#rtl2832u

TELIVE - Decodificação Tetra Saiba como xeretar comunicações de serviços oficiais, como Policias Civil, Militar, Federal, Ministério da Defesa, Metrô, etc.

Os tranceivers de Rádio Definido por Software (SDR) tornaram-se populares, e eu tenho a preferência pelo que se pode fazer com eles usando o Linux.

Este post é um tutorial de instalação dos componentes para decodificação TETRA usando o Gnuradio no Ubuntu 19.04 como plataforma e um RTL2832u que custa algo em torno de R$100,00.

Não entrarei em detalhes sobre o Gnuradio, pois a instalação é simples…

RTL 2832u... Nein das ist kein neuer Sender!

RTLSDR-Scannerと自作のノイズソースを使ってフィルタの特性を観察してみました。

ノイズソースとは広い帯域に渉ってフラットなスペクトラムを生成する信号源です。これをフィルタなどの測定対象に通し、そこから出てくる信号を観察すると、そのスペクトラムはフィルタの周波数特性を反映しています。このようにノイズソースとRTLドングルのような広帯域な受信機があれば、フィルタの特性を観察することが可能となります。

最近作っているものをご紹介します。

まずはコンバータを統合したRTL-SDR受信機です。これまでHFCONVとしてドングルにアドオンする形でコンバータを提供していました。キットということもあり、サイズにはかなり余裕がありました。

ドングルそのものも小型ですので、コンバータと同じ一つの小さな基板にまとめてしまったら、超小型の名に恥じない受信機ができあがるはずです。

ドングルはその価格を考慮すれば十分すぎるほど実用になりますが、いくつか不満な点があります。

水晶の精度と安定性が劣る

ダイレクトサンプリングの信号が引き出しにくい

チップ内の1.2V生成用のスイッチングレギュレータからMF/HF帯にノイズが入る

これらの点を改善できないかとも考えていました。

TCXOを搭載可能とする。クロック外部供給を考慮する

実験用にいくつかの端子を引き出しておく

リニアレギュレータを使用する(ただし発熱は倍増するはず)

というわけでレイアウトしてみたところ、無事HFCONVと同じサイズの基板にレイアウトすることができました。ケースはタカチのMX2-6-5に入れることができます。

今回、コンバータ部分の切り替えはリレーではなくGaAs RF Switchを使ってみました。また、コンバータの切り替えはRTL2832Uに搭載されているGPIOポートで行うようにしました。そうすることですべてをUSBから制御することができ、大変スマートにできます。

RTL2832UのチップはVQFNという0.4mmピッチのパッケージです。これまで0.5mmまではやっていましたが、0.4mmは初めてです。基板がうまく製造できるか、またハンダ付けも懸念でしたが、無事成功しました。QFPよりQFN(MLP)のほうがハンダ付けが容易というのは本当でした。

最近顕微鏡を導入したのですが、ハンダ付けのチェックが格段に容易になりました。もう顕微鏡は手放せません。

というわけで出来上がった基板です。

この最初の試作では部品はドングルを分解してその部品をそのまま流用して作成しました。ドングルからSMD部品を取り外すにはホットエアソルダーを使っています。

下のエッジにある左のLEDは電源、右のLEDはコンバータの状態を示しています。コネクタはUSB Aではなく、USB mini-Bにしています。

軽く動作試験をしたところ受信機としては無事に動作しました。また、コンバータの切り替え制御をUSBからソフトウェアで行う実験はうまくいっています。ただ、切り替えを行うためには、librtlsdrというライブラリを改造する必要があります。実際に供用するためには、各種SDRソフトウェアに組み込む必要がありますが、このあたりをどうするか悩ましいところです。

懸念の発熱ですが、それなりに発生します。アルミケースに収納することで、基板のエッジからケースに放熱されるよう一応配慮しましたので許容範囲かなと思います。先日初めて(!!)ケースを買ってきたので、仮に入れてみました。

以上、一応動くところまで確認して、ちょっと作業が止まっています。

最初の試作ですので案の定いくつかミスがありました。RF Switch廻りはバイアスについて配慮を失念していたので、DCカットのコンデンサを追加で挿入したため、ちょっとみっともないことになっています。いくつもコンデンサが必要なのは、上のほうのUHFのバンドに悪影響がありそうで、このあたりはちょっと考え直したいところです。マイナスバイアスのRF Switchを使うとコンデンサ無しで直結可能なのですが手頃な品種が見当たらず、、、リレーに戻すことも考えています。

時間ができたら作業再開したいと思います。

ちなみに来週末11/23-24は東京ビッグサイトで開催されるMaker Faire Tokyo 2014に出展します。去年と同様で、SDRやRFがメインの出展内容ではないのですが、ブースの隅には最近作っているものも置いておきますので、もし機会があればご覧ください。場所は26-03です。隣には札幌SDR研究会も出展しています。

librtlsdr。RTLドングルを利用可能なSDRソフトウェアの多くはこのライブラリを使用しています。 http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/rtl-sdr

CQ出版社の雑誌RFワールドはLabVIEWとUSRPによるSDRの特集でした。LabVIEWの名はよく耳にし、展示会等でも見かけていましたが使ったことはありませんでした。今回特別評価版ということでダウンロードサービスが提供されていますので試してみることにしました。

本来ならUSRPのハードウェアがあればもっと色々試せるのでしょうけれども、今回の特集ではハードウェア無しでも試せるように、サンプルデータが添付されていたり、疑似的に無線パスのエミュレーションするよう構成されています。ですので、ソフトウェアのみでも一通り試せるよう工夫されているのですが、ちょっと残念でもありますので、少し調べてみたところLabVIEWとRTLドングルを組み合わせて受信機を構成している実例がありましたのでこれもあわせて紹介します。

LabVIEWを実行するにはWindows環境が必要ですが、残念ながら手元にはPCがありません。そのため今回はVMwareで試してみることにします。LabVIEWは現在ではWindows専用のソフトウェアですが、実は80年代当初にはMac OSで開発されていたことを記事を読んで知りました。このへんの事情はExcelと似ているようですね。

さっそくRFワールド誌のサイトからファイルをダウンロードします。その際に若干のフォームへの記入が必要なようです(^^;。

RFワールドのサイトでフォームを記入すると、National Instrumentsのサイトに移動し、またそこでもフォームの記入を求められます(^^;。NIからダウンロードするファイルは、本体のダウンローダに加えて、追加するツールキットとサンプルなどです。このサンプルには、3章、4章のサンプルが含まれています。ダウンローダを実行すると追加でさらに1.5Gほどをダウンロードします。トータルで3GB程度になります。

LabVIEWインストーラのダウンローダ (154k + 1.4G)

NI_LabVIEW_Modulation_Toolkit (667M)

NI_Spectral_Measurements_Toolkit (950M)

SampleVI.zip (15M)

RFワールドのサイトからダウンロードしておくファイルがもう一つあります。5章、6章のサンプルと図表が入ったzipファイルです。ここでもフォームの記入が必要です(^^;。

RFW27A.zip (5M)

インストールの手順は、念のため記事を参照したほうが良いと思います。インストールの最後には再起動が要求されます。またLabVIEWのインストール後には、OSの起動時に自動でLabVIEWのアップデートの確認を行うようになります(^^;。いろいろとインストールされてしまうようですので、どうもLabVIEWは専用のPCを用意して使うことが想定されているような気がします。

さて、準備が整ったら起動してみます。ライセンスの確認画面が表示されたのち、こんな画面が現れます。ライセンスは当初7日間有効で、延長には登録が必要とのことです(^^;。

サンプルのフォルダを開いて、まずは3章FM復調のサンプルを開いてみます。llbという拡張子のファイルを開きます。

そうすると、こんなウィンドウが現れます。いくつか選択肢がありますが、まずは動かしてみたいのでPlaybackRecordedFMRadioMT.viをダブルクリックします。

そうすると部品が並んだウィンドウが現れます。さっそく実行してみたいところですが、動作させるためにはIQデータファイルを読み込ませる必要があります。パスの欄に、同フォルダにあったFMRadioIQData200k_Short.binファイルを指定します。そして上の矢印ボタンを押して実行します。そうすると波形とスペクトラムが画面に表示され、ファイルに記録されていたFM変調されていた音楽が聞こえてきます。無事動作しました。最初パスを指定しないとうんともすんともいわず、エラーも表示されません(^^;。最初はあれ？と思いました。それから、聞こえてくる音声ですが、VMwareを使用している関係上スムーズに再生されません。これはあくまでVMwareが原因です。

Ctrl-Eを入力(またはメニューからウィンドウ＞ブロックダイアグラムを表示を選択)すると、中身の構成が表示されます。いろんな部品が接続されていますが、思ったよりも細かな要素がたくさん必要なようです。

続いて、4章のサンプルも試してみます。同様にファイルを開くと、こんなフロントパネルが現れます。こちらのサンプルは、テキストデータを送るというものです。適当にHelloWorldと入力してみると、それが変調波になり、途中ノイズ等の影響を受け、復調処理を行いテキストに戻る動作が実現されています。スペクトラムとコンステレーションも表示されています。

これの中身です。なんとなくはわかりますが、一見しただけでは細かい部品の存在理由がすぐには判断つきません。このダイアグラムを編集操作できるようになるまでには特に語彙を習得するのに慣れが必要そうです。

同様に5章のQAMのサンプルです。同様にテキストを、変調、外乱、復調してデコードしているようです。

6章はOFDMの例です。スペクトラムが角張っているのがOFDMらしいです。

記事では、未完成のものを完成させる手順も解説されています。記事でも言及されていますが、理論だけでは動く物は作れないので、このような実例があることで良い入り口になるのではないでしょうか。

さて、USRPがあれば実際の実験も可能なはずですが、残念ながら手近にはありません。既に皆さんがお持ちであるはずのRTLドングルを使った方法を探してみたところ、SDRLabというLabVIEWでの実装例がありました。これはlibrtlsdrのrtl_tcpを使い、TCP接続を介してドングルからデータを受け取り、後の復調処理をLabVIEWで行っています。

さっそくダウンロードして試してみます。まずはドングルを接続したホストでrtl_tcpを動作させておきます。LinuxでもWindowsでもかまいませんが、私はMacを使いました。別のホストから接続可能なように、待ち受けアドレスとしてINADDR_ANY(0.0.0.0)を指定しておきます。

$ rtl_tcp -a 0.0.0.0 Found 1 device(s). Found Rafael Micro R820T tuner Using Generic RTL2832U Tuned to 100000000 Hz. listening... Use the device argument 'rtl_tcp=0.0.0.0:1234' in OsmoSDR (gr-osmosdr) source to receive samples in GRC and control rtl_tcp parameters (frequency, gain, ...).

ダウンロードしてきた sdrlab-rtl_tcp-interface-v0.1.zip を展開し、sdrlab.lvprojをLabVIEWで開きます。プロジェクトの中の sdrlab.lvlpsを開くと下のウィンドウが表示されます。rtl_tcpが動いているホストのIPアドレスを指定する必要があります。周波数を指定するフィールドがあるので、ここに適当にFM放送の周波数を入れ開始ボタンを押します。

ところがここでエラーが発生してしまいました。なぜかtask idという部品の接続がうまくいっていないようです。あれこれやってみると、ダイアグラムの画面でtask idをクリックしての選択し直しを２箇所すると正常に実行できるようになりました。バージョンに差異があったのかもしれません。

Playボタンを押すと若干遅れて復調されたFM放送の音声が聞こえてきます。バッファが大きいようで若干遅延が大きいです。各段階でバッファに蓄積されているかが表示されるのが特徴的です。

中身はちょっと複雑です。rtl_tcpとのTCP接続もダイアグラムで実装しています。

チューニングの操作性など実用的とはちょっと言いにくいですが、SDR受信ソフトウェアをLabVIEWで構成する試みとしては、まとまった形になっていると思います。このプロジェクトはBSDライセンスで公開されています。下のリファレンスにあるサイトからダウンロードすることができます。

以上、RFワールド誌特別版LabVIEWを試してみましたが、簡単ではないテーマですので、記事の内容やサンプルには苦労が伺い知れます。初めて使ってみてツールの雰囲気をつかむことはできました。グラフィカルな環境とはいえ、なかなか「誰でも使える」というわけにはなかなかいかないと思いますが、大学や研究機関などで既に利用できる環境やコード資産があったり、ソリューションやサポートが必要なのであれば良い環境なのだと思います。それから、LabVIEWは、FPGAで実装されたSDR受信機のプログラミングも可能と聞いたことがありますが、このあたりの状況についても伺い知りたかったところです。

リファレンス

CQ出版社RFワールド No27特集ダウンロード・サービス http://www.rf-world.com/x/RFW27DLS/USRP/RFW27USRP.htm

ADS-Bの続きです。以前よりADS-Bの受信系の改善を目的として、SAWフィルタとプリアンプのための基板を用意していました。遅ばせながら先日ようやく製作しました。

SAWフィルタは50Ωがそのまま直結できて、とても安直に使えます。ただしハンダ付けは少々しにくいです。アンプもいつも使っている手持ちのゲインブロックで24dB程度のゲインがあります。LNAにするにはもうすこしNFが良好であってほしいところですが、とりあえずこれでいきます。こちらはSC-70という0.65mmピッチなので外形が小さく、少々ハンダ付けしにくいです。あとは3.3Vの電源レギュレータを付けてできあがりです。4-12Vくらいを供給して使います。特性は後日提示したいと思いますが、トータルでゲインは+22dBくらい。バンド幅は意外と広く40MHzくらいありました。

さっそく実地で試してみます。アンテナはまだちゃんと作っていないので、RTLドングルに付属のものです。屋根の上にPC(MBA)を持って上がって試しました。プリアンプの電源はUSBから取っています。

受信実験ですが、プリアンプ無しの状態だと、津軽海峡あたりが限界でした。直線距離にして200km強くらい。

プリアンプを挿入すると、もう少し伸びて日本海は青森県深浦町沖あたりまで受信することができました。270km強くらいに伸びました。

ちょっとの観察ですが効果はあるようです。

一応プリアンプが使えることがわかったので、屋外設置の準備をすることにしました。配線ですが、同軸ではなくUSBケーブルを屋根から屋内に引き入れることにしました。これなら安価で済みますし損失もありません。すなわちドングルを屋外設置することになります。ちょっと長めのケーブルを500円強で買ってきました。

防水ケースとして、3個で100円のタッパーを使います。これにドングルとプリアンプを入れます。ケースは耐候性には欠けると思いますが実験なので気にしません。

タッパーにケーブルを通す穴を空け、ハードディスクから取り出したネオジム磁石を入れてホットボンドで固定しておきます。自宅外壁がガルバリウム鋼板なので磁石でケースを固定できてとても便利です。

ケースにドングルとプリアンプを納めます。プリアンプの電源は、ドングルの基板からUSBの5Vを直接取り出しました。本当は3.3Vを取り出す方が安全なのですが、プリアンプ基板にレギュレータを入れてしまったのでやむを得ません。それから、ケーブルとケースに隙間があるので防水処理のため自己融着テープを用意しています。

組み上がったら一度テストします。うまく動いているようです。

こんな感じに設置しました。直射日光を少しでも避けようと方角は北側にしました。アンテナはマグネットベースでトタン屋根に貼付けるだけです。プリアンプとドングルのケースは軒下の引っ込んだ位置に、これもマグネットで貼付けます。ケースに防水はしていますが、雨滴が内部に入らないよう、ケーブルを丸めて固定し、開口部は下向きにしておきます。

ケーブルは、窓枠に挟んで屋内に引き込みます。この状態でちゃんと鍵もかかります。これで屋内からいつでもADS-B受信の実験ができるようになりました。

プリアンプについては、いくつか改善したい点はありますが、とりあえずβ版として若干数をキット頒布しようと考えています(7個予定)。用意ができたらアナウンスしたいと思います。なるべくWebでレポートしていただける方を優先したいと思います。ご希望等、コメント等をお寄せください。

HFコンバータは昨年の頒布開始以来ずっとキットの形で供給してきました。これは部品調達の都合と表面実装の経験をしてみていただきたいという心づもりでした。幸い多くの方に興味を持っていただき、皆さん完成に至っているようです。ところが、ご興味を持っていただいた中には、キットの部品が小さく細かいために視力や工具の都合で挑戦を躊躇われたり、残念ながら完成/完動に至らない方もいらっしゃいました。完成品を提供することは、長く懸案だったのですが、この度さまざまなご協力を得ることができ、販売開始の運びとなりました。

下の写真が完成品のコンバータSC-HFCONV-100です。

製造と販売はシャフトコーポレーションさんが取り計らってくださっています。仕様は、コネクタ付き、リレー無しです。インジケータのLEDは青色で、ここがキットとは違うワンポイントになっています。

見かけではわからないこだわりは、基板の製造とアセンブリを日本国内で行っていることです。東北地方の工場にお願いして製作しています。ちゃんとリフローで製造されているのでハンダの仕上げもとても綺麗です。

製造はプロの手によるものですが、設計に関してはキットがベースです。これまで多くの方にキットを試して評価いただいておりますので、性能等についての実績はあると考えていますが、あくまでベースがキットであることはご了解いただきたいと思います。もちろん最善の状態で製作したキットと同等の性能が出ていることは確認済です。

販売はこちらで行われています。是非チェックしてみてください。これまでキットには手が出せなかった方も是非ご検討ください。

リファレンス

amazonの販売ページ RTL-SDR対応HF UP CONVERTER （HFコンバーター）SC-HFCONV-100

販売開始のご案内 http://blog.livedoor.jp/bh5ea20tb/archives/4835263.html

前回センシングストリームズという作品が展示されていることについて書きましたが、これに触発されて以前から可能だろうと思いつつも手をつけていなかったことをやってみました。

それはブラウザでのスペクトル表示です。もちろん表示だけならブラウザで何でも可能ではあるのですが、Chromeを使うとRTLドングルの直接制御が可能であることがChrome Radio Receiver Extensionで示されています。JavaScriptにより信号処理を行うラジオ実装ですが、RTLドングルから直接サンプルデータを取得しています。この方法を使えばスペクトラム表示も、ドングルとブラウザだけで実現可能ななずです。しかも下手なツールキットを使うよりも多彩な表現が可能なはずです。簡単にthree.jsという3D表示のライブラリを使用したスペクトラムの３次元表示をやってみました。

残念ながらこの拡張機能はURLを開くだけで動作させることはできず、ExtensionとしてChromeにロードさせる必要があります。Chromeさえ動作すれば任意のプラットフォームで動作するはずですが、Mac OSX 10.9でのみ確認しています。ソースコードからロードする手順を示します。

まずはgithubに上げてあるソースコードを取得しておきます。依存しているサブモジュールjsfftを別途ロードするためにsubmodulesコマンドを使用しています。

$ git clone https://github.com/ttrftech/threejs-spectrum.git $ cd threejs-spectrum $ git submodule update --init

続いてChrome側の準備です。Chromeのメニューから、もしくはPreferencesを開いて左にあるExtensionをクリック、またはURLバーにchrome:extensionと入力して、Extensionsのパネルを開きます。上にあるDeveloper modeのチェックボックスをオンにします。そうするといくつかのボタンが有効になります。

Load Unpack Extensionというボタンをクリックします。そうするとファイルダイアログが現れますので、先ほどダウンロードしてきたthreejs-spectrumというフォルダを指定してOKを押します。

ロードが成功するとExtensionのリストに下記の項目が追加されます。

ハードウェアの準備として、USBポートにRTLドングルを差しておきます。アンテナは適宜接続します。

Launchというリンクをクリックすると起動してウィンドウが表示されます。Chrome App Launcherが動作していれば、同じアイコンが表示されているので、それをクリックしても起動します。

上にあるStartボタンを押すと動作開始します。うまく行けばこんな具合にスペクトラムが3次元表示になるはずです。これは82.5MHzのFM放送(FM NORTHWAVE)です。

左右が周波数軸で-1MHz ~ +1MHzの2.048MHz。奥行きは時間軸で10秒分程度を表示しています。上下が強度で、単位は付けられませんがとりあえずリニア表示で、その高さに応じて色分けしています。

マウスドラッグで表示角度を変えることができます。時折スペクトラムが細るのは無音部分が混じるからです。この形から放送がDJによる喋りの部分であることが予想できます。音楽の部分だともっと派手に広がります。細った部分が3本に見えるのは中央のキャリアと、ステレオのパイロットトーン(19kHz)が左右に出るからです。

ボタンの横にあるテキストエリアが周波数設定欄です。マウス操作のイベントをすべて視点変更(TrackballControl)が奪ってしまっている関係で、マウスクリックでフォーカス移動できない(原因追及していない)のですが、Tabキーを数度叩くと数値を入力可能です。単位はMHzです。

145MHzに合わせてみました。アマチュア無線の交信がいくつか行われているのが見えます。NBFMなのでスペクトラムが細いです。また交信は半二重なので、時折途切れて、キャリアの強度が変わるのが判ります。

120MHzの航空無線のある周波数帯です。

ADS-Bの1090MHzです。ちょっと画面ではわかりにくいですが、中央のDCオフセットによる直線の左に2回パルスが出ているのが見えます。それなりの速度で変調を受けているのでスペクトルが広がっていますが、時間は一瞬です。

アンテナの接続を変えてアップコンバータを経由にしてみました。中波のAM放送1MHzの付近です。リニア表示なので強調されてしまうこともありますが、強烈な信号が並びます。間にも沢山見えますが、遠距離の放送局の他、一部は混変調だろうと思われます。

21MHzのアマチュア無線です。

角度を変えながら眺めていると、ノイズフロアの海面が一面に広がっていて、そこに立つ波が情報を運んでくるようにも見えます。

新しめのスペクトラムアナライザ機種ではこのようなスペクトラムの立体表示されているのを見たことがあります。SDR受信ソフトウェアでもスペクトラムやウォーターフォール表示がありますので、もちろん情報量的には違いは無いのですが、ぐるぐる回して立体的に表示するとちょっと違った感じ飽きず眺めることができます。

もしトラブルが起きた場合には、Exntensionのbackgroundまたはspectrum.htmlというリンクをクリックすると、JavaScript Consoleでエラーメッセージが出ていないかどうかを確認することができます。

ちょっとやっつけで試してみただけですが、JavaScriptは意外とパワフルです。DSP処理の枠組みはまだまだ整っているとは言えませんが、こんなことがブラウザで可能なんだという一例としてご紹介しました。

動画(パーティクル表示バージョン)

リファレンス

今回のソース on github https://github.com/ttrftech/threejs-spectrum

Chrome Radio Receiver Extension https://chrome.google.com/webstore/detail/radio-receiver/miieomcelenidlleokajkghmifldohpo

jsfft JavaScriptによるFFTライブラリ https://github.com/dntj/jsfft

three.js 3Dライブラリ http://threejs.org/

追記

追試いただきました。ありがとうございます。

. @edy555 さんの、three.jsとRTL-SDRによるスペクトラム表示をやってみました。アンテナがしょぼいので弱いFM放送波1つだけですが。 pic.twitter.com/Tk1iQSkxD9

— Taka (@sdrfun)

2014, 7月 26

また、コメントでご指摘いただきましたが、linuxのChromeでは--enable-webgl --ignore-gpu-blacklistというオプションを付けないとWebGLが動作しないそうです。ご留意ください。