Software Defined Radio

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Unter Software Defined Radio (SDR) fasst man Konzepte für Hochfrequenz-Sender und -Empfänger zusammen, bei denen kleinere oder größere Anteile der Signalverarbeitung mit Software verwirklicht werden. Die Analogkomponente kann ein Geradeausempfänger oder ein Überlagerungsempfänger (Superhet) sein. Vor allem Selektion und Modulation/Demodulation werden bei einem SDR mit Software verwirklicht.

Allgemeines[Bearbeiten]

SDR-Empfänger mit Antennenbuchse in Form eines USB-Sticks

Ein SDR-System führt einen Großteil der Signalverarbeitung mit einem Universalrechner oder programmierbarer Digitalhardware aus (DSPs oder FPGAs). Empfängerbandbreiten bis etwa 5 MHz lassen sich mit Universalrechnern wie PCs verwirklichen. Größere Bandbreiten und komplexere Verarbeitungsalgorithmen lassen sich nur mit Signalprozessoren oder FPGAs verwirklichen. 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[Bearbeiten]

Blockschaltbilder zweier SDR-Realisierungen

Ideal[Bearbeiten]

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.

Funktionsprinzipien von SDRs[Bearbeiten]

Heutige SDRs arbeiten nach einem von drei Funktionsprinzipien:

Direkte Digitalisierung des Eingangssignals[Bearbeiten]

Nach einer möglichst sparsamen analogen Verarbeitung durch Filter und Vorverstärker oder Dämpfungsglieder wird das Eingangssignal direkt digitalisiert.

Nach dem Nyquist-Theorem muss das Eingangssignal zum Digitalisieren mit mindestens der doppelten maximalen Nutzfrequenz abgetastet werden, um das Signal rekonstruieren zu können. Mittlerweile gibt es A/D-Umsetzer mit Abtastfrequenzen bis zu 3.6 GSPS bei 12 Bit Auflösung. Damit sind Empfangsbereiche bis zu 1500 MHz möglich.[1]

Digitalisierung auf Zwischenfrequenzebene[Bearbeiten]

Die ersten Stufen eines solchen Empfängers unterscheiden sich wenig von einem herkömmlichen Überlagerungsempfänger. Die analogen Filter werden dabei für die größte benutzte Nutzsignal-Bandbreite ausgelegt. Das reduziert nicht nur die Anforderungen an die Großsignalfestigkeit der weiteren Verarbeitung, es ermöglicht auch ein drastisches Verringern der Abtastfrequenz: Bei einer Zwischenfrequenz-Bandbreite von z.B. 10 kHz reicht eine Abtastfrequenz von gut 20 kHz (Unterabtastung).

Dieses Konzept ist mittlerweile weit verbreitet, weil ein hinreichend leistungsfähiger digitaler Signalprozessor (DSP) bedeutend billiger ist als diverse Quarzfilter mit den geforderten Bandbreiten. Zudem kann der DSP auch weitere Funktionen wie Verstärkungsregelung und Demodulation übernehmen - mit bedeutend besseren Eigenschaften und mehr Möglichkeiten als herkömmliche Analogtechnik.

Direktmischer nach dem I/Q-Verfahren[Bearbeiten]

Direktmischempfänger ist ein Empfängerkonzept, bei dem das Eingangssignal mit einem Oszillatorsignal der gleichen Trägerfrequenz direkt gemischt und so demoduliert wird. So arbeitete schon ein Audion in den 1920er Jahren, wenn man Morsesignale empfangen wollte.

Das Problem herkömmlicher Direktmischer ist die fehlende Spiegelfrequenzunterdrückung, d.h. ein Sinussignal 1 kHz unter der Oszillatorfrequenz liefert genau das gleiche Ausgangssignal wie ein Sinussignal 1 kHz über der Oszillatorfrequenz. Dieses Problem löst ein SDR durch "komplexe" Signalverarbeitung, d.h. durch Rechnen mit Real- und Imaginärteil.

Dazu nutzt man im Eingangsteil des Direktmischer-Empfängers zwei parallele Mischstufen, deren Oszillatorsignale um 90° phasenverschoben sind. Solche Oszillatorsignale sind mit Digitaltechnik sehr einfach zu erzeugen. Die Ausgangssignale der beiden Mischer werden parallel digitalisiert und dann digital verarbeitet, wobei die Hilbert-Transformation eine zentrale Rolle spielt.

Im Endeffekt bewirkt die Hilberttransformation eine frequenzabhängige Verzögerung ohne Beeinflussung der Signalamplitude, so dass das Signal um 90° in der Phase gedreht wird. Ein 1-kHz-Signal wird also um 250 µs verzögert, ein 10-kHz-Signal um 25 µs. Am Ende stehen zwei Direktüberlagerungssignale mit 0° Phasenverschiebung und mit 180° Phasenverschiebung zur Verfügung. Durch Addieren bzw. Subtrahieren der beiden Signale kann man zwischen den beiden Seitenbändern umschalten.

Praktisch eingesetzte SDR-Konzepte[Bearbeiten]

Vor allem das Direktmischer-Konzept ist sehr weit verbreitet, weil es mit dem geringsten Elektronikaufwand auskommt. Praktisch jedes Handy ist ein Transceiver nach dem SDR-Direktmischerkonzept. Auch viele andere Funkanwendungen arbeiten so, z.B. mit dem Baustein CC1100 von Texas Instruments [2], der sendeseitig konventionell arbeitet, aber empfangsseitig als SDR.

Viele billige Kurzwellenradios aus aktueller chinesischer Produktion verweisen auf ihre digitale Signalverarbeitung.

Auch die aufwändigeren Konzepte wie die Digitalisierung auf Zwischenfrequenzebene oder die direkte Abtastung des Eingangssignals funktionieren nach dem I/Q-Konzept. Nur verzichtet man dort auf möglichst viel der analogen Signalverarbeitung, um die höhere Genauigkeit der digitalen Verarbeitung nutzen zu können. Dabei explodiert aber die benötigte Rechenleistung schnell in Größenordnungen, die weit jenseits der Leistungsfähigkeit von Universalschaltungen liegen und nur durch sehr teuere und nur für Spezialisten beherrschbare FPGAs verwirklicht werden können. Auch die dort benutzten A/D-Umsetzer sind alles andere als billig, während Direktmischer-Systeme oft unter 100 EUR kosten und einfach an die Soundkarte (Signale) und den USB-Anschluss (Abstimmung, Stromversorgung) eines normalen PCs angeschlossen werden..

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

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.

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.

Anwendungsbereiche[Bearbeiten]

  • Militärische Kommunikationstechnik
  • Mobilfunk-Basisstationen
  • Amateurfunk
  • Messtechnik
  • Forschung

SDR im Amateurfunk[Bearbeiten]

In den vergangenen Jahren hat sich eine Reihe verschiedener Implementierung von Software Defined Radios etabliert. Neben kommerziellen Anwendungen (wie beispielsweise DVB-T-Sticks) finden sich auch Varianten im Amateurfunkbereich.

WebSDR und im Internet zugängliche SDR-Empfänger[Bearbeiten]

Seit etwa 2005 gibt auch SDR-Empfänger, wie den WebSDR [3], welcher im Internet frei zugänglich ist. Kürzlich wurde eine SDR-Variante für iOS veröffentlicht. Auch weitere SDR-Empfänger, die auch den Amateurfunk empfangen, können ebenfalls über das Internet genutzt werden.

HPSDR[Bearbeiten]

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.

RTLSDR[Bearbeiten]

Das RTLSDR-Projekt[4] verwendet normale DAB- und DVB-T-Sticks, die auf dem verbreiteten[5] RTL2832U-Chipsatz von Realtek basieren. Dazu muss ein alternativer Treiber installiert werden, der eine Schnittstelle für eine Reihe von Programmen bereitstellt, z. B. die Dekodierung von ADS-B zur Lokalisierung von Flugfunktranspondern.[6] Als Software kommt beispielsweise SDR#[7] zum Einsatz, es gibt aber auch eine SDR-basierte Implementierung von DAB[8]. Der mit RTLSDR empfangbare Frequenzbereich unterscheidet sich stark je nach verbautem Tuner. Er beginnt jedoch stets im UKW-Bereich und endet zwischen etwa 1 und 2 GHz.

SDR Touch[Bearbeiten]

SDR Touch ist eine Android-App, welche seit dem 20. Oktober 2013 im Google Play Store erhältlich ist.[9] Über denselben Entwickler ist ebenfalls ein Android Treiber für den RTL2832U-Chipsatz verfügbar.[10] Die Applikation unterstützt einen Frequenzbereich von 50 Mhz bis 2.2 Ghz. Für die Verbindung des Empfängers zum Android-Gerät benötigt man meist noch einen USB OTG Adapter.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Scotty Cowling: High Performance Software Defined Radio - A Open Source Design. In: Open Hardware Journal 1 (2), 2012, Seiten 3–18. Online (PDF; 3,8 MB)(Link ist down)
  • 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[Bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Texas Instruments: Ultra-High Speed ADCs Revolutionize Radio Architectures, abgerufen am 6. Mai 2013
  2. http://www.ti.com/product/cc1100
  3. freizugänlicher WebSDR betreut und kontinuierlich weiterentwickelt von Pieter-Tjerk de Boer. http://websdr.ewi.utwente.nl:8901
  4. RTLSDR.org Wiki
  5. Liste von DVB-T-Sticks mit den jeweils verwendeten Chipsätzen und Tunern im Wiki von Video4Linux
  6. David Taylor: ADS-B using dump1090 for the Raspberry Pi. Abgerufen am 23. September 2014 (englisch).
  7. SDR#
  8. SDR-J
  9. https://play.google.com/store/apps/details?id=marto.androsdr2&hl=de
  10. https://play.google.com/store/apps/details?id=marto.rtl_tcp_andro&hl=de