Écouter l’ISS avec le Raspberry Pi 3 et la carte SoDeRa

Utilisation du Raspberry Pi 3, de la carte SoDeRa et du logiciel SDR pour recevoir les signaux de l'ISS

Le Raspberry Pi 3 améliore encore ses performances. Cette amélioration sera une fois de plus appréciée par les utilisateurs d’applications de calculs intensifs, telles que les applications multimédias exigeantes, la vision informatique et la radio logicielle (SDR).

À la sortie du Pi 2 en février de l'année dernière, j'avais décidé de l'essayer  avec GNU Radio, à l'aide de l’application SDR gr-air-modes et d'un modeste tuner DVB-T USB, pour recevoir et décoder les transmissions aériennes en mode S. Ce qu'il a fait de façon admirable, je dois l'admettre.

Mais cette fois, j'ai voulu littéralement viser un peu plus haut et voir si je pouvais capter des transmissions provenant de l’ISS, la Station spatiale internationale. Ayant la chance d'avoir accès non seulement au Pi 3, mais également à du matériel SDR hautes performances dernier cri, la carte SoDeRa, associer l'un et l'autre me semblait évident pour accomplir la tâche qui m'attendait.

Dans ce premier article, nous passerons en revue le Raspberry Pi 3, la carte SoDeRa et la configuration matérielle générale, avant de réfléchir à la réception proprement dite des signaux provenant de l'ISS. Puis, dans un prochain article, nous examinerons la configuration logicielle et, enfin, nous mettrons le système sur le banc d'essai.

Plus de bits !

La caractéristique originale du SoC Broadcom BCM2837 du Pi 3 est sa construction autour de l’architecture ARM Cortex-A53, ce qui signifie qu’il est doté de cœurs de processeur ARMv8-A 64 bits. Dans ce cas, quatre cœurs cadencés à 1,2 GHz. Ce qui, même si votre application ne profitera pas du passage d'une architecture 32 à 64 bits, peut laisser espérer une augmentation des performances de 33 % grâce à la seule augmentation de la fréquence d'horloge. Ajoutez à cela d’autres améliorations architecturales et l'augmentation des performances atteint de 50 à 60 % en mode 32 bits.

Le SoC n’est pas le seul à avoir été amélioré. La carte dispose également de nouveaux périphériques, à savoir WLAN 802.11b/g/n et Bluetooth. Bien que cela puisse annoncer une baisse des ventes de clés matérielles USB, c’est une excellente nouvelle pour tout le monde ou presque, puisque même lorsqu’une application n’utilise pas activement le réseau, il faut toujours installer et mettre à jour le logiciel système. Et la prise en charge de la variante Low Energy en parallèle du Bluetooth classique se montrera sans le moindre doute utile dans de nombreuses applications de l’IoT, du multimédia grand public et créatives.

Trouvez la minuscule antenne céramique !

Avec un rendement de 1 Gpixel/s, 1,5 Gtexel/s ou 24 GFlops, le processeur graphique VideoCore IV double cœur semble identique à celui du SoC du Pi 2. De même, le dernier en date de la gamme dispose également de 1 Go de RAM, d'une carte microSD pour le stockage, de 4 ports USB 2.0 et d’Ethernet 100M.

Programmable pour toutes les normes sans fil

La carte SoDeRa n’a été annoncée officiellement que la semaine dernière au Mobile World Congress. Développée par Lime Microsystems et dotée de leur tout dernier transceiver RF à champ programmable (FPRF), le LMS7002M, la carte SoDeRa peut prendre en charge n'importe quelle norme sans fil fonctionnant entre 100 kHz et 3,8 GHz. Et comme si cela ne suffisait pas, elle est aussi double canal (MIMO), avec deux canaux de transmission et de réception entièrement indépendants.

Cette carte inclut également un FPGA Altera Cyclone IV, qui permet un traitement haut débit du matériel entre le transceiver et le contrôleur USB 3.0 FX3.

Matériel

Heureusement, le Raspberry Pi 3 dispose du même facteur de forme et du même positionnement des orifices de fixation que son prédécesseur, et a pu facilement être fixé au dos de l’écran tactile officiel, qui sert d’affichage pour notre application SDR.

Puisque nous souhaitons écouter du son, un minuscule montage de circuits imprimés d’amplificateur a été ajouté à la liste du matériel, ainsi que deux petits haut-parleurs, un interrupteur marche/arrêt et des connecteurs. Une fois la nomenclature terminée, mon collègue, Stuart, a assemblé un boîtier en acrylique découpé au laser inspiré de celui qui avait été utilisé pour un Pi avec écran tactile, décrit dans l’un de ces précédents articles de blog.

La carte SoDeRa est montée sous le Raspberry Pi 3 et l’écran tactile, un câble USB connectant les deux. Bien que le Pi 3 ne soit compatible qu’avec USB 2.0, cela devrait être plus que suffisant pour la largeur de bande requise. Les câbles U.FL-SMA donnent accès aux ports RF de la carte SoDeRa via le panneau arrière.

Signaux VHF en provenance de l’espace

L’ISS dispose d’une station de radio amateur depuis 2000, qui utilise plusieurs fréquences entre 144 MHz (2M) et 2 400 MHz (13 cm). VHF est la plus active.

Il semble que l’équipement de l’ISS fonctionne principalement en mode automatique, ce qui lui permet d’agir comme un répétiteur pour la voix ou les paquets de données AX.25. Lorsqu’il n’est pas en mode automatique et que les astronautes passent un appel CQ (contact), ils le font en fréquence 145.800 MHz, et écoutent les réponses 600 kHz plus bas, sur 145.200 MHz.

L’orbite basse de l’ISS signifie qu’elle n’est à portée que 5 ou 6 fois par jour, pendant 10 minutes maximum à chaque fois. De plus, le fait qu’elle se déplace à une vitesse élevée de 28 000 km/h signifie qu’elle est soumise à un effet Doppler. Cependant, l’un des grands avantages du récepteur SDR est qu’il permet de visualiser une tranche du spectre, répartie au-dessus et au-dessous de 145.800 MHz, de rechercher des signes de crêtes et de se synchroniser rapidement sur celles-ci.

Pour l’antenne, une simple Yagi à 3 éléments a été choisie : une  Cushcraft A148-3S. Cette antenne directionnelle avec gain de 7,8 dBi peut être dirigée vers la bonne portion du ciel à tout moment.

Restez à l’écoute !

Maintenant que le matériel est installé, il ne devrait plus nous rester qu’à configurer le logiciel et à tester l’ensemble, et peut-être à faire preuve d’un peu de patience… !  

   — Andrew Back