Software Defined Radio

Präsentation zum Thema: "Software Defined Radio"—  Präsentation transkript:

1 Software Defined Radio
Der Versuch einen solchen Vortrag für eine Gruppe von lizensierten Funkamateuren zusammenzustellen muss scheitern. Es wird also gleich zu Beginn darauf hingewiesen, dass hier zum Teil erhebliche Vereinfachungen und Weglassungen erfolgen werden. Das verwendete Bildmaterial ist aus dem Internet runtergeladen und daher von verschiedensten Copyrights geschützt. Eine Weiterverwendung muss daher untersagt werden. Die Präsentation heute ist für einen privaten Zweck zulässig, muss aber darauf beschränkt bleiben. Der Versuch einer einfachen Einführung Vortrag anlässlich eines OV Abends G 56 © Roland Schultner DL8XS

2 Modulation / Demodulation
Sprache, Text (CW, Packet etc.) oder Bild (ATV, Fax etc.) können nicht drahtlos übertragen werden Eine drahtlose Übertragung muss auf HF Frequenzen erfolgen Modulationsverfahren (nicht vollständig): CW  Trägerunterbrechung nach verschiedenen Codes AM  Amplitudenmodulation des Trägers mit dem Signal SSB  Einseitenband(amplituden)modulation PM  Phasenmodulation durch das Signal FM  Frequenzmodulation durch das Signal QM  Quadraturmodulation (verschiedenste Modalitäten denkbar) Formal existiert nur FM und AM. Alle anderen Modulationsverfahren sind vereinfachte Varianten (CW vs AM) oder „Misch“formen davon. Jede Modulation der HF führt zu jeder Zeit auch zu einem Mischvorgang, sodass die AM eben auch FM-Anteile enthält und umgekehrt. Bei der FM ist das prinzipiell genauso. Durch Filterung und/oder Amplitudenbegrenzung wird versucht, diesen z.T. unerwünschten „Nebenwirkungen“ Herr zu werden. © Roland Schultner DL8XS

3 Amplitudenmodulation (en)
NF Signal DSB Tastenklicks HF schaltet mit den Tastenklicks Die Frequenzmodulation könnte genau gleich dargestellt werden. Unterschied ist lediglich, dass sich die Frequenz des Trägers anstatt der Amplitude des Trägers mit dem NF Signal verändert. Das Frequenzspektrum sieht natürlich dann auch anders aus. Bei sehr kleinen Modulationsgraden verschmelzen AM, PM und FM allerdings zu fast einem gleichen Modulationsverfahren. Amplitude des Trägers Schwankt mit der Amplitude des NF Signals SSB © Roland Schultner DL8XS

4 Quadraturmodulation Amplitude + Phase eines Trägers werden verändert
Mischung zweier 90° phasenverschobener Signale (I und Q) I=A*cos(φ) und Q=A*sin(φ) das heißt aber auch A*cos(2π*f*t+φ)=I*cos(2 π*f*t) - Q*sin(2 π*f*t) Die Phase und die Amplitude des resultierenden Trägers läßt sich also durch Variation der Amplitude von I und Q verändern © Roland Schultner DL8XS

5 Quadraturmodulation 2 AM QAM
Die beiden verschiedenen Frequenzen (symbolisiert durch ω für die NF und Ω für die HF) „drehen“ mit verschiedener Geschwindigkeit um einen Nullpunkt. Dabei ändert sich der gemeinsame Vektor im Rhythmus der NF vor und zurück (Frequenzänderung oder Änderung der Phase) Ebenso ändert sich die Länge des Vektors im selben Rhythmus (Amplitudenmodulation, daher der Name) Bei QAM entfällt der HF Träger völlig und die beiden Signale I und Q, die 90° aufeinander stehend gleichmäßig drehen haben sich ändernde Amplituden. Dabei geschieht genau dasselbe: Jede beliebige Phase und jede beliebige Amplitude kann theoretisch eingenommen werden. Besonders interessant ist dies für die Digitaltechnik, da vorbestimmte diskrete Amplituden von I und von Q ganz bestimmte Symbole darstellen können. AM QAM © Roland Schultner DL8XS

6 Quadraturmodulation 3 Die verschiedenen Phasen/Amplitudenkostellationen stellen im digitalen Modus nun je ein diskretes Signal (einen Wert) dar. Im gewählten Beispiel lassen sich 16 diskrete Werte mit drei diskreten Signalamplituden (I und Q) darstellen. © Roland Schultner DL8XS

7 Demodulationsarten Detektor Produktdetektor © Roland Schultner DL8XS

8 Quadratur(de)modulation
Detektor im Geradeausempfänger ist ein Schalter (ein bei positiver Halbwelle und aus bei negativer) Der QSD Mischer nutzt 4 Schalter mit 4 Kondensatoren die mit 4 facher RF geschaltet werden. Dabei ist jeweils nur einer geschlossen. Die anderen drei sind offen (Sample and Hold Schaltung für die Spannungspegel bei 90°. 180°, 270° und 360°) I ist dann = U0°-U180° und Q ist dann = U90° - U270° Signalrückgewinnung © Roland Schultner DL8XS

9 Quadratur(de)modulation 2
Regeneration der I und Q Signale Sample und Hold mit 4 facher Hochfrequenz Nutzung von Tiefpässen statt nur Cs vorteilhaft Bei Direktmischung auf Empfangsfrequenz auch direkte Demodulation Vorhandensein von I und Q läßt Verarbeitung sämtlicher Modulationsarten zu Frequenzbereich abhängig von Grenzfrequenz der Schalter Oberster Oszillatorfrequenz (oft per DLL VCO erzeugt) Gegebenenfalls vorzunehmender Frequenzumsetzung QAM ist ein universelles Modulationsverfahren, das alle bekannten Modulationsarten prinzipiell vereint und bei intelligenter Ausnutzung von Rechenleistung demodulierbar macht. QAM existiert allerdings in sehr unterschiedlichen Ausprägungsformen, die letztlich auch den technischen Aufwand bestimmen. Die Anzahl der Symbole in der komplexen I/Q-Ebene ist bei binären Übertragungen eine Zweierpotenz, um den einzelnen Symbolen eine bestimmte Anzahl an Bits zuzuordnen. Für eine hohe spektrale Effizienz, und so dies durch einen genügend großen Signal-Rausch-Abstand (SNR) möglich ist, wird eine große Anzahl von Symbolen verwendet. Beispiele für QAM-Konstellationen mit gerader Bitanzahl bei binärer Symbolzuordnung sind: 2 Bit: 4-QAM – diese ist identisch zur QPSK bzw. 4-PSK und verwendet 4 Punkte in einem 2×2-Raster bzw. auf einem Kreis, Anwendung bei DVB-S. 4 Bit: Bei 16-QAM werden 16 Symbole verwendet, beispielsweise Anwendung bei ITU-R Norm V.29 und bei DVB-T 6 Bit: Bei 64-QAM werden 64 Symbole verwendet, Anwendung bei DVB-C und bei DVB-T 8 Bit: Bei 256-QAM werden 256 Symbole verwendet, Anwendung bei DVB-C 10 Bit: 1024-QAM 12 Bit: 4096-QAM. Dies ist die größte, im Rahmen der Spezifikation von DVB-C2 derzeit angedachte QAM-Konstellation, die unter besten Voraussetzungen – bei einem Störabstand von 36 dB – gerade noch detektierbar ist. Auch der ITU-T-Standard G.hn verwendet, neben einer umfangreichen Kanalcodierung, eine 4096-QAM © Roland Schultner DL8XS

10 Quadratur(de)modulation 3
„Bearbeitung“ des I/Q Signals und Demodulation findet im PC statt Ein und Ausgänge der Soundkarte (Vollstereo wegen I und Q nötig) Geschwindigkeit der Soundkarte legt final Demodulationsqualität fest Filterung auf NF Niveau Leistungsfähiger PC (Soundkarte) nötig Software zur Anzeige interessanter Parameter, zur Bedienung dieser und zur Kontrolle der Funktion nötig Bei 64 Bit Systemen ist ein MS signierter Treiber notwendig Grundsätzlich wird aus dem I und dem Q Signal auf NF Ebene das gewünschte Nutzsignal zurückgewonnen. Dazu muss die Soundkarte in Stereo mit sehr guten Kanaltrennungen versehen sein. Da die Soundkarte, in Grenzen, für den TX Zweig anderen Kriterien unterliegt, sind einige der Meinung, dass man einen PC mit zwei Soundkarten ausstatten sollte und je eine für den jeweiligen Zweig einsetzen sollte. Die Umschaltung der Bandbereiche (und auch deren Grenzen, wenn gewünscht) übernimmt die Software des PC dadurch, dass sie die Steuerung des VCO (dieser schwingt auf der 4 fachen Arbeitsfrequenz) entsprechend limitiert. Zum Einsatz kommen fast ausschließlich IC‘s vom Typ Si570, die es in unterschiedlichen Qualitätsstufen gibt. Diese unterscheiden sich deutlich im Preis und in der möglichen höchsten Frequenz © Roland Schultner DL8XS

11 Empfangsprinzipien Geradeausempfänger Überlagerungsempfänger
Sonderform des Superhets ist der Direktüberlagerungsempfänger. Bei ihm ist die Oszillatorfrequenz gleich der Empfangsfrequenz. SDR sind oft nach diesem Grundprinzip gebaut, da es eine weitere Frequenzumsetzung erspart. Die einzelnen Komponenten müssen allerdings auch auf der höchsten Arbeitsfrequenz funktionsfähig sein. Das ist für 2m oder 145MHz dann 600Mhz und für 70cm eben darüber. Hier wird dann aber auch wieder konventionell runtergemischt. Ohne Selektionsmittel Auch als Doppelsuperhet und Als Aufwärts- oder Abwärtsmischer © Roland Schultner DL8XS

12 Software Defined Radio (LIMA)
LIMA ist ein typischer Vertreter des Direktmischprinzips. Der Si570 schwingt auf 4-162MHz. Umschaltbare Teilerverhältnisse lassen dann unterschiedliche Eingangsfrequenzen zu. Alle diese Einstellungen werden von der SDR SW erzeugt und über den USB Port an den LIMA gegeben Empfangszweig © Roland Schultner DL8XS

13 Software Defined Radio (LIMA)
Umschaltlogik für Preselektor Der blaue Bereich ist für das Verständniss der Funktion unwichtig. Die Umschaltlogik für den Preselector wird aus der Steuerlogik für die Teilerverhältnisse gewonnen. Dadurch erspart man sich einen besonderen Bedienvorgang. Der Preselector schaltet automatisch auf die verschiedenen Bänder um. 0-500kHz 0,5-1MHz 1-2MHz 2-4MHz 4-8MHz 8-15MHz 15-22MHz 22-30MHz Empfangszweig © Roland Schultner DL8XS

14 Software Defined Radio (LIMA)
Beim bleuen Pfeil kommt das NF Signal über einen Tiefpass und einen Impedanzwandler (Erzeugung der I und Q Signale mit ihren 0° und 180° resp 90° und 270°) Der Schalter 7474 wird durch den VCO gesteuert und schaltet alle 90° eins der Signale I oder Q durch auf den Treiber des TX Sendezweig © Roland Schultner DL8XS

15 LIMA Empfangplatine RX Platine des LIMA mit den Preselectorfiltern am linken Rand. Die USB Buchse vom PC zur Steuerung der Funktionen Die Kopfhörerbuchse als Ausgang der I und Q Signale vom RX © Roland Schultner DL8XS

16 LIMA Sendeplatine Die TX Platine enthält viel Schaltlogik für die PTT Umschaltung, die Steckbuchsen für die verschiedenen Anschlüsse, sowie die LED zur Zustandsanzeige des TRX Beide Platinen lassen sich mit etwas Geduld in ein gemeinsames Weissblechgehäuse zwängen und darin betreiben. Die Leistung der Endstufe des TX habe ich mit 1,5 Watt vermessen, wobei nur 1 Watt vorgesehen ist und ich daher auch versuche, diesen Wert nicht zu überschreiten © Roland Schultner DL8XS

17 Software für SDR Diverse Software verfügbar
Power SDR (FlexRadio Systems) SDRadio (keine Kontrolle des VFO) Winrad (heißt jetzt HD-SDR) HB9DRV Beträchtliche Unterschiede vorhanden GUI optisch oft zwar gut, aber Funktionen fehlen Keine Mitführung des DLL VCO Wasserfalldisplay fehlt Oder, oder, oder… © Roland Schultner DL8XS

18 Power SDR in der neuesten Form.
Eine Installationsanleitung für 64bit Windows 7 Systeme liegt mir vor und ist im Internet downloadbar Solche Funktionen, die im Lima nicht vorgesehen sind (verschiedene Frequenzbereiche und spezielle Filter im HF Bereich) lassen sich natürlich nicht steuern. Da das meiste der Funktionen jedoch im PC entsteht, kann auch ein LIMA diese Funktionen „geniessen“ © Roland Schultner DL8XS

19 Zusammenfassung SDR läßt leistungsfähige TRX Konzepte zu
Aufwand kann zunächst klein sein und bleiben Die Anforderungen an den PC (Soundkarte) sind erheblich 64 Bit Systeme benötigen MS signierten Treiber Schon DVB-T Sticks sind brauchbare Versuchskaninchen (kein TX) Ersatz für kommerzielle TRX ist möglich, aber aufwendig Preselektoren und TX Filter Endstufen und deren eigenen Probleme Softwaresupport Auch die Hardware hat entscheidenden Einfluss auf die Performance eines SDR TRX. Was nicht genügend per HW unterdrückt erzeugt wird, wird immer auch seinen Weg auf die Antenne finden (und umgekehrt). Letztlich handelt es sich i.W. immer um eine Direktmischprinzip mit allen seinen Vor- und Nachteilen. Ich danke für die Aufmerksamkeit © Roland Schultner DL8XS

20 Ich danke euch für‘s zuhören Zeit für Fragen!
© Roland Schultner DL8XS