Rádio amador via satélite usando sistema SDR

Abstract

Esta dissertação tem como objetivo implementar um sistema de transmissão e receção que tenha a capacidade de comunicar com o satélite Es’hail 2. O núcleo deste sistema é o ADALM-PLUTO da Analog Devices, que foi selecionado como o equipamento mais adequado após a análise de vários SDRs. Embora vários softwares tenham sido utilizados ao longo da dissertação como o MATLAB e o GNURadio, concluiu-se que o melhor software para comunicação via satélite e interação com outros utilizadores ao redor do mundo é o SDRConsole. Este software é amplamente utilizado na comunidade de radio amador devido às suas capacidades e interface gráfica amigável. Antes do sistema final ter sido implementado, realizaram-se alguns testes com o ADALM-PLUTO. Estes testes visavam estudar a evolução da potência à sua saída, transmissão e receção de sinais de áudio modulados em AM e SSB, assim como transmissão e receção de um sinal QPSK. O sistema foi inicialmente implementado substituindo o satélite por um misturador de rádio frequência a fim de garantir que o sistema funcionasse conforme o esperado. Quando é realizada a transmissão deste sistema, o sinal sai do ADALM-PLUTO a 2.4 GHz com potência máxima de 3 dBm que após passar pelo amplificador CN-0417 sofre 21 dB de amplificação. O sinal após ser filtrado é transmitido por uma antena com mais ou menos 23 dBm ou 200 mW devido às perdas existentes no filtro. O misturador, com antenas conectadas nos conectores IF e RF, recebe o sinal transmitido pelo sistema que após ser deslocado para 10.4 GHz por um sinal de referência de 8 GHz a 10 dBm no conector LO, é retransmitido. O LNB, alimentado com 14 V e um sinal de referência de 24 MHz a 0 dBm, recebe o sinal do misturador e desloca-o para 1.04 GHz. Finalmente, este sinal é atenuado e recebido pelo ADALM-PLUTO. O amplificador utilizado neste sistema necessita de ser alimentado por 5 V através de um cabo micro-USB e consome no máximo cerca de 500 mA. O LNB consome 101 mA. Com este sistema, foi viável transmitir e receber sinais de voz modulados em USB, com valores de SNR que variam entre 38 e 40 dB entre distâncias de 1 a 6 metros entre o sistema e o misturador. Não foi possível aumentar mais a distância devido a limitações de espaço no laboratório. Finalmente realizou-se as alterações necessárias para que o sistema tivesse a capacidade de receber sinais provenientes do download do satélite, assim como transmitir sinais no uplink. Em vez de serem implementados dois estágios de amplificação e usar o CN-0417 como pré-amplificador, decidiu-se usar um amplificador ZHL-30W-252-S+ da Mini-Circuits como único estágio. Este amplificador é alimentado por 28 V, consome no máximo 6.3 A e tem um ganho de 50 dB, mas a sua entrada não pode ter um sinal com mais de 0 dBm de potência. Um refletor de 60 cm foi usado em conjunto com o LNB e antena de transmissão para focar e amplificar os sinais recebidos e transmitidos. Para garantir uma transmissão de qualidade, foi essencial configurar o software de modo que na saída do amplificador de potência o sinal atingisse 10 W, sendo que, devido a perdas nos cabos, chega à antena com 3 W. Foi possível transmitir sinais USB para o satélite, e por sua vez recebe-los com um SNR de 26 dB.

This dissertation aims to implement a transmission and reception system that has the ability to communicate with the Es’hail 2 satellite. This system has as its core the ADALM-PLUTO from Analog Devices which, after having analyzed several SDRs, was chosen as the most suitable equipment for this purpose. Although several softwares are used throughout the dissertation, such as MATLAB and GNURadio, it was concluded that the best software for satellite communication and interaction with users worldwide is SDR Console. This software is widely used in the amateur radio community due to its capabilities and user-friendly graphical interface. Before the final system was implemented, some tests were carried out with ADALM-PLUTO, which aimed to study the evolution of the power at its output, transmission and reception of audio signals using AM and SSB modulation, as well as transmission and reception of a QPSK signal. The system was then implemented in a first phase by replacing the satellite with a RF mixer to be sure that the system worked as expected. Finally, the necessary changes were made so that it would have the ability to receive signals from the satellite, as well as transmit signals to it. When transmitting, the signal exits the ADALM-PLUTO at 2.4 GHz with a maximum power of 3 dBm and after passing through the CN-0417 amplifier, gets amplified by 21 dB. The signal after being filtered, is transmitted by an antenna with more or less 23 dBm or 200 mW due to the losses in the filter. The mixer with antennas connected to the IF and RF connectors, receives the signal transmitted by the system that after being shifted to 10.4 GHz by a 10 dBm reference signal at 8 GHz present at the LO connector, is retransmitted. The LNB, powered with 14 V and a reference signal of 24 MHz at 0 dBm, receives the signal from the mixer and shifts it to 1.04 GHz. Finally, this signal is attenuated and received by ADALM-PLUTO. The amplifier used in this system needs to be powered by 5 V through a micro-USB cable and consumes 500 mA of current at max. The LNB consumes 101 mA of current. With this system it was possible to transmit and receive SSB modulated voice signals with SNR values ranging between 40 and 48 dB for distances between 1 and 6 meters between the system and the mixer. It was not possible to increase the distance any further due to the dimensions of the laboratory. Finally, the necessary changes were made so that the system would have the ability to receive signals from the downlink of the satellite, as well as transmit signals in the uplink. Instead of implementing two amplification stages and using the CN-0417 as a preamplifier to drive a power amplifier, it was decided to use the ZHL-30W-252-S+ amplifier from Mini-Circuits as the single stage. This amplifier is powered by 28 V, consumes a maximum of 6.3 A and has 50 dB gain, but at it’s input can not have a signal with more than 0 dBm of power. A 60 cm reflector was used in conjunction with the LNB and transmitting antenna to focus and amplify the received and transmitted signals. To ensure a quality transmission, it was essential to configure the software so that, at the output of the power amplifier, the signal reached 10 W, with losses in the cables causing it to arrive at the antenna with 3 W. It was possible to transmit USB signals to the satellite and receive those same signals with a SNR value of 26 dB.