Software Defined Radio

Mit dem Begriff Software Defined Radio (SDR) beschreibt man das Bestreben, möglichst die gesamte Signalverarbeitung eines Hochfrequenz-Senders oder -Empfängers mit Hilfe anpassbarer Hardware in Software abzubilden. Im engeren Sinn handelt es sich um ein Funktelekommunikationssystem, das eine software-konfigurierbare Plattform zur Modulation und Demodulation und Aufwärts- bzw. Abwärtsmischung eines Signals benutzt.

Allgemeines

Ein SDR-System führt einen Großteil der Signalverarbeitung mit einem Universalrechner oder programmierbarer Digitalhardware aus (DSPs oder FPGAs), um größtmögliche Flexibilität zu erreichen. Unterschiedliche Funkverfahren können durch alleinige Änderung der Software implementiert werden.

SDR findet unter anderem im Bereich des Amateurfunks, des Militärs und im Mobilfunk Anwendung, aber auch zunehmend in zivilen Anwendungsbereichen wie in digitalen Rundfunkempfängern. Hier ist die Flexibilität und Implementierung unterschiedlicher Protokollwechsel in Echtzeit von besonderem Nutzen. Ein gutes und anschauliches Beispiel ist die Realisierung der Basisstationen zellularer Netze als SDR. Diese könnten somit innerhalb kürzester Zeit kostengünstig auf neue Standards aufgerüstet werden.

Die Hardware eines SDR besteht, wie in nebenstehender Abbildung zweier unterschiedlicher Typen von SDR, zumindest aus einem Sender- und Empfängermodul, sowie jeweils einem A/D- und D/A-Konverter und der dazwischenliegenden, softwarebasierten digitalen Signalverarbeitung.

Funktionsweise

Blockschaltbilder zweier SDR-Realisierungen

Ideal

Der einfachste und ideale SDR-Empfänger würde aus einem Analog-Digital-Umsetzer mit Antenne bestehen. Die ausgelesenen Daten würden dann direkt nach der Analog-Digital-Wandlung von einem digitalen Rechner verarbeitet.

Der ideale Sender sähe ähnlich aus: Ein Rechner erzeugt einen digitalen Datenstrom über einen Digital-Analog-Umsetzer und eine nachfolgende Antenne versendet diesen.

Praktisch realisierbare Empfänger

Im Jahr 2006 war die digitale Elektronik im Allgemeinen zu langsam, um die verwendeten Funksignale im Bereich von 1 - 2 GHz direkt in ausreichender Auflösung zu digitalisieren. Die Daten müssen nach dem Nyquist-Theorem mit mindestens der doppelten Grenzfrequenz abgetastet werden, um das Signal fehlerfrei rekonstruieren zu können. Dieses Problem wird in der Praxis durch das Vorschalten eines analogen Mischers gelöst, welcher das Signal auf eine niedrige Zwischenfrequenz heruntermischt. Dieses Konzept wird auch als Heterodynverfahren oder Überlagerungsempfänger bezeichnet. Ab 2013 waren A/D-Wandler mit Abtastfrequenzen im Bereich von bis zu 3.6 GSPS bei 12 Bit Auflösung erhältlich, damit waren Zwischenfrequenzen bis zu 1500 MHz möglich.

Inzwischen sind Bausätze für SDR (z.B. HPSDR) und einige kommerzielle Geräte wie den Perseus SDR, das Winradio G313e, Softrock und weitere Geräte für den Amateurfunk verfügbar.

Vor- und Nachteile

Der große Vorteil von Software Defined Radios besteht in der Flexibilität und den niedrigen Kosten bei der Erweiterung auf neue oder geänderte Übertragungsstandards durch Software-Upgrades. Die Entwicklung neuer Software ist im Allgemeinen preiswerter als die entsprechende Hardwareentwicklung neuer Sender und Empfänger.

In der Produktion kann jedoch der Bau von speziell auf das Übertragungsverfahren zugeschnittenen Sendern und Empfängern signifikant kostengünstiger sein, so dass hier wirtschaftlich zwischen den Produktionskosten und den Kosten für künftige Erweiterungen und Neuentwicklungen abgewogen werden muss.

Ein Nachteil in der Anwendung besteht in der benötigten Rechenleistung der eingesetzten Signalprozessoren und der damit verbundenen hohen Leistungsaufnahme. Man erwartet jedoch, dass durch die Fortschritte in der Hardwareentwicklung dieses Problem mehr und mehr in den Hintergrund tritt.

HPSDR

Amateurfunkgerät mit HPSDR-Baugruppen

Empfänger mit Spektrum im 160-m-Band

HPSDR (High Performance Software Defined Radio) ist eine Plattform für Funkamateure zur Entwicklung modularer elektronischer Baugruppen in SDR-Technologie.

Das Projekt besteht seit 2005. Es wird Open-Source-Software und freie Hardware verwendet, die Baugruppen werden von der Tucson Amateur Packet Radio Corporation vertrieben. Im Rahmen von HPSDR werden sowohl Empfänger als auch Sendeempfänger entwickelt und dokumentiert.

HPSDR hat sich zur führenden Plattform für nichtkommerzielle SDR-Entwicklungen entwickelt. Von der Website des Projekts können Schaltpläne, Baubeschreibungen, Firmware, Quellcode und Handbücher heruntergeladen werden, zudem gibt es ein Wiki, eine Diskussionsgruppe (E-Mail-Reflector) und eine Teamspeak-Funktionalität.

Siehe auch

• Digital Radio Mondiale

Literatur

• Scotty Cowling: High Performance Software Defined Radio - A Open Source Design. In: Open Hardware Journal 1 (2), 2012, Seiten 3–18. Online
• Doug Grant: Ham radio in the 21st century. In: Electronics Design, Strategy, News, 4. November 2011, Seiten 27–32.
• Bodo J. Krink: SDR - Software Defined Radio für den Funkamateur: So funktioniert die neue Technik. Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden 2009.
• Richard Zierl: Kurzwellenempfang mit SDR und PC: Hardware, Software, Installation und Bedienung. Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden 2011.
•  Jouko Vankka: Digital Synthesizers and Transmitters for Software Radio. 1. Auflage. Springer, 2005, ISBN 1-4020-3194-7.

Weblinks

 Commons: Software defined radios – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Webseite des SDR-Herstellerkonsortiums
• Software Defined Radio beim CRE-Podcast
• Offizielle Website
• HPSDR im Amateurfunk-Wiki des Deutschen Amateur-Radio-Clubs und des Adacom Fachverbands für Amateur-Datenfunk e. V.