Software Defined Radio

Transkript

1 Software Defined Radio Erfahrungen beim u des Lima- Vortrag im Hackerspace Bremen Matthias Renken, DL9BDI

2 Übersicht Motivation - vom DVB-T Stick zum TRx Technik uvorschlag: Lima Erweiterungen von U02 Erfahrungen Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 2 2

3 Motivation vom DVB-T Stick zum TRx Die erste Berührung mit häufig über DVB-T Sticks Kostengünstige Hardware Erlaubt schnelle Erfolge als Empfänger Empfangsbereich ca MHz Aber keine Kurzwelle Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 3

4 Motivation vom DVB-T Stick zum TRx Für Kurzwelle ist up-conversion notwendig, z.b. um 100MHz Gibt es als uvorschlag oder Fertiggerät Erlaubt Empfangsbereich ab 100kHz 100MHz up-converter Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI DVB-T Stick 4

5 DVB-T Stick auf Kurzwelle, SSB Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 5

6 DVB-T Stick auf Kurzwelle, CW Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 6

7 DVB-T Stick auf Kurzwelle, mangelhafte Preselection UKW-Radiosender Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 7

8 DVB-T Stick macht Appetit Man erahnt die -Möglichkeiten Nachteile der Einfachlösung: Geringer Dynikumfang von 48dB Keine Vorselektion Schlechte Temperaturstabilität Kein Sendebetrieb möglich Es soll ein Transceiver her aber mit Erfolgserlebnis Selbstbau. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 8

9 Was ist eigentlich das Besondere? Zeitdomäne vs. Frequenzdomäne HF-Signale haben Zeitverläufe Klassische Mischerkonzepte extrahieren daraus eine Frequenz plus ndbreite Schöner wäre, ein ganzes nd auf einmal zu sehen Zeit- und Frequenzbereich können über Fouriertransformationen ineinander umgewandelt werden Dafür muss die HF digitalisiert und einem Rechner zugeführt werden t fft f0 fclassic f f Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 9

10 vs. DSP DSP = Digital Signal Processing Dient der kontinuierlichen digitalen Verarbeitung von analogen Signalen Oft im Audiobereich zur Signalverbesserung eingesetzt DSP = Software Defined Radio Modulation oder Demodulation von Sendesignalen durch Computertechnik Ein Transceiver mit DSP ist noch lange kein. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 10

11 -Transceiver Technik Beim Receiver soll die Verarbeitung (z.b. Filterung, Demodulation, etc) durch Berechnung erfolgen. D.h. Die HF muss computerlesbar zur Verfügung gestellt werden. Dafür gibt es 2 Ansätze Direct Digital Conversion (DDC) Quadrature Spling Conversion (QSC) Prinzip der wird im Folgenden nur empfangsseitig dargestellt, sendeseitig funktioniert genauso nur anders herum Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 11

12 -Transceiver Technik Direct Digital Conversion Die HF wird direkt durch A/D-Umsetzer direkt in digitale Informationen umgesetzt. HF Daten strom fhf A/D fsple Sple Oszillator C Breitbandige A/D-Umsetzer notwendig Es entstehen hohe Datenraten auf der Digitalseite (> 1GB/s) fsple> 2* fhf Leistungsfähige Rechner erforderlich Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 12

13 -Transceiver Technik sisbandmischung Durch Mischung wird das HF-Signal auf ein niederfrequentes Signal herabgesetzt HF fhf Mischer flo seband (Audio) PC fzf Mischung auf Audiofrequenz zur Nutzung von Soundkarten Spiegelfrequenzunterdrückung? LO Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 13

14 Direktmischung und Spiegelfrequenzen Beispiel: HF-Signal bei flo=3.700 MHz fhf/mhz fzf/khz 3.8 fhf/mhz fzf/khz Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 14

15 Es geht immer um Wellen y=a*sin(f*t+ )+d Hier A=2 f=1 =-30 d=0,2 y=2*sin(t-30)+0,2 Modulation erfolgt durch Änderung einer der Größen Aus: Quadrature Spling, S Wetterlin, 2007 Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 15

16 Sin/Cos/I/Q/Hä? Aus: Quadrature Spling, S Wetterlin, 2007 y=a*sin(t- )+d Messen bei y(0 ) : -0,8 y(90 ) : 1,93 y(180 ) : 1,2 y(270 ) : -1,53 Nenne 0 I Nenne 90 Q Viele Signalgrößen lassen sich aus diesen Werte ableiten y ( 0 ) + y ( 180 ) y ( 90 ) + y ( 270 ) = = 0,2 2 2 ( I d )2+(Q d )2=2 a arctan ( d (I d ) )= 30 (Q d ) Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 16

17 -Transceiver Technik Quadrature Spling Conversion Signaltheorie1 liefert eine Lösung für gute Spiegelfrequenzunterdrückung: QSC Das HF-Signal wird zwei-fach mit dem LO gemischt: Direkt mit LO Mit LO mit 90 Grad verschobener Phase Hierdurch entstehen zwei analoge Mischsignale I und Q 1 Hierzu gibt es eine Menge Literatur. Auf die Details wird heute verzichtet. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 17

18 Prinzip QSC HF fhf Mischer I Signal (Inline) cos fhf Q Signal (Quadratur) Mischer sin 90 LO flo Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 18

19 Vorteile QSC Durch I und Q können Spiegelfrequenzen in folgender Stufe rausgerechnet werden. Praktisch vollständige Unterdrückung möglich I und Q können genutzt werden, um alle Modulationsarten zu demodulieren Das Verfahren kann auf HF, ZF oder NF verwendet werden Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 19

20 Begriffsklärung Quadrature Spling Detector QSD (Tayloe Detector) HF fhf fhf Mischer I Signal (Inline) Q Signal (Quadratur) Mischer 90 LO flo Quadrature Spling Converter QSC Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 20

21 Vom QSC zum Receiver Jetzt muss das ganze noch in den Rechner Analog Digital Konvertierung Analoge Verstärker Mischer PC AnalogDigital Umsetzer A/D I Computer A/D Mischer Q 90 A/D Umsetzer auf der Soundkarte des PCs PC Hardware ist Teil des Receivers LO Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 21

22 Vorfilterung notwendig Ein Preselector hilft empfangs- und sendeseitig. Analoge Verstärker Mischer PC AnalogDigital Umsetzer A/D I Preselector Computer A/D Mischer Q 90 LO Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 22

23 Empfangsfrequenz vom PC aus steuern Ein variabler LO wird vom PC über die USB Schnittstelle gesteuert. Analoge Verstärker PC AnalogDigital Umsetzer Mischer A/D I Preselector Computer A/D Mischer Q 90 LO USB Interface Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 23

24 HF-statt LO-Verschiebung Erzeugung des 90 versetzten LO Signals nur aufwändig über Hilberttransformator möglich. Statt Mischung mit 90 versetztem LO auch Betrachtung des 90 verschobenen HF Signals möglich 0 90 I Q I 360 Q HF-Signal Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 24

25 QSD mit Tayloe Methode Bei der klassischen Frequenzmischung ins sisband entstehen Summen- und Differenzsignal. Das Summensignal wird nicht genutzt, daher Mischerverlust real 4-6dB. Tayloe ersetzt Mischung durch Integration über einzelne Signalphasen Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 25

26 Tayloe QSD Signalverlauf Das Bild zeigt fhf = FLO 0 /180 und 90 /270 enthalten redundante Informationen C1=-C3 C2=-C4 Wenn f durch Modulation HF LO-Takt variiert, verändert sich im gleichen Maß auch die Ladungsdifferenz der Cs. Integration C1 C2 C3 C4 HF-Signal Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 26

27 Vorteile der Tayloe Methode Das Eingangssignal wird 4 mal pro Periode gespelt bei 0, 90, 180 und 270 Zwischen diesen Zeitpunkten wird das Eingangssignal integriert Verlust nur etwa 1dB. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 27

28 Tayloe QSD Schaltbild Rotierender HF Multiplexer Integrations C Aus Dan Tayloe: Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 28

29 Tayloe QSD I/Q Generierung Gegenphasige Addition der Splingwerte durch einen Operationsverstärker generiert die I und Q Werte I Q Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 29

30 PC ist Teil des Transceivers Soundkarte enthält ADC (Stereo!) Bestimmt De/Modulationsqualität Heute günstig möglich 192kHz Abtastrate 24 Bit Auflösung Macht die Vergleichbarkeit von -Konzepten schwierig Kann auch als USB Soundkarte ergänzt werden. Rechnerleistung gängiger PCs/Notebooks reicht für den Betrieb aus. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 30

31 Kits DDC Keine (jedenfalls nicht einfach beschaffbar) Fertiggeräte WinRadio WR-G31DCC, (nur RX) Sun2, (5W TRX) Flex-6000, DDCs werden wir nicht weiter betrachten. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 31

32 Kits QSC Eine ganze Menge FA Lima U02 Softrock mchf Preise beginnen ab 200 Prinzipiell alle gleich aufgebaut Unterschiede in der Ausführung der Komponenten (QSD auf Fetsis, Durchgangsdämpfung, Preselectorschärfe,...) Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 32

33 Auswahlkriterien für ein Selbstbauprojekt Abdeckung gewünschten Frequenzbandes Nachbausicherheit Erfahrungswerte Preis Verfügbarkeit Integration in bestehendes Gerätelandschaft Integration in bestehende Software (Digimodes, Logbuchprogrme) Support aus Deutschland Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 33

34 Mögliche Kandidaten FA usatz der Zeitschrift Funkateur Wenig eigene uleistung erforderlich Lima- Entstanden im OV L02 Komplettbestückung notwendig/kein SMD U02- Detailverbesserungen der obigen beiden Komponentenweise nutzbar McHF Standalonegerät in SMD-uweise Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 34

35 Lima- - Receiver Entwickelt 2011 im OV L02, Duisburg 0,25 MHz bis 30 MHz Spiegelfrequenzunterdrückung f0 > 50 db Lima, RX-Board aus MDS ohne Vorverstärker -130 dbm umappe, L02 Kleinster Abstimmschritt 1 Hz Max. Receiverbandbreite 48, 96, 192 khz je nach Soundkarte PC-Schnittstelle USB 2.0 Buchsentyp B Soundkartenanschluss 3,5mm Klinkenbuchse Stereo Antenneneingang 50 Ohm über Schraubklemme Stromversorgung 12V-13,8V, 300mA Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 35

36 Lima- - Transmitter 0,5 MHz bis 30 MHz Soundkartenanschluss 3,5mm Klinkenbuchse Stereo Pout Treiber: 12dBm (15mW) PPA Treiber: 30dBm (1Watt) Lima, TX-Board aus umappe, L02 Spiegelfrequenzunterdrückung > -60 dbc Oberwellen - 10 dbc Betriebsspannung 12V Stromaufnahme inkl Receiver: Empfang <= 480 ma Senden (1Watt) <= 700 ma Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 36

37 Lima- Receiver - Schaltung Vorverstärker QSD I/Q Verstärker Preselector Progrmierschnittstelle Preselectorsteuerung TayloePhasenschalter Progrmierbarer LO, 4*f 0 Lima, RX-Schaltung aus umappe, L02 Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 37

38 Lima- Transmitter - Schaltung Tayloe QSD Lima, TX-Schaltung aus umappe, L02 Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 38

39 Erweiterungen für Lima, der U02 Initiative des OV, yerwald Verschiedene Ergänzungen für Lima und FA Ziel: Verbesserung der s zu vollständigem KW Transceiver Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 39

40 U02 Verbesserung an Lima RX Stabilisierung Spannungsversorgung Ersatz von Stecker durch Direktverbindung Trennung von TX und RX Platine ndumschaltung für Mittel- und Langwelle Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 40

41 U02 Verbesserung an Lima TX Effektive Modulator-Endstufentransistoren Verbesserung der Kontaktprobleme der Klinkenstecker Herausführen von Signalen für Erweiterungen Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 41

42 U02 Erweiterungen 1 Preselector Austausch gegen Relaisbasierenden Selector Gewinn 10dB Tiefpassfilter Ausgang 10 Watt PA Mikrofon- und Lautsprecherverstärker Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 42

43 U02 Erweiterungen 2 Touchdisplay Power/SWR Messbrücke 100W PA Aus: Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 43

44 Mögliche Software Unter Windows eine ganze Menge Rocky Winrad Power Unter Linux noch zu testen Quisk GNUradio Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 44

45 Und was kostet es? Preise schwer zu nennen Was braucht jeder einzelne? Was ist schon vorhanden (uteile, Gehäuse,...)? In welches Gehäuse soll das Ganze? Wo wird bestellt (Porto, Verpackung)? Welche Erweiterungen sind gedacht? Benötige ich eine Endstufe z.b. auf 100W? Benötige ich einen neuen PC/Soundkarte? Im folgenden nur Anhaltspunkte Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 45

46 Neuerer Ansatz: mchf Kompletter standalone KW Transceiver Ca 15W HF Out Betriebsarten USB, LSM, AM, FM 2,8 Farbdisplay Integrierter Ibic Keyer 48kHz Spektrumdarstellung Überwiegend SMD Technologie Entwickelt von Chris, M0NKA Preis (ganz ungefähr) 400 Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 46

47 McHF Eindrücke 1/2 Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 47

48 McHF Eindrücke 2/2 Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 48

49 Jetzt kurz innehalten... Der finale Ausbau kann so viel kosten, wie ein kleiner Transceiver Was kann ich selbst wirklich leisten? Es kann nicht garantiert werden, dass jede Software funktioniert, evtl gibt es Treiberprobleme Einstrahl und Störfestigkeit ist ohne gutes Gehäuse ein Problem Nach der stelphase lässt das Interesse schnell nach Soundkartenqualität entscheidet über den Erfolg Aus: Alexander, DL5VZ: Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 49

50 Erfahrungen - Aufbau Die Anleitung ist ausgezeichnet und gibt hohe Nachbausicherheit. Wenn nach Anleitung aufgebaut wird, funktioniert der Transceiver sofort. Gutes Werkzeug und sorgfältiges Arbeiten sind notwendig Lieferung von Reichelt prüfen und sofern möglich, uteile direkt vor dem Einbau noch einmal durchmessen. Ein Oszilloskop bis 120MHz ist sehr hilfreich aber nicht notwendig. Mailing-Liste der stler ist empfehlenswert, um schnell Fragen zu stellen. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 50

51 Erfahrungen Gehäuse Das vorgeschlagene Gehäuse ist sehr knapp. Keine Bedienteile möglich Keine Antennenbuchse möglich Besser großzügiger auslegen Für ausreichende Kühlung der Spannungsregler sorgen Achtung, CT1086-Regler haben an der Kühlfahne Spannung liegen, auf jeden Fall mit Glimmerscheibe und Isolierbuchsen Gehäuse arbeiten. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 51

52 Empfängerplatine Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 52

53 Preselector Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 53

54 SI570 Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 54

55 Antennenanschluss Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 55

56 NF-Anschlüsse Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 56

57 Erfahrungen PC Der PC ist Teil des Transceivers und braucht genau so viel Aufmerkskeit wie die Hardware! Gute Soundkarte erforderlich (z.b. Terratec Aureon Xfire) Notebooks haben in der Regel nur einen Mono-Eingang keine Spiegelfrequenzunterdrückung Rechnerleistung von PCs reicht aus. Es gibt sehr viele Kombinationen von Software und Treibern, nicht alle funktionieren gut. Ab Windows 7 eignet sich Power 2.3 sehr gut. Treiber von der mitgelieferten CD nehmen. Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 57

58 Vielen Dank für Eure Aufmerkskeit Kontakt: Dr. Matthias Renken, DL9BDI Erfahrungen beim Lima-u, DL9BDI 58