KrakenSDR: Ein phasenkohärentes Software Defined Radio (SDR) mit fünf RTL-SDRs

Überblick
Der KrakenSDR ist ein reiner Empfänger (RX-only) mit fünf Kanälen, der auf der RTL-SDR-Technologie basiert. Er wurde speziell für phasenkohärente Anwendungen und Experimente entwickelt. Diese Technologie eröffnet spannende Möglichkeiten wie Funkpeilung, passives Radar oder Beamforming. Alternativ lässt sich KrakenSDR auch als fünf eigenständige Radios nutzen.

Verbesserungen gegenüber KerberosSDR
KrakenSDR stellt eine Weiterentwicklung des beliebten KerberosSDR dar. Es wurden zahlreiche Verbesserungen integriert:

Ein zusätzlicher, fünfter Empfangskanal
Automatische phasenkohärente Synchronisation
Eingebaute Bias Tees
Ein überarbeitetes RF-Design für ein saubereres Spektrum
USB-C-Anschlüsse
Ein robustes Gehäuse aus CNC-Aluminium
Aktualisierte Open-Source-Software für Datenakquise und Signalverarbeitung
Eine neue Android-App für Funkpeilungsanwendungen

Technologie
Das Herzstück des KrakenSDR bilden fünf spezialisierte RTL-SDR-Schaltungen auf Basis von R820T2- und RTL2832U-Chips. Diese preisgünstigen SDRs sind bekannt für ihre Vielseitigkeit, jedoch nicht von Natur aus phasenkohärent. Um diesen Zustand zu erreichen, verwendet KrakenSDR eine gemeinsame Taktsignalquelle für alle fünf Kanäle sowie eine integrierte Kalibrierungshardware. So wird die Phasenbeziehung zwischen den Kanälen präzise gemessen und korrigiert. Dank sorgfältiger Maßnahmen zur Wärmeableitung, Stromversorgung und Störungsreduktion bleibt die Phasenstabilität auch im Dauerbetrieb gewährleistet.

Hauptmerkmale

Fünf phasenkohärente Kanäle, getaktet durch einen gemeinsamen lokalen Oszillator
Automatische Kohärenzsynchronisation via Linux-Software
Empfangsbereich von 24 MHz bis 1766 MHz (erweiterbar mit angepassten Treibern)
4,5 V Bias Tee an jedem Anschluss
Open-Source-Software, optimiert für Raspberry Pi 4
Android-App für Funkpeilung (kostenlos für nichtkommerzielle Nutzung)

Anwendungen
KrakenSDR bietet eine breite Palette praktischer Einsatzmöglichkeiten:

Lokalisierung unbekannter Sender, z. B. bei illegalem Rundfunk oder Störsignalen
HAM-Radio-Experimente wie Fuchsjagden oder Repeaterüberwachung
Tracking von Wildtieren, Haustieren oder Vermögenswerten außerhalb der Netzabdeckung
Unterstützung bei Such- und Rettungseinsätzen durch Lokalisierung von Notruf-Beacons
Passive Radaranwendungen zur Erkennung von Flugzeugen, Booten oder Drohnen
Verkehrsdichteanalyse mittels passivem Radar
Beamforming und Radioastronomie (Interferometrie)

Technische Spezifikationen

Merkmal	Spezifikation
Bandbreite	2,56 MHz
RX-Kanäle	5
Frequenzbereich	24–1766 MHz
Tuner	5 × R820T2
ADC	5 × RTL2832U
ADC-Bit-Tiefe	8 Bit
Oszillatorstabilität	1 PPM
Leistungsaufnahme	5 V / 2,2 A (11 W)
Gehäuse	CNC-Aluminium, robust
Abmessungen	177 × 112,3 × 25,9 mm
Gewicht	560 g

KrakenSDR ist ein vielseitiges Werkzeug für Wissenschaftler, Funkamateure und Ingenieure, die präzise phasenkohärente Messungen und anspruchsvolle SDR-Experimente durchführen möchten.

KrakenSDR: Eine Einführung und Detaillierte Betrachtung

Der KrakenSDR ist ein modernes, leistungsstarkes Software Defined Radio (SDR), das speziell für Anwendungen wie Direction Finding (DF), passives Radar und mehrkanalige Signalverarbeitung entwickelt wurde. Es ist ein Nachfolger des Kerberos SDR und bietet erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Hardware, Software und Benutzerfreundlichkeit. Im Folgenden wird der KrakenSDR ausführlich beschrieben, einschließlich seiner technischen Eigenschaften, Anwendungen und Funktionsweise.

1. Technische Spezifikationen

Hardware

Tuner:
- 5 synchronisierte RTL-SDR-Tuner basierend auf dem RTL2832U-Chip.
- Unterstützt Frequenzbereiche von 24 MHz bis 1,7 GHz.
Clock Synchronisation:
- Präzise 0,5-ppm-TCXO (Temperaturkompensierter Quarzoszillator) für stabile Frequenzgenauigkeit.
- Gemeinsame Clock für alle Tuner, um Phasensynchronisation zu gewährleisten.
Schnittstellen:
- USB 3.0 für hohe Datenübertragungsraten und Kompatibilität mit moderner Hardware.
Signalverarbeitung:
- Eingebaute automatische Kalibrierung, um Phasen- und Amplitudenfehler zwischen den Tunern auszugleichen.

Software

Betriebssystemunabhängig (unterstützt Windows, Linux und Android).
Benutzerfreundliche Android-App zur Steuerung und Visualisierung.
Open-Source-Software mit APIs zur Integration in eigene Projekte.
Unterstützt gängige Signalverarbeitungstools wie GNU Radio und MATLAB.

2. Hauptmerkmale

Multi-Kanal-Direction Finding (DF)

Der KrakenSDR ist besonders für Direction Finding geeignet, um die Richtung von Funksignalen zu bestimmen.
Nutzt Algorithmen wie MUSIC (Multiple Signal Classification) und ESPIRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques).
Anwendungen:
- Lokalisierung von Störsignalen (z. B. illegale Funksender).
- Navigation und Tracking von Signalen in der Umwelt.

Passives Radar

Der KrakenSDR kann reflektierte Signale von vorhandenen Sendern (z. B. FM, DVB-T, oder LTE) verwenden, um Objekte in der Umgebung zu erkennen.
Anwendungen:
- Luftfahrtüberwachung (z. B. Flugzeugdetektion ohne aktiv sendende Radarsysteme).
- Verkehrsüberwachung (z. B. Fahrzeugbewegungen auf Straßen).

Synchronisation und Stabilität

Synchronisation ist entscheidend für Anwendungen wie Beamforming und passive Radar-Systeme.
KrakenSDR gewährleistet diese durch eine präzise gemeinsame Clock und interne Kalibrierung.

Erweiterbarkeit

Kann in Clustern betrieben werden, um größere Antennen-Arrays oder komplexere DF-Systeme zu realisieren.
Unterstützt externe GNSS-Empfänger zur Standort- und Zeit-Synchronisation.

3. Anwendungsgebiete

Zivile Anwendungen

Frequenzüberwachung und Störungserkennung für Behörden und Telekommunikationsanbieter.
Amateurfunkprojekte wie Signalverfolgung oder Bandüberwachung.
Forschung und Entwicklung in der drahtlosen Kommunikation.

Militärische und Sicherheitsanwendungen

Signalaufklärung und elektronische Kriegsführung.
Identifikation und Lokalisierung unerwünschter Funkquellen.

Wissenschaftliche Forschung

Analyse von Ionosphären-Reflektionen.
Astronomische Beobachtungen (z. B. Radioastronomie).
Erforschung von Funkwellen-Ausbreitung.

4. Vorteile gegenüber anderen SDRs

Phasenkoherenz: Unverzichtbar für Direction Finding und Radar-Anwendungen.
Einfache Bedienung: Die vorgefertigte Software reduziert die Einrichtungskomplexität.
Kosteneffizienz: Im Vergleich zu spezialisierten Hardware-Lösungen ist der KrakenSDR erschwinglich und flexibel.
Offenheit: Durch die Open-Source-Software und die aktive Entwickler-Community sind Anpassungen und Erweiterungen möglich.

5. Typische Einsatzumgebungen

Mobile Direction Finding:
- In Fahrzeugen installiert, um Störquellen oder Sender zu lokalisieren.
Stationäre Anlagen:
- Fest installierte Antennen zur kontinuierlichen Überwachung eines Frequenzbands.
Forschungslabore:
- Plattform für Experimentierzwecke und die Entwicklung neuer Signalverarbeitungsmethoden.

6. Einrichtung und Betrieb

Hardware-Anschluss

Antennen an die fünf SMA-Anschlüsse des KrakenSDR anschließen.
KrakenSDR über USB 3.0 mit einem Computer oder einem Android-Gerät verbinden.
GNSS-Antenne anschließen (optional für Ortungs- und Timing-Anwendungen).

Software-Setup

Installieren der KrakenSDR-Software (verfügbar auf GitHub).
Starten der Android-App oder einer unterstützten Desktop-Software.
Kalibrierung durchführen (automatisch in den meisten Fällen).
Konfiguration der gewünschten Anwendung (DF, passives Radar, etc.).

7. Einschränkungen

Frequenzbereich ist auf 24 MHz bis 1,7 GHz beschränkt. Höhere oder niedrigere Frequenzen benötigen zusätzliche Hardware.
Erfordert mehrere Antennen, deren Platzierung entscheidend für die Leistung ist.
Datenmengen bei USB 3.0 können bei schlechter Hardware-Leistung den Host-PC belasten.

8. Fazit

Der KrakenSDR ist eine leistungsstarke, vielseitige SDR-Lösung für fortgeschrittene Anwendungen. Seine phasensynchronisierte Architektur, die benutzerfreundliche Software und die aktiven Entwicklerressourcen machen ihn ideal für Wissenschaftler, Ingenieure und Funkamateure. Mit seiner breiten Palette von Anwendungen, von Direction Finding bis hin zu passivem Radar, bietet der KrakenSDR ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Welt der SDRs dar.

Die Installation der KrakenSDR-Software ist ein wichtiger Schritt, um den SDR effektiv zu nutzen. Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie Sie die Software einrichten können, basierend auf dem Betriebssystem (Linux oder Windows).

1. Voraussetzungen

Bevor Sie beginnen, stellen Sie sicher, dass folgende Voraussetzungen erfüllt sind:

Hardware:

KrakenSDR-Gerät.
Ein Host-Computer mit USB 3.0 (oder ein Android-Gerät für mobile Nutzung).
SMA-Antennen (mindestens 5 für Direction Finding).

Software und Tools:

Git (für Linux).
Python 3.x und notwendige Pakete.
Docker (empfohlen für einfaches Setup).

Systemanforderungen:

Linux: Empfohlen (z. B. Ubuntu oder Debian).
Windows: Über Docker oder WSL (Windows Subsystem for Linux).

2. Installation auf Linux

Schritt 1: System aktualisieren

sudo apt update
sudo apt upgrade

Schritt 2: Abhängigkeiten installieren

Installieren Sie die erforderlichen Pakete:

sudo apt install git python3 python3-pip docker.io

Schritt 3: KrakenSDR-Software von GitHub klonen

Klonen Sie das Repository:

git clone https://github.com/krakenrf/krakensdr_doa
cd krakensdr_doa

Schritt 4: Docker-Container einrichten

Starten Sie die Software über Docker:

sudo docker build -t krakensdr_doa .
sudo docker run --rm -it --net=host krakensdr_doa

Die Software wird gestartet und ist über den Webbrowser unter http://localhost:8080 zugänglich.

3. Installation auf Windows

Die Installation auf Windows wird am einfachsten mit Docker oder WSL durchgeführt.

Option A: Mit Docker

Laden Sie Docker Desktop herunter und installieren Sie es.
Starten Sie Docker Desktop und stellen Sie sicher, dass es läuft.

Öffnen Sie die PowerShell oder Eingabeaufforderung und führen Sie folgende Befehle aus:

git clone https://github.com/krakenrf/krakensdr_doa
cd krakensdr_doa
docker build -t krakensdr_doa .
docker run --rm -it --net=host krakensdr_doa

Öffnen Sie einen Webbrowser und navigieren Sie zu http://localhost:8080.

Option B: Mit WSL

Installieren Sie WSL und ein Linux-Subsystem (z. B. Ubuntu).
Folgen Sie der Linux-Installationsanleitung oben.

4. Verwendung der Android-App

Die KrakenSDR-Software ist auch als Android-App verfügbar, die speziell für Direction Finding und mobile Anwendungen entwickelt wurde.

Schritt 1: App herunterladen

Laden Sie die KrakenSDR-App aus dem Google Play Store herunter.

Schritt 2: Verbinden

Verbinden Sie den KrakenSDR über ein OTG-Kabel mit Ihrem Android-Gerät.
Starten Sie die App.
Führen Sie die Kalibrierung durch und beginnen Sie mit der Nutzung.

5. Fehlerbehebung

Problem: Docker-Container startet nicht.
- Lösung: Stellen Sie sicher, dass Docker korrekt installiert und der Dienst aktiv ist.
Problem: Software reagiert nicht.
- Lösung: Überprüfen Sie die USB-Verbindung und die richtige Installation der Abhängigkeiten.

6. Fazit

Die Installation der KrakenSDR-Software ist dank Docker und der bereitgestellten Anleitungen relativ unkompliziert. Während Linux-Systeme bevorzugt werden, ermöglicht die Unterstützung von Docker und Android eine flexible Nutzung auf verschiedenen Plattformen.

KrakenSDR DOA Antenna Array Vorlage (150 MHz bis 1'766 MHz)

Zusammenfassung

Drucken Sie einen KrakenSDR (https://www.krakenrf.com) DOA (Direction Of Arrival) kreisförmige Antennenarrays-Vorlage auf einem 200 mm x 200 mm 3D-Drucker in einer Einzeldruck-Laufung. Die Schablone ist für den Satz von 5 Teleskopantennen mit Magnetbasis von KrakenRF ausgelegt.

Als Bonus habe ich einen 3D-druckbaren 8-mm-Färbeschlüssel hinzugefügt, um die 8 mm SMA Koaxialstecker (und 11 mm FME in anderen Installationen) anzu stren.

Update 10 Juni 2023:

Ich habe zwei SVG-Dateien für Laserdruck und Schneiden hinzugefügt:

SVG mit Text und Zahlen zum Drucken von Texten und Figuren im ersten Laserlauf bei reduzierter Laserleistung.
SVG ohne Text und Zahlen zum Schneiden des Schaltkreises in einem zweiten Lauf bei voller Laserleistung.

Die Vorlage besteht aus 3 Teilen:

Hub mit 6 Magneten
Arm und Erweiterung

Es ist das Schweizer Messer der KrakenSDR DOA Antennenvorlagen:

Es implementiert 7 diskrete kreisförmige Antennen-Array-Layoutpositionen für tatsächliche Betriebsfrequenzen von 150 MHz bis 1'800 MHz (1'766 MHz ist die höchste konfigurierbare Frequenz des KrakenSDR).
Es enthält eine Skala für teleskopische Antennenlängenanpassungen nach Ihrer tatsächlichen Betriebsfrequenz.

Einfache Installation und Repositionierung der Antennen:

Die Nabe wird von fünf Magneten auf dem Dach Ihres Autos gehalten.
Verwenden Sie die Ausrichtung des Positionierarms, um den Kanal 0 des KrakenSDR an Ihre Fahrrichtung auszurichten.
Verwenden Sie den gleichen Einzelarm in 5 Positionen um die Nabe, um die 5 Antennen zu positionieren.
Keine Notwendigkeit, die Coax-Kabel beim Einbau oder Neupositionieren der Antennen abschrauben:
- Der Positionierarm ist vom Hub abnehmbar und kann horizontal zwischen den Antennen und unter den Kabeln gezogen werden, auch bei Auswahl der innersten Position (1'800 MHz).
- Sie können die Nabe auf dem Dach Ihres Autos während der Fahrt verlassen, PROVIDED DAS MAGNETS HOLD IT FIRMLY TO THE ROOF (möglicherweise nicht, wenn das Dach gebogen oder zerdreif ist). Meine zunehmende Reibung zwischen dem Nabe und dem Dach schleifen Sie die Unterseite des Hubs.

Frequenz- und Antennenlängenanpassungen:

Die 7 Antennenlayoutpositionen (400 bis 1'800 MHz) sind mit der maximalen Frequenz für die jeweilige Position gekennzeichnet: Verwenden Sie die Position mit einem Frequenzetikett knapp über Ihrer Oprierenfrequenz, z.B. verwenden Sie Layoutposition 1'100 MHz für Ihre 868 oder 915 MHz Betriebsfrequenz. Die Richtwirkung der 400-MHz-Position ist bis 150 MHz akzeptabel.
Passen Sie die Längen der Teleskopantennen an Ihre genaue Betriebsfrequenz an, indem Sie den Arm und die Erweiterung als Skala verwenden: Legen Sie das Ende der Armlänge auf die Magnetbasis der Antenne und erweitern Sie das Teleskop nach der MHz-Skala links vom Arm und der Erweiterung.

Hinweis:

Die vollständig zurückgezogene ELECTRICAL-Antenne beträgt 75 mm (ein Viertelwellenlänge von 1'000 MHz). An dieser Stelle beträgt die PHYSICAL-Antennenlänge, die von der Spitze der magnetischen Basis bis zur Oberseite der eingezogenen Antenne gemessen wird, 130 mm.
Normalerweise deckt die Verlängerung der Antenne über die zurückgezogenen 75 mm die Frequenzen unter 1'000 MHz. Nutzen Sie für diesen Frequenzbereich die links ausgerichtete Skala von 1'000 MHz bis 300 MHz. Die Skala soll die PHYSICAL-Länge der Antenne anzeigen, d.h. von der Oberseite der Magnetbasis bis zur Oberseite der verlängerten Antenne. Sie benötigen ein separates Liner für Frequenzen unter 300 MHz.
Um die Betriebsfrequenzen über 1'000 MHz (für die selbst das eingezogene Teleskop zu lang wäre) zu unterstützen, muss das Teleskop um eine Halbwellenlänge über der Viertelwellenlänge dieser höheren als 1'000 MHz-Frequenz, d.h. auf insgesamt 3/4 Wellenlänge, erweitert werden. Siehe https://www.researchgate.net/figur/Three-Quart-Wavelength-3l-4-vertical-Antennen-geometry-and-current-distribution-four-fig-fig3-326050515. Dies verschiebt die Signalphase um 180 Grad, aber wie Sie es auf allen 5 Antennen tun, verfälscht es nicht die DOA-Messung. Verwenden Sie für diesen Frequenzbereich die rechts ausgerichtete Skala von 1'700 MHz bis 1'001 MHz. Auch hier steht die erforderliche PHYSICAL-Länge des Teleskops. Die 3/4 Wellenlängen-Teleskopverlängerung für 1'800 MHz ist identisch mit der Viertelwellenlänge (d.h. links ausgerichtet) 600 MHz Erweiterung.

Teileliste:

Ein 3D-gedruckter Fünfeck
Ein 3D-gedruckter Positionierarm
Eine 3D-gedruckte Positionsarmverlängerung. Schließen Sie die Verlängerung mit dem Arm an
- entweder durch Kleben an den Arm
- oder durch ein starkes Aufkleberband auf seiner Unterseite, das als Scharnier beim Stolan dient.
Fünf 10 mm Durchmesser / > 5 mm Höhe Neodym Magnete. Legen Sie die Magnete in die Bohrung der Nabe, um die Nabe auf dem Dach Ihres Autos zu fixieren. Das Kleben der Magnete ist optional.

Wie immer schließe ich die OpenSCAD-Quelldatei ein, damit Sie sie verbessern oder anpassen können. Wenn Sie es ändern möchten:

Laden Sie OpenSCAD herunter und installieren Sie es unter https://www.openscad.org
Starten Sie OpenSCAD und öffnen Sie die beigelegte OpenSCAD-Quelldatei (/Datei/Öffnen).
Ändern Sie die Parameter oben in der Datei und/oder ändern Sie den Quellcode.
Speichern Sie Ihre Änderungen (Datei/Speichern).
Rendern Sie das Design (Design/Render).
Exportieren Sie das gerenderte Design z.B. als .stl-Datei (Datei/Export/Export als STL).
Schneiden und drucken.

KrakenSDR DOA Antenna Array Template (150 MHz to 1'766 MHz) - 5787042.zip

13BFF001 Zuletzt aktualisiert: 05. Januar 2025