Lernen Sie die Grundlagen des softwaredefinierten Radios

Vom Militär und der Luft- und Raumfahrt bis hin zu Hobbyisten - das Versprechen des software-definierten Radios (SDR) besteht darin, dass die Benutzer mit einem einzigen Stück Hardware HF-Signale über eine breite Palette von Funkfrequenzen erfassen, demodulieren und darauf zugreifen können. Wie breit ein Streifen ist, hängt vom RF-Frontend der Hardware ab, während die Anzahl und Arten von Signalen, auf die zugegriffen werden kann, von der Software und den zugrunde liegenden Verarbeitungsfunktionen abhängt. Beides hängt von den Anwendungsanforderungen und den damit verbundenen Kosten- und Leistungsbudgets ab. Für das Militär und die Luft- und Raumfahrt können die Kosten in die Zehntausende gehen. Für Kurzwellenhörer, Funkamateure und Heimwerker (Do-it-yourself) ist eine einfache, kostengünstige Möglichkeit erforderlich, mit leicht verfügbaren Desktop-Computern oder Laptops auf Funkwellen zuzugreifen.

Nach einer kurzen Einführung in SDR stellt dieser Artikel ein kostengünstiges USB-basiertes SDR-Modul von Adafruit Industries vor, das eine Vielzahl von Signalen empfangen und demodulieren kann, vom einfachen CW-Morsecode (CW = Continuous Wave) bis hin zu den komplexesten digitalen Modulationsformen. Es wird gezeigt, wie Benutzer das Modul und die dazugehörige Software verwenden können, um den Computer um Radioempfang, Radiofrequenzspektrum und Spektrogrammanalyse zu erweitern.

Was ist SDR?

SDR verwendet digitale Techniken, um herkömmliche Radio-Hardware wie Mischer, Modulatoren, Demodulatoren und verwandte analoge Schaltungen zu ersetzen. Durch die direkte Digitalisierung der Funksignale mit Hilfe eines geeigneten Analog-Digital-Wandlers (ADC) kann ein SDR all diese Funktionen in Software implementieren, so dass dieselbe Hardware für mehrere Funkbetriebsarten verwendet wird, sei es AM, FM, CW, Einseitenband (SSB) oder Doppelseitenband (DSB). Das Ergebnis ist ein extrem flexibles Funkgerät, das schnell für verschiedene Signalisierungstechnologien umkonfiguriert werden kann (Abbildung 1).

<Abbildung 1: Vergleich eines herkömmlichen analogen Empfängers (oben) mit einem SDR-basierten Empfänger (unten). Alle Funktionen im SDR-Empfänger nach dem ADC werden über programmierbare digitale Schaltungen realisiert, was programmierbare Änderungen und Aktualisierungen ermöglicht. (Bildquelle: DigiKey)

Herkömmliche Radios wie der Superheterodyn-Empfänger (Abbildung 1, oben) sind hardwarebasiert und mit analogen Komponenten implementiert. Der SDR-Empfänger verwendet einen RF-Tuner, um das interessierende Frequenzband auf eine Zwischenfrequenz (IF) innerhalb des Bereichs des ADC herunterzuwandeln. Von diesem Zeitpunkt an sind alle Schaltkreise digital. Der digitale Abwärtswandler übersetzt die Signalfrequenz in das Basisband und führt eine Tiefpassfilterfunktion aus. Der digitale Signalprozessor (DSP) führt Demodulation, Dekodierung und verwandte Aufgaben durch. Diese Schaltungen basieren im Allgemeinen auf anwendungsspezifischen ICs (ASICs), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) und programmierbaren DSP-Bausteinen. Mit der entsprechenden Software bieten diese digitalen Schaltungen ein sehr flexibles Funkgerät, das in der Lage ist, eine breite Palette von Modulationsarten zu empfangen.

Kostengünstige SDR-Hardware

Der Adafruit Industries 1497 ist ein kostengünstiger SDR-Empfänger, der einen Frequenzbereich von 24 Megahertz (MHz) bis 1,85 Gigahertz (GHz) abdeckt und auf einem Digital Video Broadcasting - Terrestrial (DVB-T) codierten COFDM-Demodulator (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) mit einem separaten Tuner-IC basiert.

Das DVB-Konsortium ist eine in Europa ansässige Normenorganisation für die Rundfunkübertragung des digitalen terrestrischen Fernsehens. Dieses System verwendet einen MPEG-Transportstrom zur Übertragung komprimierter digitaler Audio-, digitaler Video- und anderer Daten unter Verwendung von COFDM- oder OFDM-Modulation. Diese Geräte können durch Programmierung auf andere Anwendungen umprogrammiert werden und sind ideal für Hobbyisten und Heimwerker, die VHF-, UHF- und Niedrigmikrowellen-Funksignale hören und untersuchen möchten.

Trotz der gesamten Signalverarbeitungsleistung im Adafruit SDR hat es mit nur 22,24 Millimeter (mm) x 23,1 mm x 9,9 mm eine äußerst geringe physikalische Größe (Abbildung 2). Es wird über einen USB-Port mit dem Host-Computer verbunden, und handelsübliche SDR-Software stellt die Benutzerschnittstelle auf dem Computer/Laptop zur Verfügung. Der Hersteller empfiehlt Airspy's SDR Sharp (SDR#) in seinem Einführungshandbuch. Die Software-Installation dauert weniger als fünf Minuten und ist gut dokumentiert.

Abbildung 2: Der 1497 ist ein kostengünstiger SDR-Empfänger, der in ein Gehäuse von der Größe eines Viertels passt und mit einer Zubehörantenne und einer Fernbedienung geliefert wird. Dieser Empfänger stimmt von 24 MHz bis 1,85 GHz ab und wird über USB mit einem Host-Computer verbunden. (Bildquelle: Adafruit Industries)

Der Antennenanschluss am Empfänger erfolgt über einen MCX-Stecker. Die MCX-Buchse am Empfänger nimmt den am Antennenkabel montierten Stecker auf, oder die mitgelieferte Antenne kann durch eine vom Benutzer mitgelieferte kundenspezifische Antenne ersetzt werden.

Wenn sich der Benutzer entscheidet, die mitgelieferte Antenne durch eine andere zu ersetzen, kann sie mit einem MCX-Stecker angeschlossen werden. Koaxialadapter können verwendet werden, um den MCX-Eingangsanschluss des SDR entweder mit SMA- oder BNC-Steckverbindern, die häufiger verwendet werden, zu verbinden. Amphenol RF bietet sowohl einen MCX-Stecker auf SMA-Buchse (242127) als auch eine BNC-Buchse auf MCX-Stecker (242204), wobei die gängigeren Steckverbinder-Schnittstellen zur Verfügung stehen.

SDR-Unterstützungs-Software

Die SDR#-Software verbindet sich mit dem Empfänger und stellt die Benutzerschnittstelle und die visuelle Anzeige bereit (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Benutzeroberfläche des Airspy SDR# steuert den SDR-Empfänger über die Dropdown-Menüs auf der linken Seite. Die Anzeige des Spektrumanalysators wird im oberen Gitter angezeigt, während sich darunter der Verlauf des Spektrums befindet. (Bildquelle: DigiKey)

Die SDR#-Standardbenutzeroberfläche hat drei Hauptelemente:

• Die linke Spalte enthält Bedienelemente für das SDR-Gerät. Es gibt vierzehn Pulldown-Menüs, die alle Aspekte des SDR-Empfängers steuern. Die wichtigsten Bedienelemente sind für Radio, Audio und Display.
• Das obere Gitter enthält die Anzeige des Spektrumanalysators. Diese stellt die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Signalleistung vertikal mit Hilfe einer logarithmischen Skala dar, die in Dezibel kalibriert ist. Spektrumanalysatoren sind das primäre Testwerkzeug, das von HF-Ingenieuren zum Messen und Analysieren von HF-Geräten verwendet wird. Die numerische Anzeige am oberen Bildschirmrand zeigt und steuert die Mittenfrequenz des Spektrumanalysators. Der maximal angezeigte Frequenzbereich ist die Bandbreite des Empfängers, die etwa 2 MHz beträgt. Rechts neben der Anzeige befindet sich ein horizontaler Zoom-Schieberegler. Zoom ermöglicht eine horizontale Ausdehnung der Anzeige um die Mittenfrequenz.
• Unterhalb der Anzeige des Spektrumanalysators befindet sich eine Spektrenverlaufsanzeige, die manchmal auch als Spektrogramm bezeichnet wird und den zeitlichen Verlauf des Spektrums anzeigt. Die horizontale Achse ist die Frequenz wie in der Anzeige des Spektrumanalysators; die vertikale Skala ist die Zeit. In der Abbildung gibt es Zeitmarkierungen, die das Datum und die Uhrzeit anzeigen. Die dritte Dimension ist die Signalleistung, die durch die Farbe angezeigt wird. Die Standardfarbskala reicht von Schwarz als minimaler Leistungspegel bis hin zu Rot als maximaler Leistungspegel. Es gibt eine Vielzahl von Stilen und Farbzuordnungen, die unter den Anzeigesteuerungen verfügbar sind.

Das in Abbildung 3 dargestellte Signal ist das Signal eines FM-Rundfunksenders bei 105,1 MHz. Dies ist ein Breitband-FM-Signal mit einer Bandbreite von 200 Kilohertz (kHz). Dies ist einer der acht im SDR-Empfänger verfügbaren Demodulatoren. Die anderen Demodulatoren unterstützen schmalbandige FM-, AM-, obere und untere SSB-, DSB- und CW-Signale sowie rohe gleichphasige und Quadratursignalkomponenten. Die Auswahlmöglichkeiten befinden sich in den Funksteuerungen oben links auf dem Display.

Das Signalspektrum besteht aus dem analogen Signal über die Mittenfrequenz. Dieser trägt das analoge Radioprogramm. Außerhalb davon gibt es duale Unterbänder, die anderes Programmmaterial und digitale Informationen enthalten. Der Programminformationsinhalt wird dekodiert und erscheint unmittelbar über der Anzeige des Spektrumanalysators. Neben der Spektrumsanzeige sind auch die Audiokomponenten der Funkstation über den Host-Computer zum Anhören verfügbar.

Breitband-FM verfügt über eine große Bandbreite, da erwartet wird, dass damit stereophone Musik in hoher Wiedergabetreue übertragen werden kann. Ein Funkdienst wie der Nationale Wetterdienst überträgt nur Sprache und verwendet Schmalband-FM (Abbildung 4).

Abbildung 4: Einstimmen einer Wetterübertragung des Nationalen Wetterdienstes auf 162,471 MHz. Dieser Sender verwendet Schmalband-FM. (Bildquelle: DigiKey)

Die Station des Nationalen Wetterdienstes wird mit einer Bandbreite von nur 11,2 kHz empfangen, da der Programminhalt nur Sprache ist. Auch hier sind sowohl das Audioprogramm-Material als auch die Spektrumsdarstellungen verfügbar. Der SDR-Empfänger fügt all diese Dienste dem Host-Computer hinzu.

Die Spektrenhistorie oder Spektrogrammanzeige ist nützlich, um Veränderungen im Spektrum des empfangenen Signals über die Zeit zu sehen. Ein einfaches Beispiel ist das eines CW-Morsecode-Signals (Abbildung 5).

<Abbildung 5: Die Spektrogrammansicht eines CW-Morsecode-Signals. (Bildquelle: DigiKey)

CW-Signale kodieren Daten durch Ein- und Ausschalten eines RF-Trägers (On-Off-Tastung). Auf dem Spektrogramm-Display werden die Perioden, in denen die Taste gedrückt ist und der Träger übertragen wird, durch die hellblau-graue Spur auf dem Display angezeigt. Das Morsezeichen "V" (di di di dah), das die Prüfung anzeigt, ist in der Signalspur zu sehen. Beachten Sie, dass die Software den Empfang von CW-Signalen vorsieht, indem sie einen Schwebungsfrequenz-Oszillator (BFO) mit der Bezeichnung "CW-Verschiebung" bereitstellt, um einen benutzergesteuerten Ton zum Hören der Codeübertragung zu liefern. Da CW-Übertragungen schmalbandig sind, reduziert der Empfänger die Bandbreite auf 300 Hertz (Hz), wie im Pulldown-Menü der Funksteuerung zu sehen ist. Durch die Beschränkung der Empfängerbandbreite auf den für den zu empfangenden Modus erforderlichen Mindestwert wird der Rauschpegel im Kanal minimiert.

Einige Messanwendungen für einen SDR-Empfänger

In einer zunehmend vernetzten Welt gibt es viele HF-Quellen, die überprüft und gewartet werden müssen. Ein Beispiel ist die Überprüfung der Aktualisierungsperiode eines Sendemoduls einer entfernten Wetterstation (Abbildung 6).

Das Spektrogramm zeigt zwei HF-Bursts auf der Trägerfrequenz des entfernten Senders von 433,93 MHz. Die Zeitskala auf dem Spektrogramm zeigt an, dass die FM-Bursts im Abstand von etwa 50 Sekunden auftreten.

Abbildung 6: Das Spektrogramm eines Senders einer entfernten Wetterstation auf 433,92 MHz, der Daten in Bursts sendet. Das Spektrogramm erfasst und zeigt gesendete Bursts im Abstand von etwa 50 Sekunden. (Bildquelle: DigiKey)

Automotive Remote Keyless Entry (RKE)-Systeme arbeiten entweder bei 315 oder 433 MHz, je nachdem, wo das Fahrzeug eingesetzt wird und welche Vorschriften gelten. In diesem Fall braucht der Benutzer nur den Schlüsselanhänger in die Nähe der Antenne zu halten und eine der Tasten zu drücken, um die Art der verwendeten Modulation zu sehen (Abbildung 7).

Das Spektrum des RKE-Schlüsselanhängers zeigt zwei Spitzenwerte bei etwa 433,9 MHz. Die Datenkodierung für dieses Gerät verwendet Frequenzumtastung (FSK), bei der der Träger zwischen zwei Frequenzen verschoben wird, um eine digitale Eins oder Null anzuzeigen. Andere RKE-Anhänger verwenden die Amplitudenumtastung (ASK), bei der die Amplitude eines Trägers zwischen zwei Pegeln verschoben wird, die sich nicht allzu sehr vom CW-Signal unterscheiden.

Abbildung 7: Das Spektrum eines ferngesteuerten schlüssellosen Zugangsgeräts verwendet FSK eines 433,9 MHz-Trägers zur Kodierung digitaler Daten, um den Eintritt in ein Fahrzeug zu steuern. (Bildquelle: DigiKey)

Fazit

Der Adafruit 1497 SDR-Empfänger öffnet die ganze Welt der VHF-, UHF- und niedrigen Mikrowellen-Frequenzbänder für Ermittlungsbastler und Fachleute gleichermaßen. Sie ermöglicht es den Benutzern, einen Computer zu benutzen, um UKW-, TV-, Amateurfunk-, Citizens-Band-, Wetter- und Kurzwellensendungen zu empfangen. Er kann auch als Spektrumanalysator verwendet werden, um den Betrieb einer breiten Palette von tragbaren HF-Geräten zu überprüfen. Die 1497 wurde auch zur Herstellung von Interferometern für die Radioastronomie verwendet - alles zu niedrigen Kosten.