B. Kainka:

Software Defined Radio

Elektor-Verlag, 2008

Vorwort

Im Mai 2007 hat Elektor das Software Defined Radio mit USB-Schnittstelle vorgestellt. Ziel war ein möglichst einfacher Empfänger, der aber durch den Einsatz geeigneter Software sehr gute Empfangsergebnisse liefern kann. Die erforderliche Software erhält man kostenlos im Internet. Schon nach wenigen Monaten hatte dieser neue Empfänger eine weite Verbreitung gefunden. Auch die Software-Unterstützung wurde immer besser, weil zahlreiche Autoren den Empfänger mit in ihre Geräteliste aufgenommen haben. Inzwischen findet man auch Bedienungshinweise, Erweiterungen und Tipps und Tricks im Netz. Das Radiohobby hat sich wirklich verändert, denn erst im Zusammenhang mit PC und Internet wird es richtig interessant.

Die Vielfalt der Möglichkeiten erschwert die Orientierung. Deshalb wurde dieses Buch geschrieben. Das Ziel ist ein Überblick über Aufbau, Software und Bedienung des Software Defined Radio. Außerdem werden Selbstbauprojekte vorgestellt, die es erlauben, mit geringsten Kosten eigene Empfänger zu entwickeln. Denn das Thema entwickelt sich laufend weiter. Es bleibt spannend.

Ich wünsche allzeit guten Empfang!

Burkhard Kainka

Die SDP-Technik entwickelt sich rasant weiter. So ist es inzwischen sogar möglich, die gesamte Bandbreite von Null bis 30 MHz ohne Mischer an einen AD-Wandler zu führen und auszuwerten. Das hier beschriebene Konzept mit Verwendung der Soundkarte ist aber immer noch geeignet für den ersten Einstieg in die SDR-Technik, egal ob mit dem Elektor-SDR oder mit kleineren Baugruppen wie dem IQ-Mischer. Allgemein ist die Software Entwicklung das Nadelöhr. Die Verarbeitung der IQ-Signale kann man mit VB austesten, siehe SDR-Software mit Visual Basic. Die größeren Programme wie SoDiRa oder Dream werden laufend weiter entwickelt. Insbesondere beim DRM-Empfang und für SSB ist das SDR-Konzept zahlreichen Stand-Alone Lösungen überlegen.

Inhalt:

1 Einleitung    9
1.1 Analoge und digitale Radiotechnik    9
1.2 Empfängerkonzepte    11
2. Der IQ-Mischer    13
2.1 SDRadio    13
2.1 Spiegelunterdrückung    14
2.3 Schaltungstechnik    16
2.4 Soundkartentest    20
3 Software Defined Radio mit USB-Schnittstelle    23
3.1 Entwicklungsziele    23
3.2 Steuerung und Stromversorgung über den USB    24
3.3 Der programmierbare VFO    26
3.4 Signalverarbeitung    27
3.5 Der Aufbau    28
3.6 Inbetriebnahme    31
3.7 Decodersoftware    33
3.8 Einsatz eines externen Netzteils    35
4 SDR-Bedienung von Anfang an    37
4.1 Einstellungen der Soundkarte    37
4.2 Der USB-Anschluss    40
4.3 Rechter und linker Kanal    42
4.4. AM-Empfang    45
4.5 Abstimmsoftware SDRelektor.exe    44
4.6 SDRelektor2.exe   49
5 Antennen und Vorverstärker   52
5.1 Langdrahtantennen    52
5.2 Koaxkabel   54
5.3 Ferrit-Breitbandübertrager    56
5.4 Behelfsantennen    60
5.5 Ferritantenne und Loopantenne    61
5.6 Kurzwellen-Schwingkreise    62
5.7 HF-Vorverstärker    63
5.8 Eine aktive Magnetantenne   64
6 Softwaredecoder DREAM    64
6.1 Installation    67
6.2 DRM-Empfang    68
6.3 Direkte Abstimmung mit DREAM    78
6.4 AM und SSB-Empfang    80
7 DRM Disco    84
7.1 Installation und Initialisierung    84
7.2 DRM-Stationen    85
7.3 AM-Stationen    87
8 SoDiRa    89
8.1 Einstellungen    89
8.2 AM-Empfang    91
8.3 DRM-Empfang   92
8.4 AM-Stereo    93
8.5 FM-Stereo    94
9 G8JCFSDR    96
9.1 Installation und Initialisierung    96
9.2 Bandpläne    100
9.3 Empfangsparameter    102
10 VLF und Ultraschall    105
10.2 VLF-Antennen und Filter    105
10.2 Ultraschall und Fledermäuse    106
10.3 Ein HF-Modulator    110
11 Abstimmbare Oszillatoren    112
11.1 Programmierbarer Quarzoszillator    112
11.2 DDS-Generator mit AD9835    122
11.3 PLL-Taktgenerator ICS307-2    126
11.4 Frequenz-Vervielfacher ICS501    128
12 Eigenbau-IQ-Empfänger    131
12.1 Die Mischerplatine    131
12.2 Verwendung eines HF-Übertragers    133
12.3 Differenzverstärker    134
12.4 Vorstufe und ZF-Verstärker    139
12.5 I/Q-Empfänger mit ICS307-2    141
13 SDR-Software mit Visual Basic    143
13.1 Zugang zur Soundkarte    143
13.2 IQ-Spektrum    145
13.3 SSB-Empfang    147
14 DRM-Superhet    151
14.1 Schaltung und Aufbau    151
14.2 DDS-Abstimmung    159
14.3 Steuerung in Visual Basic    162
14.4 Steuerung über USB    163
14.5 Automatik-Präselektor    166
15 Anhang    169
15.1 Literaturhinweise und Internetadressen    169
15.2 Bezugsquellen    170


1.1 Analoge und digitale Radiotechnik

Von der Entwicklung der digitalen Elektronik blieben die Radios lange Zeit völlig unberührt. Als es schon Homecomputer gab, waren die meisten Radios noch analog. Dann setzte allmählich eine Entwicklung ein, zumindest die Abstimmung zu digitalisieren. Heutige Autoradios sind fast immer mit einem PLL-Synthesizer ausgestattet, denn das vereinfacht die Abstimmung und garantiert ein genaues Einhalten der Kanalraster. Der Rest der Schaltung ist aber nach wie vor analog.

In der kommerziellen HF-Technik und im Amateurfunk ist inzwischen die digitale Elektronik angekommen. Immer mehr analoge Funktionen der Geräte werden durch Software ersetzt. Meist arbeitet ein Digitaler Signal-Prozessor (DSP) mit der passenden Software weitgehend unsichtbar für den Benutzer und sorgt für optimale Filterkurven, variable Bandbreite, Signaldekodierung, Entstörung und vieles mehr. Die Geräte werden damit insgesamt bei weniger Hardware-Aufwand besser. Leider aber ist die Software-Entwicklung so aufwändig, dass sich diese Technik dem Hobbyanwender weitgehend verschließt.

Inzwischen hat aber der PC einen Siegeszug in den privaten Bereich angetreten, sodass fast in jedem Haushalt ein Computer mit reichlich Rechenleistung steht. Da der PC meist schon vorhanden ist, kann er auch gleich etwas Sinnvolles tun und Funktionen eines modernen DSP übernehmen. Und hier bietet sich dem auch wieder dem Hobbyelektroniker ein breites Betätigungsfeld. Mit der Rechenleistung des PCs und der Qualität einer modernen Soundkarte ist im Prinzip alles möglich, was in teuren HF-Geräten üblich ist. Einstellbare Bandbreite, automatische Verstärkungsregelung, Störaustastung, variable Noch-Filter, verschiedenste Demodulatoren, all das ist in Software realisierbar. Damit schrumpft der Aufwand für die zusätzliche Hardware immer mehr zusammen. Das erforderliche HF-Frontend muss nicht aufwändig sein und kann mit Hobbymitteln leicht aufgebaut werden.

ELEKTOR hat inzwischen zwei Empfänger vorgestellt, die jeweils ein ZF-Signal im Bereich unterhalb 24 kHz direkt in die Soundkarte liefern. Der erste Entwurf ist der DRM-Empfänger aus Heft 3/04 (vgl. Kap 15), der speziell für den Empfang des digitalen Rundfunks konzipiert wurde, aber natürlich auch alle anderen Betriebsarten beherrscht. Das Gerät wurde weit über tausendmal gebaut und ist damit einer der meistverbreiteten DRM-Empfänger. In Heft 5/07 wurde dann das Software Defined Radio mit USB-Schnittstelle vorgestellt (vgl. Kap. 3), das mehr als Allround-Empfänger zwischen 30 kHz und 30 MHz gedacht ist. Dieser „Elektor-SDR“, wie er inzwischen meist genannt wird, hat ebenfalls in kurzer Zeit eine weite Verbreitung gefunden. Für beide Geräte gibt es inzwischen eine hervorragende Softwareunterstützung. Viele Entwickler bieten kostenlose Software für die verschiedensten Einsatzbereiche an. Allein schon alle Möglichkeiten auszuprobieren, ist ein langwieriges Unterfangen. Die HF-Empfangstechnik hat damit wieder etwas von dem ursprünglichen Abenteuer der Anfangszeit zurück gewonnen.

Aber auch die Entwicklung völlig eigener Empfänger ist mit der SDR-Technik immer einfacher geworden. Die große Empfindlichkeit der Soundkarte erlaubt den Einsatz von Empfängern ganz ohne Verstärkung. Für die ersten SDR-Versuche reicht schon ein passiver Mischer mit einem geeigneten Oszillator.

Lange Zeit schien es so, als wäre die Zeit des Radiobastelns vorbei. Aber dann kam mit der Entwicklung des digitalen Rundfunks DRM neuer Schwung in das Kurzwellen-Hobby. Ohne DSP-Technik geht es nicht, denn eine rein analoge Schaltung zum DRM-Empfang ist prinzipbedingt unmöglich. Also wurden Konzepte entwickelt, den PC und seine Soundkarte mit einzubeziehen. Wenn auch am Anfang speziell DRM-Empfänger gebaut wurden, dämmerte es Vielen nach kurzer Zeit, dass mit derselben Hardware sehr viel mehr möglich ist. Es ist nur eine Frage der Software, damit auch AM, FM, SSB oder andere Betriebsarten zu verarbeiten. Auch Spezialitäten wie AM-Stereo sind machbar. Und wenn schon der Empfänger komplett über Software gesteuert wird, lassen sich auch all die Dinge verbessern, die mit der alten Empfangstechnik nie richtig überzeugen konnten. Dazu gehört z.B. die Abstimmung nach Stationslisten und Sendeplänen. Es braucht nur noch einen Mausklick, um auf eine andere Frequenz der gleichen Station zu wechseln. Und das Suchen nach interessanten Stationen macht erst richtig Spaß, wenn man jederzeit sieht, wer da sendet. Ohne gedruckte Frequenzlisten kann man nun gezielt nach Stationen aus einer bestimmten Region oder für ein bestimmtes Zielgebiet suchen.