QSD receiver 137 kHz

Les "L F" ( the Low Frequency )

Ah ! les LF , quel plaisir de faire de la vraie radio !..... Je suis tombé dedans par accident , mais je le jure , je ne le regrette pas ! J' y ai trouvé des OM's qui pensent : que pour faire de la radio , il y a bien d' autres moyens que de faire un chèque ! Il est vrai que cette bande est "marginale" et que ça n'intéresse pas les

commerçants ! L'esprit qui règne au sein de cette mini communauté est du plus pur style "RADIO" et là je me retrouve pleinement ! Quel grand plaisir de pouvoir discuter de vraie technique avec des vrais techniciens ( ce ne sont pas que des ingénieurs ! souvent ce sont des "Bricoleurs de génie " avec un grand "B" ! mais pour qui la technique est une vraie religion ! )

Voici donc une description de ma station de réception LF :

QSD receiver sur 137 kHz

QSD c’est quoi ? : Quadrature Sample Detector ( voir le schéma pour le principe de fonctionement ) Ce détecteur a été inventé il y a seulement quelques années par un radioamateur américain, Dave Tayloe N7VE. Au début, il avait développé ce détecteur pour des applications amateurs, mais peu à peu cette nouvelle technologie connaît un grand essor, exemple le WiFi et bien d’autres , un autre avantage de ce détecteur est le fait que l’on peu inverser les signaux ( en d’autres termes : si vous entrez de la BF vous sortez de la HF et inversement ! ) mais là nous sortons du cadre de cet article .

le principe du détecteur de N7VE ( partie du brevet qu’il a déposé )

Comment ça marche ?

Grande question ! à la quelle je vais tenter de répondre , l’oscillateur local qui a une fréquence quatre fois plus grande que la fréquence à recevoir , est transformé par un compteur de Johnson en 2 x 2 signaux complémentés et déphasés de 90° ( quadrature ) qui actionnent quatre commutateurs analogiques , lesquels sont suivit par quatre condensateurs d’échantillonnage ( sample ) il ne reste qu’à recueillir aux bornes des condensateurs de phase opposée, en mode différentiel les signaux analogiques dont la fréquence est la différence en plus ou en moins entre l’oscillateur local /4 et le signal d’entrée ! ( detector ) simple non !!! Vous me direz : oui mais pourquoi deux signaux déphasés de 90° ? tout simplement pour filtrer la fréquence image , un simple phasing suffit . Il faut dire que ce concept ne fonctionne bien qu’en BF en général pas plus de 22 kHz , résumons : de la BF avec réjection de l’image non désirée c’est parfait pour faire du zéro IF ( conversion directe ) avec en plus de ça un mélange sans distorsions et de grande dynamique ! Il n’en fallait pas moins pour éveiller ma curiosité .

Et de cette technique, il naquit un projet !

En discutant avec des amis des LF , le sujet est venu sur les récepteurs 137 kHz , Michel F5WK m’a orienté vers cette technologie en me conseillant de lire la série d’articles de : Gerald Youngblood, AC5OG intitulés : A Software-Defined Radio for the Masses, Part 1 à 4 . Ce que j’ai fait ! et autour de ce concept les discutions avec Michel sont allées bon train ! pour aboutir finalement au projet que je vais décrire maintenant . L’idée de AC5OG a été de prendre le principe de Tayloe mais en le faisant précéder d’un transfo symétrique élévateur d’ impédance donc de tension , et de mettre 2 x 4 commutateurs analogiques pour faire passer la tension dans les condensateurs de façon différentielle . Le résultat est qu’ il en découle deux avantages : du gain dans le mélangeur ( oui et ce sans aucun élément actif, donc sans bruit rajouté ! ) le second est que du fait de la symétrie le mode commun est rejeté au maximum ! J’ai donc choisi ce principe pour mon projet de récepteur 137 kHz , la venue de nombreux soft radio et traitement numériques m’ont conforté dans ce choix . Le mélangeur OK mais derrière comment ça va suivre ? c’est la carte son d’un PC qui fait le reste ??? dubitatif j’étais ! alors je me suis livré à quelques manipes sur la carte son , voici les résultats . Ayant la chance de posséder un Générateur délivrant un signal parfaitement calibré en tension sur 50 ohms , je me suis lancé dans la mesure des performances de la carte son . Les impédances étant très différentes j’ai usé de l’artifice suivant : le géné est chargé par 50 ohms je recueille une tension connue aux bornes de la résistance que je rentre dans la carte son ( la grande impédance d’entrée de la carte ne modifie pas l’impédance de charge du géné , ou si peu ! ) la mesure a été menée à 1 kHz et à 10kHz ,les deux mesures sont identiques à 0.1 dB près ! pour afficher les résultats je me suis servi de l’outil formidable qu’est SpecLab de DL4YHF qui plus est , est freeware ! le Graphe fait apparaître quelques différences qui sont dues à l’atténuateur du géné , la linéarité est parfaite à 0.5 dB sur 100dB ( pour info j’ai refait le test sur d’autres cartes le résultat est identique ! ) Donc rien à dire sur cette mesure, la protection de l’autre canal ( diaphonie ) est également très bonne . Plus rien ne s’opposant au projet j’ai donc « chauffé le Weller » ! On voit sur schéma les options retenues, l’oscillateur est sur 12 MHz il est divisé par vingt cinq et rentre ensuite dans le compteur de Johnson qui lui divise par quatre , ce qui fait une conversion de 120 kHz à zéro IF , pour la bande qui nous intéresse ( 135 à138 kHz ) c’est les logiciels qui transposent le 15 à 18 kHz en 0 à 3 kHz le mélangeur est précédé d’un filtre à deux CO pour éviter sa surcharge par les stations de radio qui ne sont pas bien loin dans la bande ! devant le tout j’ai un préampli avec un MMIC ERA-5 qui a un gain de 20 dB un NF de 4 dB et un IP3 de +36dBm !…… l’antenne est un cadre de 4 m² qui lui est très sélectif ,voilà ! Un mot rapide sur l’I/Q ( Inphase/Quadrature ) les deux signaux BF déphasés de 90° entre dans la carte son par les canaux stéréo. Ils sont traités de façon logicielle afin de supprimer la bande indésirable et de ce fait pouvoir couvrir de 120 à 120+22 kHz et de 120 à 120-22 kHz ( ce qui permet de recevoir de 98 à 142 kHz ! pas mal non !!! ) dans mon cas cette configuration n’est pas retenue puisque le récepteur est dédié au 137 kHz .

Le concept oui ok, mais les résultats !

Du calme on y arrive , c’est largement mieux que tout ce que j’ai connu jusqu’ici . C’est dû en grande partie à la qualité du mélangeur, il y a une très grande finesse d’écoute ( pas de cochonneries qui traînent ! entre les signaux on entend le bruit de la bande ! pas un truc diffus inqualifiable ! ) pour la sensibilité c’est très correct , sur une antenne filaire de grande dimensions pas besoin de préampli par contre sur un cadre il vaut mieux en prévoir un . A ce jour je n’ai pas fait de mesures absolues mais le plancher de bruit du récepteur est largement inférieur au bruit de l’antenne même le jour ! Il faut ajouter que ce récepteur est un véritable outil de mesure, la linéarité de l’amplitude relative est digne des meilleurs appareils ( c’est dû au mélangeur associé à la carte son qui font cette dynamique d’au moins 100 dB ) un autre point ( et pas des moindre ) pas un soupçon de transmodulation j’ai même enlevé le réjecteur que j’avais auparavant sur France inter ( j’ai 1,5 V sur l’antenne filaire de 162 kHz ! ) Allouis n’ est pas très loin !!! Maintenant quelques images commentées .

Spectre de la bande entre 98 et 142 kHz ( à gauche cadre apériodique , à droite cadre accordé )

Cette capture a été faite de jour , la nuit il y a plus de choses !

Les signaux BF I et Q déphasés de 90 °

Le Schéma original

QSD , les mesures :

J’ai enfin récupéré mon géné HF qui était en étalonnage à la suite de la réparation ( après les mesures que j’avais faites sur les cartes son j’avais voulu faire une mesure de ma réception 137 kHz , mais l’ étage de sortie du géné n’a pas aimé le +12 V qui se promène sur la prise d’antenne pour alimenter le préampli du cadre !!!! ) Donc de nouveau j’ai un géné digne de ce non . Cet après midi le temps n’incitant à la sortie , je me suis lancé à faire une série de mesures sur le QSD en voici le résumé :

Linéarité du mélangeur du QSD , le géné est raccordé au QSD ,la fréquence est de 137700 kHz la sortie est réduite de 10 en 10 dB ( voir l’image suivante ) les variations de + ou - 1 db sont dues à l’atténuateur du géné , on peu dire que le QSD est à parfait à + ou - 0,2 dB .

Le QSD plus un PC ça fait un super appareil de mesure ! ne croyez-vous pas ?

Gain de conversion du mélangeur en fonction de la fréquence de sortie, une source de bruit à niveau constant est connectée à l’antenne . Voir l’analyse spectrale ( faite avec SpecLab ) entre 2 et 18 kHz , en dessous de 2 kHz le mélangeur fait beaucoup de bruit ( rien n’est parfait ) ceci est dû en grande partie au bruit de phase de l’oscillateur local . Entre 2 et 17 kHz il faut compter une quinzaine de dB en moins au bout de la bande ( voir l’image suivante ) je pense que l’on peu y remédier en partie , mais pas en totalité ! Michel F5WK a fait des essais avec des capa d’échantillonnage plus faibles et il semble que ce soit plus plat , je ferai aussi ce genre d’ essais .

Sortie BF du QSD qui montre le gain de conversion en fonction de la fréquence

Mesure de la sensibilité absolue de la bête , le QSD et le pc sont sur batterie dans mon garage le signal du géné est acheminé par 3 longueurs de 10 m en coax 50 ohms , entre chaque longueur est intercalé un atténuateur de précision de 10 dB et un filtre de gaine à ferrite , l’ensemble a été validé avec l’analyseur de spectre ( 31 dB @ 137 kHz ) ce qui fait que le géné sortant au mini à –129 dBm on peu penser aller jusqu’à –160 dBm !!!!!! Les valeurs qui suivent , sont relevées sur ma config avec le préampli à MMIC en service . La sensibilité maximale pour une bande de 0,3 Hz ( cas du QRSS 3 ) est aux alentours de –147 dBm on s’aperçoit que l’on « titille » la dizaine de nanoVolt ! La même mesure a été menée pour une bande de 0,03 Hz ( QRSS 60/120 ) et là j’ai été obligé de mettre un atténuateur de 20 dB en plus !!!! on est aux alentours de -167 dBm aye ! aye ! on « titille » le nanoVolt …. Les conditions de mesure font qu’il faut être prudent sur ces valeurs ( je n’ai pas de cage de faraday ) j’ai tout de même pris un max de précautions , je pense donc ne pas être trop loin de la vérité ( les résultats en atteste ! )

QSD , Les évolutions après 8 mois de test :

Durant l' hiver de LF le QSD a subit un certain nombre de modifications , pour en améliorer les performances et en faire une bête de course ! ( il commence à bien marcher ..... )

Voici les parties qui ont été revues :

- Passe bas à l'entrée pour supprimer la FM captée par la boucle de couplage du cadre .

- Oscillateur local ramené à 128 kHz ( au lieu de 120 kHz ) pour descendre la FI à 9 kHz ( au lieu de 17 kHz )

- Réfection de l'ampli post échantillonnage et adjonction d'un passe haut à 6 kHz , suppression de la 2 ème voie (Q) . Le traitement I/Q par la carte son ne donnant pas les résultats escomptés ( trop de latence dans les voies de la carte stéréo )

- Amélioration du filtrage de la Fréquence image ( pour compenser la suppression de l' I/Q ) par un nouveau filtre de bande HF , changement du MMIC ( meilleur NF) .

Il suffit de regarder le schéma pour visualiser les diverses modifications , elles n'apportent pas de commentaires sauf peut-être le filtre de bande HF ! il est fait avec des selfs moulées de 2,2 mH ( Q >50 ) couplées de façon magnétique , on règle le couplage par éloignement/rapprochement ( voir la photo du module ) et le centrage en fréquence par les deux ajustables . Dans la version définitive le couplage est fait par une petite self dans le pied . Le facteur de forme est bien meilleur que celui du montage à 2 pots ferrite ( j'ai gagné 35 dB sur la F. image ) Pour faire les comparaisons et les tests j'utilise des modules à entrée/sortie 50 ohms sur "subclic" que je configure comme je le veux ! c'est le seul moyen que je connaisse pour faire des comparaisons et des tests valables .

Vue des moduls de test , le filtre de bande (à droite) le préampli à MMIC (à gauche)

Le schéma à jour au 25/09/2006

Maintenant que nous avons vu la réception , si on parlait de l'antenne !

J'ai fait nombres d'essais de cadres , voici la description du petit dernier :

L’antenne cadre K9AY

Il y a longtemps que j’en rêvais ! je l’ai faite ! la négociation avec XYL à été ardue !…. mais nous sommes parvenus à un accord . Cette antenne n' est opérationnelle que depuis quelques jours et les résultats sont à la hauteur de mes espérances . A cette époque de l’année les orages dans le Sud sont quasi journaliers , donc c’est parfait pour tester le rapport AV/AR , elle est orientée 300°/120° favorable pour le continent américain et le bassin méditerranéen , en ce moment les orages sont très virulents dans le sud-est , c’est le moment de tester le transatlantique ! Après deux nuit d’enregistrement voici les premiers résultats :

WD2XGJ en FN42hi (5536 km) sur ma K9AY

Le même moment chez Hartmut Wolf *

WD2XGJ Une autre nuit

Le même moment chez Hartmut Wolf *

Toujours WD2XGJ mais la nuit passée ici sur ma K9AY

Depuis ces enregistrements , les jours ont passé et je suis toujours très satisfait de cette antenne !

Je vais vous la décrire :

L'impulsion est partie en voyant une canne à pêche en promo dans une grande surface , 7 mètres en fibre de verre pour 20€ le grand bonheur ! J'avais lu de nombreux articles sur ce concept , j'ai donc modélisé avec "EZNEC" la K9AY . Je vous en livre les résultats à la page suivante .

Schéma électrique de l’antenne

Diagramme horizontal

Diagramme Vertical

Vue du rayonnement en 3D

La construction de cette antenne est très facile , le support de la canne en fibre de verre est un piquet de clôture en "T" galvanisé de 2 mètres ( magasins de jardinage ) il est enfoncé de 1 mètre et j'ai mis en haut du piquet , un bout de tube pour "planter" la canne . Sur le devant j'ai planté un piquet de terre qui tient le boîtier du coupleur ( voir photo ) les deux piquets sont réunis par un bout de câblette de 10² . Les isolateurs sont découpés dans une plaque de "polycarbonate" de 4 mm d'épaisseur , le fil est du 10/10 émaillé . Le transfo est bobiné sur un tore ferrite de récup d'une vieille alim de PC ( j'ai essayé plusieurs nuances de ferrite , c'est celle qui ma donné les meilleurs résultats @ 137 kHz ) . L'environnement de cette antenne est loin d'être idéal elle est placée 30cm devant la haie et derrière il y a un grillage qui se trouve à 1,5 mètre de l'antenne sur toute la longueur !

A la vue des résultats il semble que l'environnement n'affecte pas trop le fonctionnement du cadre , il est vrai qu' il est apériodique et n'est sensible qu'à la composante magnétique ( très intéressant pour luter contre les parasites des lignes MT ) autre avantage : il est bi directionnel par une simple commutation ( inter ou relais ) son rapport AV/AR est très utile pour limiter les bruits des orages lointains qui sévissent sur cette bande ! La résistance de charge est très importante et sa valeur conditionne le rapport AV/AR en fonction de la fréquence , du sol et de la prise de terre ! Pour ma part j'ai mis un potentiomètre , le réglage est fixe ! mais on peut le rendre réglable à distance en mettant une ou deux LED qui éclairent une photo-résistance .

Le coupleur de la K9AY Vue sur la canne à pêche et les isolateurs

Des captures transatlantiques avec cette antenne

( le haut du diagramme , centré sur 137773 est sans CAG et sans NB )

Sur 137,781kHz WD2XNS en QRSS60* et sur 137,779kHz WD2XES en DFCW60*

Par dessus mes captures , j'ai incrusté celles de Hartmut Wolf * ( en bleu ) alignées en temps .

On voit très bien les variations du signal , qui sont en opposition , nos QRA étant distant de plus de 800 km . Vous voyez que j'ai quelque peu des raisons d'être satisfait de cette antenne .

Voilà ce qui termine cette mise en bouche !..... Si des fois il vous venait l'idée de faire des Grandes Ondes , venez donc nous rejoindre ! sachez que vous serez le bienvenu . Vous pouvez aussi venir causer chiffons avec nous sur : http://fr.groups.yahoo.com/group/fr_LW_group/

73 qro Jean-Pierre f1afj

*Hatmut Wolf est notre maître es' LF , c'est au dire de tous : la plus fine oreille d'Europe !

*Le chiffre qui suit le mode , ex : 60 veut dire que le point dure 60 secondes !