 135[kHz]. Z pewnością jest to powiązane z brakiem temperaturowej stabilizacji częstotliwości konwertera. Biorąc pod uwagę fakt, iż odbiornik wyposażony jest w generator TCXO (z deklarowaną dokładnością 1PPM) i w czasie prób znajdował się wygrzany w mieszkaniu można przypuszczać że oscylator znajdujący się na płytce LNB pływa znacząco z emperaturą otoczenia. Najpewniej warto przeprowadzić dobową analizę częstotliwości wybranego bikona celem obserwacji wpływu pory dnia (temperatura) na pomiar emisji o znanej częstotliwości.

Miłego satelitowania!