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
Und wie das funktioniert erarbeiten wir uns jetzt!
Geschichte der SDR Technik
SDR gibt es in der Industrie schon lange – ist ein alter Hut
„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
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
- 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
- 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
- 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 ...
- 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 ...
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
- 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
-Direktsampler (HF direkt am ADC)
-Direktmischer (HF direkt am Tayloemischer)
-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 ...
- 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
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
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 !
- 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
- Die haben einen Mischer vor dem AD Wandler
- Diese erzeugen direkt ein IQ Signal
- Die haben ein Filter und ev. Vorverstärker vor dem AD Wandler
Zusammenfassung II
- Nein, es gibt auch SDR mit schlechter HW und SW
Live Demonstrationen
Openwebsdr / KIWI SDR
- z.B: http://hgdyn.servebeer.com:8099/
- z.B.Www.sdr.hu
- KiwiSDR
- Web Interface
- 4 Empfänger gleichzeitig
- WSPR Decoder
GnuRadio Companion (1)
- RTL Stick, HackRF, LimeSDR, PlutoSDR ...
- WFM Receiver, NFM Receiver, NFM Transmitter
Gnuradio Companion (2)
438,5 MHz Beispiel NFM Demodulation
Gnuradio Companion (3)
438,5 MHz Beispiel NFM Demodulation
SDR Angel
- https://myriadrf.org/projects/limesdr/
QradioLink
•Website: http://qradiolink.org/
•Basiert auf GNU-Radio, realisiert RX und TX
•Analog and digital mode repeater - full duplex mode, no mixed mode repeater
•Audio codecs: Codec2 700 bit/s, Codec2 1400 bit/s, Opus 9600 bit/s
•Digital modulation: BPSK, DQPSK, 2FSK, 4FSK
•Analog Modulation: narrow FM (5 kHz), FM (10 kHz), Wide FM (broadcast, receive-only), AM, SSB
qtcsdr
- Er hat mit openwebrx die Grundlage für den KIWI SDR geschaffen
- Von ihm kommt die Kommadozeilen SDR Software csdr
- BANDPASS Filter am Ausgang ZWINGEND notwendig
- Der Raspberry gibt ein Rechtecksignal aus !!!
Raspberry Pi als Sender
- Der Raspberry gibt ein Rechtecksignal aus !!!
- BANDPASS Filter am Ausgang ZWINGEND notwendig
Installation:
git clone https://github.com/F5OEO/rpitx
cd rpitx
# make sure to have access to the internet to download packages
# or download and install them manually (libsndfile1-dev and imagemagick)
./install.sh GPIO 18, means Pin 12 of the GPIO header -> Antenna
Links und Infos (I)
- Die Folien von DF4OR sind die Basis für die Folien 5,6,7,8,9
Die Slides zum Vortrag unterliegen der Creative Commons Lizenz CC-BY-SA 3.0
Die Präsentation könnt ihr euch als PDF File downloaden
Eine sehr gute und praxisnahe Einführung in die SDR Technik mit GnuRadio in drei Bänden von Paul und David Clark.
Erhältlich als Hardcover und als Kindle Version.
Volume1: Introduction to Software Defined Radio
Volume2: Basic Analog Radio
Volume3: Basic Digital Communications