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SDR Grundlagen und Anwendungen im Amateurfunk

OE5RNL Ing. Reinhold Autengruber

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Software Defined Radio

Grundlagen/Geschichte der SDR Technik

SDR was ist das ?

Wer hat‘s im Amateurfunk erfunden ?

Unterschiedliche SDR Konzepte

Vom Superhet zum SDR

Das IQ Signal der Schlüssel zu allem

Woher kommt das IQ Signal ?

Wozu brauche ich das überhaupt ?

Digitaler Downconverter...

oder warum SDR empfindlicher sein können

Fortgeschrittene Anwendung im Amateurfunk

mit praktisches Vorführung

SDR was ist das ?

Ein Software Definded Radio ist :

Ein Sender oder Empfänger oder beides der

-Flexibel änderbar ist

-UND möglichst die ganz Signalverarbeitung

in der Software und in digitaler Hardware erfolgt

bild1

Und wie das funktioniert erarbeiten wir uns jetzt!

Geschichte der SDR Technik

SDR gibt es in der Industrie schon lange – ist ein alter Hut

Fast alle Radios wie TV, Handy, etc. sind SDR
Im Amateurfunk seit ca. 2002

„A Software-defined Radio for the Masses“ im QEX

Gerald Youngblood, AC5OG = W5SDR

Daraus entstand der SDR100, dann der SDR1000

UND die Software PowerSDR open Source !!!

Kommerzielle Firma Flexnet Radio – closed Source

Derzeitiges Spitzengerät FLEX-6700

HPSDR (High Performance SDR)

Projektstart März 2006.

HPSDR Bussystem, Mercury+Penelpe, Hermes

Projektteam aus Australien, USA, England ...

Open Source open Hardware

Kommerzieller Ableger Apache Labs

Derzeitiges Spitzengerät ANAN-8000DLE

Heute gibt es am Markt natürlich viele andere SDR Systeme – Closed Source und OpenSource

Kein SDR-RX: Der Superhet

Klassischer RX: Hardware Defined Radio

bild3

- Die Qualität der Bauteile bestimmt die Qualität des RX und TX
- Schwer zu ändern: HW Filter, fixe Modulationsarten (meist nur AM, FM, SSB, CW)
- Die Alterung der Bauteile verändert die Eigenschaften des RX

Der Superhet mit PC

Der erste Schritt zum SDR: Klassischer RX + PC mit Soundkarteninterface

bild4

- Die HF Eigenschaften bleiben gleich wie in vorigen Beispiel

- Neue Modulationsarten sind möglich z.B.: WSPR, PSK, JT65, FT8

- Der Systemgewinn an Empfindlichkeit folgt aus den Modulationsarten

- Spektrum - und Wasserfalldarstellung wird durch die Bandbreite der Soundkarte bestimmt

- Die Soundkarte ist der AD Wandler und bestimmt auch die Darstellungsbandbreite

Noch kein „echter“ SDR

Der SDR „Standard“ bei den meisten klassischen DSP-Transceivern

bild5

- Hier wird bereits im Transceiver bei einer relativ niedrigen ZF digitalisiert

- Die Geräte haben eine „normale“ Frontplatte – oder auch nicht ->TS2000X

- Teilweise auch mit Wasserfall und Spektrum Anzeige, aber mit geringer Anzeirebandbreite

- Vorteil: Digitale Filter, weitere Modulationsarten wie RTTY und CW Decoder direkt integriert

- Nachteil: Nur über Firmwareupdates änderbar

Fast schon ein „echter“ SDR

RTL Stick 1.7 Ghz (ohne cpld)

Hack-RF 6 GHz (cpld)

Lime SDR 3,8 GHz (fpga)

Dual RX/TXPlutoSDR 6 Ghz (fpga)

Linux intern Und viele Andere ...

bild6

- Der SDR wird über USB oder LAN an den PC / Raspberry angeschlossen

- Das HF Frontend Filter/Mischer/VCO bestimmt stark die HF Eigenschaften

- Verwendet werden Analog Digital Converter ( ADC ) bis 80 Mhz Basisbandbreite

- Die eigentliche Signalverarbeitung erfolgt im PC / Raspberry → sehr Flexibel- Sehr viele Open Source Programme verfügbar

Der „echte“ SDR

Beispiel:

HPSDR (Mercury, Hermes),Perseus, Kiwi-SDR ...

bild7

Mit Bedienteil:

z.B: IC7300

36 kHz ZF !

Web Frontend:

z.B: KIWIPC

Programme:

Windows

Linux Programme

GNUradio ...

Diese Variante wird als „Direktsampler“ bezeichnet

Tayloemischer By Dan Tayloe

bild8

- z.B.: SDR1000, Elecraft KX3, KX2, McHF, Softrock, FA-SDR, Softrock

- Mit wenigen Bauteilen lässt sich ein günstiger SDR aufbauen

- Jedoch werden zwei AD Wandler benötigt (zB: Stereo Soundkarte)

Zusammenfassung Unterschiedlicher SDR Konzepte

Geräte ohne HF Frontend

-Direktsampler (HF direkt am ADC)

-Direktmischer (HF direkt am Tayloemischer)

Geräte mit HF Frontend

-Direktsampler oder Direktmischer mit HW Down/Up Converter (Superhet Prinzip)

Der Weg zum IQ Signal

Die Erklärung erfolgt hier über die Modulation/Demodulation eines Trägers. Das funktioniert immer nach dem gleichen Prinzip, egal ob digital oder analog, auch ohne IQ ...

bild9

- Alle Modulationsarten basieren auf AM, FM, Phase und Kombinationen aus diesen

- Es können auch gleichzeitig mehrere Träger auftreten. Das Prinzip bleibt auch dann gleich

- z.B. 16QAM Quadratur Amplituden Modulation mit 16 Zuständen. Das ist eine Mischung aus Amplituden und Phasenmodulation

IQ Signal Demodulation

bild10

Das IQ Basisband Signal wird von den meisten SDR über USB oder LAN ausgegeben

Digitale Signalverarbeitung I

Wie wird das IQ Signal erzeugt ? Antwort: Tayloe Mischer oder DCC

bild11

Dezimierung wird durch Filterung und Downsampling erreicht.

Downsampling mit M bedeutet, dass wir nur jedes Mte-Sample behalten und den Rest verwerfen.

Jede Verdoppelung (2,4,8 ...) der Dezimierung erzeugt weitere 3 dB Dynamikumfang.

Es fügt dem ENOB des ADC ein weiteres virtuelles Halbbit hinzu.

Digitale Signalverarbeitung II

...oder warum SDR Empfänger empfindlicher sein können !

bild12

- Durch das Sampeln mit höherer Frequenz (Oversampling) ergibt sich ein Systemgewinn

- Ähnlicher Effekt wie beim normalen RX. Schmälere Filter > weniger Rauschen

- Wird in einer FFT die Anzahl der Pins erhöht folgt ein Systemgewinn > g=10*log(Pins/2)Eine Verdopplung der FFT Pins ergibt +3dB SNR

Zusammenfassung I

Es gibt SDR mit HF Frontend

- Die haben einen Mischer vor dem AD Wandler

Ein Sonderfall ist der Tayloemischer (und andere ...)

- Diese erzeugen direkt ein IQ Signal

Es gibt SDR Directsampler

- Die haben ein Filter und ev. Vorverstärker vor dem AD Wandler

AD Wandler tasten (sampeln) mindestens mit der doppelten Frequenz der gewünschten Basisband Bandbreite ab
Über die „IQ Schnittstelle“ wird das gesamte gesampelte Eingangssignal (dezimiert oder nicht) an z.B: den PC zur Demodulation geliefert