"Software Defined Receiver" (SDR-Empfänger)

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SDR ist heute in zahlreichen Bereichen State-of-the-Art und findet in viel mehr Geräten Verwendung, als man zunächst glauben mag. (Foto-) Beispiele gibt es am Ende dieses Beitrages. Ende 2011 habe ich mich ausführlich mit SDR-Empfängern für Frequenzen bis ca. 30 Mhz (also Lang-, Mittel- und Kurzwelle) beschäftigt. Jetzt (erst) will ich hier meine Erfahrungen schildern.

Es fing an mit dem elektor-SDR-Empfänger, den Burkhard Kainka hier beschreibt. Auf seiner Seite werden auch kurz die Theorie und die schaltungstechnischen Grundlagen beschrieben - das schenke ich mir deshalb hier!

Erste Empfangsversuche damit liefen erfolgreich, aber viel mehr als ein Spielzeug ist der elektor-Empfänger nicht!

Inspiriert von den Design-Verschlägen des OM YU1LM - OM = liebevolle Abkürzung für Funkamateur ("Old Man") - auf seiner Web-Seite habe ich mich an den Entwurf eines ersten Prototypen gewagt:

Fig. 1: Versuchsaufbau des SDR-Empfängers in der Totalen: oben der DDS-Baustein mit AD9851, mittig der IQ-Mixer mit 74LVC4066 und der IQ-Teiler mit 74AC74, unten der OP-Amp-Block mit 8x NE5534, links Teile des Preselektors

SDR-Receiver Schematic

Zunächst habe ich meinen altbekannten DDS-Generator für die IQ-Mixer-Ansteuerung verwendet. Das Schaltbid der ersten Empfängervariante sieht komplizierter aus, als es ist. Oben links wird das Generator-Signal verstärkt und in ein Digitalsignal gewandelt. Dieses steuert die Teilerkette an, die die jeweils um 90° gedrehten Taktsignale für die Ansteuerung der elektronischen Schalter (74LVC4066) liefert. Nach diesen 4 Schaltern stehen 4 gesampelte (schreibt man so?) Signale (I, /I, Q und /Q) an, die anschließend einen sehr rauscharmen und hochaussteuerbaren (Differenz-) Verstärkerblock durchlaufen. Der niederfrequente Anteil der Mischprodukte wird hier also verstärkt und erscheint dann an den Ausgangsbuchsen (einmal "normal" und einmal um hoffentlich genau 90° verschoben). Im Grunde ist das Prinzip vom Direktüberlagerer bekannt; hier gleich 2x. Diese Signale gelangen anschließend über den Soundeingang in den Rechner (bei mir ein Netbook) und mittels passender Software werden sie demoduliert. Die um 90° verschobenen Signale werden so verrechnet, dass die Spiegelfrequenz unterdrückt wird. Je genauer die Generator-Phasenlagen und je besser die Eingangsfilter der Soundkarte sind, um so besser gelingt die Unterdrückung!

Bevor man sich an den Bau macht, sollte getestet werden, ob die Qualität der Soundkarte stimmt: hier steht, wie es geht.

Die von mir verwendete Software ist für die ersten Versuche ideal. Sie verlangt lediglich geringe Rechenleistung. Dafür kann die Software den Mixer-Generator nicht ansteuern. Das Abstimmen habe ich zunächst also von Hand gemacht. Dabei ist zu beachten, dass wegen der Art der Teilerkette die Generatorfrequenz 4x so hoch wie die Empfangsfrequenz sein muss! Mein DDS-Generator (50 Hz bis 75 MHz) ist daher nur bis ca. 18 MHz (75 MHz / 4) Empfangsfrequenz geeignet.

So habe ich nach Alternativen zur Takterzeugung gesucht, die den Frequenzbereich nach oben erweitern. Das Ergebnis sind Empfänger-Variante 2 und Variante 3. Diese beiden Schaltungen unterscheiden sich lediglich im linken Teil von der ersten Schaltung. Einmal wird eine andere Teilerkette verwendet (mit inverser Ansteuerung) und ein anderes mal wird ein fertiger DDS-Baustein mit komplementären Signalausgängen bemüht. Der Effekt ist derselbe: die obere Empfangsgrenze ist verdoppelt! Aber........

Zunächst zur Variante 2: es scheint einleuchtend, dass das funktionieren sollte. Auf den ersten Blick. Die Phasenlage ist durch die Art der komplementären Takterzeugung leider nicht garantiert. Die Signalform vor dem Komparator ist nicht so schön sinusförmig, wie man sie gerne hätte und die Schaltschwelle des Komparators ist frequenzabhängig. Mit P2 lässt sich die Optimierung lediglich für einen bestimmten Frequenzbereich durchführen. Kurz: die Taktsignale sind unsymmetrisch (unterscheidlich lange 0- und 1-Phasen). Damit ist nach den Teilern die 90°-Beziehung nicht mehr gegeben und die Spiegelfrequenzunterdrückung funktioniert nicht optimal.

Variante 3: ein fertiger DDS-Baustein mit AD9851 wurde bestellt und etwas modifiziert, damit sich der Chip-interne Komparator präziser einstellen lässt für gute komplementäre Signale VOUT+ und VOUT-. Zur Einstellung der Frequenz wurden kurzerhand die Steuerleitungen meines DDS-Generators verwendet (ebenfalls AD9851). Das Ergebnis ist vergleichbar der Variante 2. Nicht wirklich gut.

Fig. 2: Der testweise verwendete DDS-Generator mit AD9851 ist für wenige EURO über ebay direkt aus China zu beziehen.

Am besten ist die Version 1 mit dem phasenstarren synchronen Johnson-Zähler. Dann muss man den Teilungsfaktor 4 halt in Kauf nehmen...

Fig. 3: Als Mixer findet der 4-fach-Schalter 74LVC4066 Verwendung. Der wird in der Literatur als bester Kompromiss gelobt. Leider wird er in einem unhandlichen Gehäuse geliefert, sodass eine Adapter-Platine nötig ist

Fig. 4: Der Operationsverstärker-Block in "ugly construction"-Bauweise. Das Poti trimmt auf exakt gleiche Verstärkung der beiden Signalpfade

Fig. 5: Mein Frequenzgenerator muss herhalten als Lieferant für die Steuersignale des DDS-Bausteines

Hier nun meine Empfangserfahrungen:
die Erfahrungen sind gemischt. Einerseits überrascht der kleine Empfänger mit doch beachtlicher Empfindlichkeit. Andererseits gibt es reichlich Schattenseiten. Unbedingt empfehlenswert ist zunächst ein (niederohmiger) Preselektor am Empfängereingang. Ich habe mich angelehnt an diese Beschreibung (die Transformatoren TR1 und TR2 sind Amidon-Ringkerne vom Typ FT 50-43). Als Antenne findet bei mir eine magnetic loop antenna Verwendung. Man nehme einige Meter abgeschirmtes Antennenkabel RG 58/CU und forme daraus eine vertikale Schleife (ca. 2,5 m Durchmesser - probieren!). Die Seele des einen Endes muss dabei mit dem Mantel elektrisch verbunden werden. Am anderen Ende wird ein Antennenstecker montiert. Die ganze Anordnung ist bei mir auf dem Dachboden aufgehängt. Die Empfangsergebnisse sind durchweg ausgezeichnet bis ca. 10 MHz. Ich habe auf Mittelwelle noch nie soviele Sender gehört (in diesem Falle mit meinem FRG-7). Diese Antenne ist dabei höchst transportabel und schnell einsatzbereit. Vermutlich ist der Antenneneingang bzw. der Preselektor fehlangepasst. Der Widerstand dieser Antenne wird stark frequenzabhängig sein. Trotzdem funktioniert sie für den Empfang besser als zu erwarten war.

Fig. 6: Am fernen Ende wird eine Bananenbuchse montiert. Eine Stecknadel wird mit einem Bananenstecker verlötet. Diese Nadel wird vorsichtig so durch die äußere Mantelung geschoben, dass ein elektrischer Kontakt zustande kommt. Nicht zu tief, sonst gibt es einen Kurzschluss! Dann den Stecker in die Buchse stecken - fertig!. Soll die Antenne entfernt und transportiert werden, wird einfach der Bananenstecker aus der Buchse gezogen und das Kabel kann aufgewickelt werden. Die Nadel verbleibt im Mantel!

Weiter mit den Empfangserfahrungen: mittels der beschrieben Software lässt sich die Demodulationsart und die Bandbreite einstellen - feine Sache!! Abgestimmt wurde, wie schon beschrieben, von Hand am Generator. In den unteren Frequenzbereichen macht der Empfänger Spaß. Mit zunehmender Frequenz wird es kritischer. Zum einen nimmt das Grundrauschen stetig zu, die Empfindlichkeit also ab. Gemessen habe ich das nicht. Zum anderen gibt es mit zunehmender Frequenz Pfeif- und Zwitscherstellen. Grund ist der inzwischen veraltete AD9851. Vom Prinzip ist das Signal nur bei niedrigen Frequenzen halbwegs sauber. Danach gibt es Spurious-Stellen (Nebensignale). Der AD9851 verwendet intern einen 10-Bit DAC. Der SFDR (Spurious Feee Dynamic Range) ist daher nicht ausreichend groß und dazu stark frequenz- (genauer: Steuerwort-) abhängig: >43dB sagt das Datasheet. Dieser Wert ist nicht ausreichend groß und somit für das Zwitscherkonzert verantwortlich. Mit einem freilaufenden (analogen) Mess-Oszillator (an Variante 1) habe ich durchweg gute Ergebnisse erzielt. Leider kann dieser Generator lediglich ca. 100 MHz liefern. Und dann steigt meine Verstärker- und Komparatorschaltung so langsam aus... Weitere Versuche stehen noch aus. Weitaus bessere Ergebnisse lassen neuere DDS-Chips erwarten: 14-Bit DAC, 1 GHz Taktfrequenz (also kein Problem mit dem 4x-Faktor) mit weitaus besserem SFDR. Besser wäre ein Generator, der von Haus aus bereits die 90°-Signale erzeugt. Gibt es!

Gerade letztere hochgezüchtete DDS-Generatoren sind aber sehr stromhungerig und eigentlich ist die hohe Auflösung völlig unnötig: erst wird mit hohem Aufwand ein präzises Sinussignal erzeugt, nur um es in der nächsten Stufe wieder zu digitalisieren und für die Ansteuerung der IQ-Schalter aufzubereiten... Als vermutlich bessere Alternative bieten sich mehrfach verschachtelte PLL-Schleifen an, die direkt die nötigen Digitalsignale erzeugen können. Diese sind aber nicht gerade trivial, besonders wenn über den gesamten Frequenzbereich kleine Schritte (im einstelligen Hertz-Bereich) einstellbar sein sollen.

Es müsste nun diese Alternative versucht werden. Im Netz gibt es reichlich Vorschläge. Da würde ich bestimmt fündig werden und das Ergebnis wäre bestimmt akzeptabel. Eine softwaremäßige Steuerung der Empfangsfrequenz ist dabei schließlich auch ein MUSS. Ich habe allerdings mit den USB-Anschlüssen (darüber würde die Steuerung letztendlich geschehen) negativer Erfahrungen gemacht: es ist ausgesprochen schwierig, das Einstreuen von Fremdsignalen (USB-Signale) in den Empfänger-Pfad zu vermeiden. Oft ist ein konstanter Rauschteppich zu hören, der mit Ziehen des USB-Steckers verschwindet...

Und dann ist die Dekodierung über den Soundeingang neben der Schwierigkeiten beim Einhalten der Phasenbedingungen auch sonst zu stark einschränkend: bei etwas über 20 kHz ist der Frequenzgang meist am Ende. Das bedeutet, dass das sichtbare Spektrum im Dekoder knapp über 40 kHz breit ist. Da würde man mehr erwarten. Da geht man z.B. mit dem SDR-Empänger Perseus andere Wege. Das Konzept ist aber für den Hobby-Bastler nur schwer nachbaufähig... Genial ist die folgende Seite: ein Remote-SDR-Empfänger mit einer Spektrumbreite von 30 MHz - durchgehend, beginnend bei Null!! (Java muss installiert sein).

Vorerst warte ich auf fruchtbare Geistesblitze...

Ansonsten folgen nun einige Bilder von heute typischen SDR-Empfängern (da, wo man sie zunächst nicht erwarten würde):

Fig. 7: In einem DECT-Schnurlos-Telefon!

Fig. 8: In einem (digitalen) Satelliten-Receiver

Fig. 9: In einem DVB-T-Stick für unter 20 €

Fig. 10: Innenansicht: links die Antennenbuchse, rechts der USB-Stecker. So sieht Hochfrequenztechnik von heute aus. Keine Vorstufe, aber Schutzdioden am Eingang

Fig. 11: Tunerchip E4000 von elonics. Rechts daneben sind schön die 4 IQ-Koppel-Kondensatoren zu sehen!

Fig. 12: Demodulator-Chip Realtek RTL2832U. Er nimmt die 4 Signale des "Tuners" auf und speist den USB-Anschluss

Mit der Kombination E4000 / RTL2832U gibt es zahlreiche kleine Empfänger im USB-Stick-Format zum Empfang von DVB-T, DAB, UKW. Meist kommt die Referenz-Implementierung fast unverändert zum Einsatz. Natürlich gibt es Alternativ-Software (z.B. diese) für diese Sticks, die dadurch zu Universal-Empfängern mit allen erdenklichen Modulationsarten werden. Verwendet man statt dieser genannten Sticks solche mit dem Tunerchip R820T, so erhält man einen Empfänger, der schon unter 30MHz startet und das E4000-typische Loch um 1200Mhz nicht hat! Schaltet man nun noch einen Konverter vor, so lässt sich auch Lang-, Mittel- und Kurzwelle damit hören - mit einer max. darstellbaren Spektrumsbreite von ca. 4 MHz !!!

Meine Erfahrung dazu: der Empfänger mit dem Tuner-Chip E4000 ist deutlich empfindlicher. Der direkt bei nooelec.com bestellte Stick mit dem Tuner R820T bleibt deutlich hinter dem E4000-Stick zurück und zeigt bei bestimmten Frequenzen seltsame "Lattenzäune" im Frequenzspektrum. Vielleicht handelt es sich dabei aber lediglich um ein Montagsgerät...

Wird fortgesetzt!

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