Pappradio SDR - eine Open Source SDR- Software

Transkript

1 Pappradio SDR - eine Open Source SDR- Software Programmierung und Copyright: Stefan Fendt Dokumentation: Kim Hübel 1/19

2 Inhalt SDR-Grundlagenwissen Aufbau eines Software Defined Radio Download, Kompilieren, Installation und Konfiguration Download des Quellcodes Erstellen der Binärpakete Kompilieren unter Linux Kompilieren unter Windows Installation der übersetzten Binärpakete Installation unter Linux Installation unter Windows Konfiguration der Software Einstellungen der Soundkarte(n) Auswahl der Eingangs-Soundkarte Auswahl der Ausgangs-Soundkarte Einstellung der Sampling-Rate Korrektur der Sampling-Rate Kalibrieren der Empfängerhardware Einstellen der Frequenzabweichung des Quarzes im Pappradio Einstellen der Dämpfungswerte der Dämpfungsglieder im Abschwächer Grundlegende Bedienung Umschaltung der Betriebsarten Die verschiedenen Betriebsarten und ihre Anwendungsbereiche AM FM SSB (USB/LSB) CW Einstellen der Empfangsfrequenz Grundsätzliches VFO-Frequenz im Pappradio einstellen Tatsächliche Empfangsfrequenz einstellen Umschaltung der Filter-Bandbreiten Steuerung der Abschwächer Steuerung des Preselectors Einstellung der AGC Aktivierung des Auto-Notch-Filters Aktivierung des digitalen Noise-Reducers Aktivierung der Rauschsperre Umschaltung der Feldstärkeanzeige Erste Schritte Beispiel: Empfang eines Kurzwellen-Radiosenders Fortgeschrittene Nutzung der Software Anbindung von externer Decodersoftware Spezielles rund um Soundkarten-SDRs (Zero-IF-IQ-SDRs) Aliasing Pfeifstellen Scharfer Single-Zero-IF-Peak Mehrere (weitestgehend) scharfe Spektral-Linien im Bereich der Zero-IF Rauschbuckel und/oder AM-Signal Häufig gestellte Fragen (FAQ) Warum ändert sich der Ausschlag des S-Meters nicht oder nur wenig, wenn ich z.b. das 30dB-Dämpfungsglied aktiviere? 2/19

3 SDR-Grundlagenwissen Aufbau eines Software Defined Radio Ein Software Defined Radio 1, im Folgenden SDR genannt, besteht im Grunde aus den drei fundamentalen Funktionsblöcken eines Empfängers: 1. HF-Stufe 2. Signalverarbeitung 3. Benutzerschnittstelle Die wohl am häufigsten - da am günstigsten - verbreitete Variante eines SDR-Systems sind die so genannten Empfänger nach dem Quadrature Sampling Detector 2 -Prinzip (QSD). Beim HCJB-Pappradio 3 handelt es sich z.b. speziell um einen Basisband-I/Q-Empfänger (Direktmischempfänger 4 ). Speziell für das Pappradio wurde das Programm Pappradio SDR entwickelt. QSD-Empfänger werden in aller Regel über eine Soundkarte, die entweder im Empfänger selbst eingebaut ist oder eine im PC verbaute oder per USB/Firewire angebundene Soundkarte darstellt. Diese Soundkarte bekommt ein auf ein Basisband von ca. 0 khz heruntergemischtes HF-Signal als so genanntes I/Q-Basisbandsignal zur weiteren digitalen Verarbeitung. Die Verarbeitung selbst übernimmt nun eine Softwarekomponente - die SDR-Software. Pappradio SDR ist eine solche Software, welche gleichermaßen unter Windows wie unter Linux lauffähig bzw. kompilierbar ist. Sie stellt neben der digitalen Verarbeitung des Basisbanssignals auch die Benutzerschnittstelle dar, die die Interaktion des Benutzers mit dem Empfangssystem ermöglicht /19

4 Download, Kompilieren, Installation und Konfiguration Download des Quellcodes ToDo Erstellen der Binärpakete Kompilieren unter Linux ToDo Kompilieren unter Windows ToDo Installation der übersetzten Binärpakete Installation unter Linux ToDo Installation unter Windows Um das PappradioSDR unter Windows zu installieren ist vor der eigentlichen Installation der Software (bzw. spätestens vor dem ersten Start des Programmes) sicher zu stellen, dass das Microsoft Visual C Redistributable Package (x86) installiert ist wenn nicht die x86-version von Microsoft Visual C++ installiert ist, welches von der Microsoft-Website kostenlos zu laden ist 5. Wenn man sich die Software nicht selbst kompiliert hat, ist zudem vorher entweder der Installer oder die Zip-Version des PappradioSDR unter downloads/list zu laden. Den Installer ruft man einfach auf und folgt den Anweisungen. Im Falle der ZIP-Datei entpackt man die Datei in ein beliebiges Verzeichnis und startet entsprechend die im Verzeichnis release sich befindliche EXE-Datei. Konfiguration der Software Beim Start des Programms öffnet sich der Konfigurationsdialog, der es ermöglicht, diverse Einstellungen bezogen auf die Soundkarte bzw. die Empfängerhardware vorzunehmen. Die Einstellungsmöglichkeiten seien im Folgenden beschrieben. Einstellungen der Soundkarte(n) Pappradio SDR unterstützt für den Audio-Eingang und den Audio-Ausgang grundsätzlich die Nutzung verschiedener Soundkarten, sofern mehrere Soundkarten im Rechner vorhanden sind. Es sollte jedoch generell die gleiche Treiberart in der Konfiguration für die verwendeten Soundkarten genutzt werden. 5 Aktuell unter 6de6-4d3a-a423-37bf0912db84 4/19

5 Auswahl der Eingangs-Soundkarte Mittels einer Auswahlbox kann aus allen im System gefundenen Treiber- und Soundkartenkombinationen das passende Eingangsgerät ausgewählt werden. Nach Möglichkeit sollte aus Performance-Gründen hier unter Windows der WDMKS-Treiber gewählt werden. Die Einstellungen werden im Abschnitt Input-Device vorgenommen. Auswahl der Ausgangs-Soundkarte Mittels einer Auswahlbox kann aus allen im System gefundenen Treiber- und Soundkartenkombinationen das passende Ausgabegerät ausgewählt werden. Nach Möglichkeit sollte aus Performance-Gründen hier unter Windows der WDMKS-Treiber gewählt werden. Die Einstellungen werden im Abschnitt Input-Device vorgenommen. Einstellung der Sampling-Rate Die Einstellung der Sampling-Rate hat unmittelbaren Einfluss auf die im Wasserfall sichtbare Bandbreite. Im Abschnitt Samplerate kann über eine Auswahlbox die entsprechend passende Samplingrate ausgewählt werden. Hierbei sollte die maximale Samplingrate der Soundkarte nicht überschritten werden, da dies zu Darstellungsfehlern und Problemen beim Empfang führen kann. Korrektur der Sampling-Rate In Abhängigkeit der verwendeten Soundkarte kann es bei der realen Abtastrate (Samplingrate) zu Abweichungen von der nominellen Abtastrate kommen. Diese Abweichungen sind ebenfalls korrigierbar über die beiden Auswahlboxen FS-Deviation (ppm) bzw. FS-Real, je nach dem, ob die Abweichung in Promille bzw. die reale Abtastrate bekannt sind. 5/19

6 Kalibrieren der Empfängerhardware Einstellen der Frequenzabweichung des Quarzes im Pappradio Durch Produktstreuung in der Grundfrequenz der im Pappradio verwendeten 10 MHz- Quarze ist ein Kalibrieren der Frequenzabweichung im Konfigurationsdialog vorgesehen. Dies sollte man, wenn man wert auf halbwegs korrekt angezeigte Frequenzangaben legt, an dieser Stelle auch vornehmen. Um die Frequenzabweichung zu kalibrieren kann folgendermaßen vorgegangen werden: Man stellt als VFO-Frequenz 9990 khz ein und sieht entsprechend in der Nähe von 9996 khz das Signal des russischen Zeitzeichensenders RWM 6. Dieser sendet nach einem fest vorgegebenen Sendeplan jeweils verschiedene Signalformen aus: Minute 0:00 bis 7:55: Dauerträger Minute 8:00 bis 9:00: kein Signal Minute 9:00 bis 10:00: CW-Kennung des Senders (also im Morsecode 7 ) Minute 10:00 bis 19:55: Zeitzeichensignal mit Sekundenpuls Minute 20:00 bis 29:55: DXXXW-Signale, kennzeichnet sich durch einen stark pulsierenden Ton Für die Minuten gilt die Wiederholung des obigen Sendeschemas Das bedeutet also, dass man diesen Zeitzeichensender die meiste Zeit sehr gut als Frequenznormal hernehmen kann, um z.b. den Frequenzversatz zu kompensieren. Eine Kalibrierung kann nun auf verschiedenem Wege erfolgen: Auf optischem Wege - sprich den Kalibrierungsfaktor solange verändern, bis die Nadel im Wasserfalldiagramm auf der richtigen Frequenz steht (grundsätzlich muss das Programm derzeit immer wieder neu gestartet werden, um den Korrekturfaktor verändern zu können). Auf akustischem Wege - indem man die Empfangsfrequenz auf 9995 khz einstellt und entsprechend den Korrekturfaktor dahingehend verändert, dass das Piepsen des Zeitzeichensenders auf 1000 Hz liegt. Hierbei ist die akustische Ausgabe aus den Lautsprechern relevant und nicht die Anzeige im NF-Wasserfall. Für den durchschnittlichen Anwender sollte eine Kalibrierung auf optischem Wege hinreichend genau sein. Die Einstellung des Korrekturfaktors erfolgt im Konfigurationsdialog, der sich beim Programmstart öffnet. Hier wechselt man auf die Lasche Hardware /19

7 Im oberen Viertel des Fensters findet man ein Segment XTal-Deviation (PPM), wo nun der Korrekturfaktor mittels der Pfeiltasten neben der Textbox eingestellt werden kann. Bei der Wahl des Korrekturfaktors gilt: Wenn die eingestellte Empfangsfrequenz im Programm höher ist, als die tatsächliche Frequenz des Senders, so muss mit einem negativen Wert kompensiert werden, im umgekehrten Fall (die angezeigte Frequenz liegt unterhalb der tatsächlichen) wählt man einen positiven Wert. Wenn man den Kalibrierungsfaktor berechnen möchte, kann man dies mit folgender Formel: Sollte man den Zeitzeichensender RWM an seinem Standort nicht empfangen können, eignet sich für die Kompensation natürlich jeder beliebige Sender, dessen Trägerfrequenz hinreichend genau bekannt und stabil ist. Bei der Wahl des Referenzsenders gilt: Je höher die Sendefrequenz des Referenzsignals ist, umso genauer kann die Kalibrierung erfolgen. Einstellen der Dämpfungswerte der Dämpfungsglieder im Abschwächer Normalerweise kann dieser Schritt unterbleiben, da die hier voreingestellten Werte auf der Basis realer Messungen verschiedener Exemplare von Pappradios entstanden sind und einen guten Mittelwert darstellen. Hier vorgenommene Einstellungen haben jedoch direkten Einfluss auf die angezeigte Feldstärke (S-Wert/DB-Wert) in der Frequenzanzeige. Möchte man also die angezeigten 7/19

8 Werte des Pappradio SDR an die gewohnten S-Werte eines Referenzempfängers an gleicher Antenne angleichen, wären entsprechende Korrekturen dieser Werte erforderlich. 8/19

9 Grundlegende Bedienung Wer bisher mit herkömmlichen analogen Empfängern seine Erfahrungen gemacht hat und nun auf einen SDR umsteigt (oder diesen zusätzlich zu seiner analogen Ausstattung hinzu nimmt), wird viele Gemeinsamkeiten, aber auch einige Unterschiede in der Bedienung der Empfänger feststellen. Viele Dinge sind, da die Signalverarbeitung und die Benutzerschnittstelle nun Bestandteil der sogenannten digitalen Domäne geworden sind, einfacher und effizienter umzusetzen, andere wiederum erst in dieser Art möglich geworden. Umschaltung der Betriebsarten Die Umschaltung der Betriebsarten erfolgt durch einfachen Klick mit der Maus auf einen der passenden Taster (CW, LSB, USB, AM, FM) im Mode-Bereich direkt unterhalb der Frequenzanzeige. Die verschiedenen Betriebsarten und ihre Anwendungsbereiche AM AM ist die klassische Amplitudenmodulation 8, wie sie noch heute im Rundfunkbereich auf Mittel- und Kurzwelle Verwendung findet. In der Regel haben die Radiosender eine Signalbandbreite von 9 khz (Mittelwelle) bzw. 10 khz (Kurzwelle), was bei der Auswahl der passenden Filterbandbreite eine Rolle spielen kann. FM FM bezeichnet die Frequenzmodulation 9, die hauptsächlich auf der Kurzwelle im Amateurfunkbereich (10m-Band) bzw. im CB-Funk benutzt wird. Die hier verwendeten Bandbreiten sind recht verschieden. SSB (USB/LSB) SSB (Single-Side-Band) wird die Einseitenbandmodulation 10 genannt, wobei hier wiederum zwischen oberen Seitenband (USB) und unterem Seitenband (LSB) unterschieden wird. Sie findet hauptsächlich bei kommerziellen Funkdiensten und im Amateurfunk, sowie auch seit kurzer Zeit legal im CB-Funk Verwendung. Kommerzielle Funkdienste wie z.b. der internationale Flugfunk und dergleichen nutzen dabei bevorzugt die USB-Modulation. Im Amateurfunk hingegen wird für Signale unterhalb der 10 MHz-Grenze die LSB-Modulation verwendet, oberhalb von 10 MHz wiederum auch die USB-Modulation. Im CB-Funk sind beide Varianten zu finden /19

10 CW CW ist die technische Bezeichnung für die Morsetelegraphie (Continuous Wave 11 ) auf Funk. Hier wird streng genommen nicht ein HF-Signal moduliert, sondern der Sender direkt getastet, also konkret das HF-Signal ein- und ausgeschaltet, was wiederum in der passenden Betriebsarteneinstellung als Piep-Signal zu hören ist. Einstellen der Empfangsfrequenz Grundsätzliches Die Funktionsweise des Pappradios (und vieler anderer SDR-Empfänger) ist die, dass zunächst die Empfangshardware mit ihrem lokalen Oszillator (LO) auf eine Mittenfrequenz abgestimmt wird, welche die Zentrumsfrequenz des angezeigten Wasserfalls darstellt. Um diese Zentrumsfrequenz herum kann nun mit einer Gesamtbandbreite der eingestellten Abtastfrequenz (Samplingrate) der Soundkarte innerhalb des Spektrums ein beliebiges Signal decodiert/demoduliert werden. Bei der Frequenzeinstellung stellt man also immer zunächst die VFO-Frequenz auf einen für den Empfang brauchbaren Wert ein und nimmt über die Einstellung der Tune-Frequenz die tatsächliche Empfangsfrequenzeinstellung vor. VFO-Frequenz im Pappradio einstellen Um die VFO-Frequenz einstellen zu können, bewegt man die Maus über die Frequenzanzeige (LO) auf die entsprechende Stelle der Frequenz, die man ändern möchte, und dreht am Scrollrad der Maus, um die Stelle um einen entsprechenden Wert zu erhöhen/ erniedrigen. Dies wiederholt man für alle entsprechenden Positionen der LO-Frequenz, bis die gewünschte Frequenz eingestellt ist. Alternativ kann man die LO-Frequenz auch über die Cursor-Pfeiltasten steuern. Hierzu dienen die Pfeil-Hoch- und Pfeil-Runter-Tasten. Hierbei ist zu beachten, dass mit längerem Drücken der Tasten entsprechend die Schrittweite, mit der abgestimmt wird, vergrößert wird. Wichtig: Hierbei ist zu beachten, dass systembedingt die LO-Frequenz nur im 1 khz- Bereich einstellbar ist. Der Grund liegt in der LO-Frequenzerzeugung des Pappradios bzw. des hier verwendeten PLL-Chips. Tatsächliche Empfangsfrequenz einstellen Die Einstellung der tatsächlichen Empfangsfrequenz kann analog der Einstellung der VFO-Frequenz erfolgen, indem man die Maus über die Frequenzanzeige (Tune) auf die entsprechende Stelle der Frequenz bewegt, die man ändern möchte, und am Scrollrad der Maus dreht, um die Stelle um einen entsprechenden Wert zu erhöhen/erniedrigen /19

11 Alternativ kann man auch über einen Klick im Wasserfalldiagramm die Frequenz auf ein dort vorhandenes Signal abstimmen (click & tune). Ebenso kann man die LO-Frequenz auch über die Cursor-Pfeiltasten steuern. Hierzu dienen die Pfeil-Links- und Pfeil-Rechts-Tasten. Hierbei ist zu beachten, dass mit längerem Drücken der Tasten entsprechend die Schrittweite, mit der abgestimmt wird, vergrößert wird. Umschaltung der Filter-Bandbreiten Die Umschaltung der Filterbandbreite erfolgt im Bereich ZF/AF-Filter im rechten mittleren Bereich des Programmes durch Klick auf die gewünschte Filterbandbreite. Die Auswahl eines Filters bewirkt, dass nur ein entsprechend breiter Frequenzbereich zu hören ist (beginnt bei ca. 200 Hz und endet bei der eingestellten Filterbreite). Die Auswahl der passenden Filterbreite ist dabei sehr davon abhängig, welches Signal zu empfangen ist und wie die allgemeine Störsituation im entsprechenden Frequenzbereich sich darstellt. So kann es beim Empfang von Kurzwellen-Radiosendern durchaus auch hilfreich für eine bessere Verständlichkeit sein, ein etwas schmäleres Filter (z.b. 4,5 oder 4 khz) zu wählen, wenn sich direkt neben der gewünschten Aussendung ein starker Nachbarsender befindet, der womöglich noch über die eigentliche Kanalbreite hinaus moduliert. Steuerung der Abschwächer Die Auswahl der gewünschten Abschwächereinstellung erfolgt über einen Klick auf einen der vier entsprechenden Buttons im Bereich Attenuator. Bei der Auswahl des passenden Abschwächers spielen viele Faktoren eine Rolle. So ist z.b. die Leistungsfähigkeit der Antenne genauso ein Maß, welches bei der Wahl Einfluss hat, wie die allgemeine Störungssituation im gewählten Frequenzbereich oder eben auch die Signalstärke der gewünschten Aussendung. Hier ist also ein wenig persönliche Erfahrung gefordert, um jeweils für die aktuelle Empfangssituation eine zufriedenstellende Wahl zu treffen. Eine Auswahl eines Abschwächers hat übrigens bewusst keine/kaum eine Auswirkung auf die angezeigte Feldstärke des empfangenen Signals, da über die Abschwächer lediglich die Interferenzprodukte minimiert werden 12. Steuerung des Preselectors Das Pappradio besitzt 4 eingebaute Bandpassfilter, die durch die Software Pappradio SDR automatisch entsprechend der eingestellten LO-Frequenz geschaltet werden. Man kann 12 Vergleiche hierzu die FAQ 11/19

12 aber diese automatische Auswahl durch eine manuelle Auswahl des entsprechenden Filters über die Buttons links unten im Abschnitt Preselector übersteuern. Zusätzlich zu den vier vorbestückten Filtern ist auch eine Aktivierung der frei bestückbaren zusätzlichen drei Filtern vorgesehen (User 1 bis User 3). Einstellung der AGC Die Automatic Gain Control (AGC) regelt die Verstärkung des Basisbandsignals so nach, dass sich auch bei unterschiedlicher Empfangsfeldstärke nach der Demodulation ein stabiler Signalpegel ergibt und die Regelzeit lässt sich entsprechend über die Buttons rechts unten im Bereich Automatic Gain Control einstellen. Hier sind sich jeweils verdoppelnde Zeitwerte von 250 ms bis 4000 ms einstellbar. Die Auswahl der AGC-Zeit ist in erster Linie abhängig von der jeweilig aktivierten Betriebsart und dem eigenen Hörgefühl. In der Regel lässt sich sagen, dass für Sprechfunk und Radioprogramme tendenziell eher längere AGC-Zeiten gewählt werden, für CW wiederum eher kürzere. Hier ist individuell abzuwägen, in welcher Empfangssituation welche Einstellung für die Verständlichkeit der Aussendung am ehesten zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt. Aktivierung des Auto-Notch-Filters Pappradio SDR hat eine sehr effektive Methode implementiert, Störungen basierend auf einer konstanten Tonfrequenz zu eliminieren - den Auto-Notch-Filter. Durch Aktivierung desselben wird eine Filterkurve über das Signal gelegt, die einzelne konstant vorhandene Frequenzen dämpft und die durch die Software selbst bestimmt wird. Dieses Filter kann man z.b. dazu nutzen, um Pfeifstellen durch Träger anderer Sender innerhalb der Empfangsbandbreite zu eliminieren und dadurch die gesamte Signalverständlichkeit zu verbessern. Ein- bzw. Auszuschalten ist diese Funktion über die Taster am unteren Ende in der Mitte rechts mit der Beschriftung ANF on/off. Aktivierung des digitalen Noise-Reducers Um eine weitere Signalverbesserung zu erhalten kann der digitale Noise-Reducer (DNR) aktiviert werden. Hierbei werden Störungen aus dem Nutzsignal herausgerechnet, so dass sich ein insgesamt besser verständlicheres Signal ergibt. 12/19

13 Der DNR lässt sich über die Taster unten rechts aktivieren bzw. deaktivieren. Aktivierung der Rauschsperre Das Programm besitzt eine eingebaute, von der Feldstärke abhängig gesteuerte Rauschsperre, die auf einfachem Weg z.b. im FM-Betrieb das störende Rauschen unterdrückt und den Empfänger somit in Empfangspausen stummschaltet. Diese Rauschsperre lässt sich per Mausklick auf die Punktleiste über der Feldstärkeanzeige aktivieren und in der Ansprechschwelle entsprechend nach eigenen Wünschen einstellen. Umschaltung der Feldstärkeanzeige Die Feldstärkeanzeige ist umschaltbar von S-Stufen auf dbm und umgekehrt. diese Umschaltung erfolgt durch einfachen Mausklick auf die Zahlenwerte unterhalb der Balkenanzeige, die die Feldstärke visualisiert. Bei jedem Klick mit der Maus wird jeweils auf das andere Maßsystem umgeschaltet. 13/19

14 Erste Schritte Beispiel: Empfang eines Kurzwellen-Radiosenders Im nun folgenden Praxisbeispiel soll der Empfang eines Kurzwellensenders, hier KBS World aus Seoul, Republik Korea, auf 3955 khz um 20 Uhr UTC gezeigt werden. Dieser Sender wurde exemplarisch ausgewählt, da dieser in Deutschland zu besagter Zeit vom Senderstandort Skelton in England sehr gut und mit einfachen Antennen zu empfangen sein sollte. Zunächst stellt man die VFO-Frequenz auf ca khz ein, um das tatsächliche Nutzsignal aus der ungünstigeren Mitte des Wasserfalls zu bringen. Die Mitte, wie auch die äußeren Ränder, ist deswegen ungünstig, da hier je nach verwendeter Soundkarte massive Probleme mit der Linearität der Analog-Digitalwandlung auftreten. Es empfiehlt sich daher, die VFO-Frequenz immer ca. 10 khz niedriger (oder höher) zu halten als die eigentliche Empfangsfrequenz. Dann stellt man den Abschwächer auf einen Wert von -20 db, um einen ersten mittleren Wert zu haben. Wichtig ist auch die Wahl der korrekten Betriebsart - AM wäre für den Fall des Rundfunkempfangs korrekt. Die ZF/AF-Filterbreite kann man auf 4,5 oder 5 khz stellen. Die AGC-Einstellung kann man auf 1000 ms einstellen. Nun sollte entsprechend der Sender zu empfangen sein. 14/19

15 Fortgeschrittene Nutzung der Software Anbindung von externer Decodersoftware Externe Decodersoftware lässt sich aktuell in der Regel (spezielle Soundkarten mit internem Loop-Back-Device ausgeschlossen) über Drittanbietersoftware zur Emulation einer Soundkarte wie z.b. dem Virtual Audio Cable 13 (VAC) anbinden. Hierbei wird als Sound-Ausgang im Pappradio SDR das virtuelle Soundkabel ausgewählt und in der Decodersoftware wiederum gleiches als Eingangsquelle. Um nun auch eine Audio-Ausgabe des Empfangssignals zu erhalten, startet man entsprechend einen Audio- Repeater (ebenfalls im Startmenü des VAC zu finden) und konfiguriert diesen entsprechend mit der Eingangsquelle auf dem virtuellen Kabel und Ausgang auf der realen Soundkarte, die an die Lautsprecher angeschlossen ist. Auf diesem Weg sollten alle gängigen Decoder-Programme, die eine Soundkarte als Eingang akzeptieren, angesprochen werden können /19

16 Spezielles rund um Soundkarten-SDRs (Zero-IF-IQ-SDRs) Immer wieder tauchen Fragen auf bezüglich verschiedener Effekte, die im Zusammenhang mit SDR-Empfängern auftreten, die ihr ZF-Signal über die Soundkarte des PCs digitalisieren lassen. Diese Fragen bzw. Effekte möchten wir an dieser Stelle etwas beleuchten. Zunächst einmal ein Überblick über die Störungen, welche im FFT-Spektrum sichtbar sind: 1. Rausch-"Buckel" bei Zero-ZF (manchmal AM-Signal erkennbar) 2. mehrere weitestgehend konstante Spektrallinien in der Nähe der Zero-ZF 3. ein einzelner scharfer, weitestgehend konstanter Peak genau auf Zero-ZF 4. Pfeifstellen, welche sporadisch auftauchen und wieder verschwinden 5. Aliasing Aliasing Betrachten wir nun einfach mal den einfachsten (und vielleicht auch den am meisten störenden bzw. den Nutzer immer wieder verwirrenden) Punkt - und das ist der letzte Punkt: "Aliasing 14 ". Auch wenn die Ergebnisse von Herrn B. Kainka 15 (sein Anti-Aliasing-Tester ist im Wesentlichen nichts anderes als ein Rechteck-Generator) für einige Soundkarten nahelegen, dass sie aliasfrei seien, so habt der Entwickler des PappradioSDR in den letzten Jahren keine einzige wirklich aliasfreie Soundkarte (nicht einmal High-End-Modelle) finden können. Das liegt daran, dass das Anti-Alias-Filter unbedingt vor dem ADC liegen muss und dass entsprechende analoge Filter sehr aufwändig und somit sehr teuer sind. Aus diesem Grund behelfen sich die Soundkarten-Hersteller seit Jahren mit einem Trick: Oversampling. Man weiß, dass das menschliche Ohr nur Frequenzen bis ca. 20kHz überhaupt hören kann. Und dies auch nur dann, wenn die betreffende Person sehr, sehr jung ist und das Signal in dem Bereich zudem sehr, sehr laut ist. Denn auch Jugendliche sind im Frequenzbereich 15-20kHz mit sehr gedämpften Hörfähigkeiten ausgestattet. Wer's nicht glaubt, der sei an dieser Stelle auf die Wikipedia und dort auf die Equal-Loundness-Curve 16 verwiesen. Oversampling: Was macht das und warum hilft es bei "normalem" Audio-Recording und nicht bei SDR-Empfang? Bei "normalem" Audio-Recording muss, damit wir das Aliasing nicht hören können, nur der Frequenzbereich von 0-20kHz aliasfrei sein. Da man für die Samplerate 44,1kHz dann einen analogen Anti-Aliasfilter benötigt, welcher innerhalb des Bereiches 20kHz-22,5kHz um ca. 90dB abfallen müsste ohne einen nennenswerten Passband-Ripple und Phasenfehler aufzuweisen und ein solches Filter schlicht unmöglich ist, nimmt man einen wesentlich einfacheren Filter der dann nicht so steilflankig sein muss und erhöht einfach die Abtastrate und filtert danach digital (das geht einfach und billig in fast beliebiger Qualität). Früher hat man dann den Nutzern trotz allem nur die 44,1 khz (bzw. 48kHz) Samplerate verfügbar gemacht und alles war in Ordnung. Auch für SDRs. Dann kam "HD-Audio". Größere Zahlen sind, wie wir alle gelernt haben, immer besser. Egal ob sie wirklich besser sind. So ist z.b. eine 3GHz-CPU immer schneller als eine /19

17 1,5GHz CPU.oder etwa nicht? Die Hersteller wissen nur allzu gut, dass niemand(!) 192kHz Abtastrate "benötigt". Weder im privaten Bereich noch im Studio-Bereich. Das liegt einfach daran, dass wir die Frequenzen von 20-96kHz, welche in einem solchen Signal enthalten sind nicht hören können. Fakt ist, wir können mit dem Frequenzbereich Nichts anfangen (zumindest unsere Ohren nicht - der SDR-Receiver hingegen schon. Nur: die Soundkartenhersteller bauen diese Karten nicht für SDR-Anwendungen). Die Hersteller geben uns heute also einfach die "rohe" Samplerate der Chips. Damit sind die HiFi-Zahlen-Fetischisten zufrieden, denn die Zahl ist ja höher. Das Signal an sich, welches die Soundkarte nun liefert, ist jedoch nicht zwangsläufig besser - eher im Gegenteil. Bei typischen "HD"-Soundkarten kann man (abhängig von der tatsächlichen Samplerate) übrigens durchschnittlich etwa den Bereich oberhalb von 0,48 (bei 192kHz) bis 0,85 (bei 48kHz) f_nyquist wegwerfen, da mit Aliasing verseucht. Das macht bei "HD"-Karten und 192kHz Abtastrate einen für SDRs tatsächlich nutzbaren (weil weitestgehend alias-freien) Bereich von +/- 46kHz (bei 48kHz Abtastrate sind's ca. +/-20kHz). Wer's nicht glaubt, mag sich einfach mal die ADC-Datenblätter der relativ weit verbreiteten Xonars ansehen 17. Hinzu kommt, dass mit zunehmender NF-Frequenz (typisch >0,25 FS) die Kanaltrennung bei Soundkarten sinkt. Die Xonars haben z.b. bei 96kHz NF-Frequenz ein so großes Kanalübersprechen, dass fast nur noch ein Mono-Signal verbleibt. Das macht einen IQ- Phasen- oder Amplitudenabgleich (auch als "Spiegelfrequenz-Abgleich"bekannt) in den oberen NF-Bereichen des abgetasteten Spektrums weitestgehend sinnlos. Abhilfe: bessere Antialias-Filter! Da von den Soundkartenherstellern nichts zu erwarten ist, müssen diese in den SDR! Pfeifstellen Diese entstehen entweder durch das eben besprochene Aliasing im Bereich >0,48-0,85f_nyquist, oder durch Beschaltung des ADC auf der Soundkarte oder durch die PLL. Tun kann man gegen diese Dinge nicht viel. Bessere Antialias-Filter würden vielleicht etwas Besserung bringen. Scharfer Single-Zero-IF-Peak Dies ist ein DC-Offset in den gesampelten Daten. Da die allermeisten guten Soundkarten (digitale) Hochpassfilter bei 50Hz haben, sollte dieser bei modernen Karten nicht sichtbar sein. Tritt er doch auf: Schlechte Soundkarte, denn wenn der Hersteller der Karte den DC- Filter "vergisst", dann muss er peinlichst darauf achten, dass er kein DC-Signal auf der Karte produziert... Natürlich kann die Ursache auch ein Konstruktionsfehler des IQ-SDR sein. Das ist aber eher selten der Fall, denn auch da sind in aller Regel Hochpassfilter im Signalzweig vorhanden. D.h. ein etwaig sichtbarer scharfer 0-Hz-Peak ist fast immer auf eine schlechtere Soundkarte zurückzuführen. Mehrere (weitestgehend) scharfe Spektral-Linien im Bereich der Zero-IF Es sind mehrere Ursachen möglich (und auch nachgewiesen). Spannungsversorgung des SDRs oder Netzbrummen streut in den NF-Zweig des SDRs ein. Dann ist es ein Schaltungsproblem des SDRs. Die Einstreuung kann auch in die Soundkarte stattfinden, 17 Die (an sich hervorragenden) Daten des dort verwendeten Cirrus-Logic CS5361 findet man hier: CS5361_F2.pdf, dort auf der Seite 7ff. 17/19

18 dann ist es ein Schaltungsproblem der Soundkarte. Alternativ sind auch "Brummschleifen" als Ursache denkbar. Dann ist es ein Problem mit der Verschaltung von SDR und Soundkarte. Rauschbuckel und/oder AM-Signal Der Rauschbuckel hat eine andere Ursache als möglicherweise auftretende AM-Signale in dem Bereich. Da aber beide Effekte gerne in einen Topf geworfen werden. Der Rauschbuckel kommt durch einen Amok-laufenden Frequenzgang der Soundkarte in dem Bereich zu Stande. Besonders alte Karten von Creative zeigen diesen Effekt. Moderne Soundkarten (egal von welchem Hersteller) zeigen diesen Effekt eigentlich nur noch ganz selten. Häufiger ist heutzutage der "AM-Signal"-Buckel. Dieser äußert sich darin, dass AM-Sender, welche sich außerhalb des gesampleten NF-Bereiches befinden, bei der 0- IF wiederfinden. Dies kann zwei Ursachen haben: Zum einen können die Preselektor- Filter des SDR in die Sättigung gehen. Das passiert vor allem gern bei LC-Filtern in SMD- Bauweise (Pappradio und FiFi-SDR), welche hohe Signalpegel in der Nachbarschaft nicht gut verdauen. Dies kann man nachweisen, wenn der "AM-Buckel" auch Sender betrifft, welche innerhalb des gesampelten Audio-Spektrums liegen. Betrifft dieser AM-Signal-Buckel nur Sender, welche außerhalb des abgetasteten NF-Bereiches liegen, so ist die Ursache bei der Soundkarte zu suchen. Moderne Soundkarten verwenden Delta-Sigma-Wandler. Um Alias-Defekte und Pfeifstellen, welche aus der Soundkarten-Hardware resultieren noch ein wenig besser zu maskieren, wird gerne die Reference-Clock der Soundkarte mit einem Spread-Spektrum-Jitter versehen (Die Clock der Soundkarte wird quasi um ein paar ppm "verrauscht"). Dies führt zu diesem AM-Signal aller naher, aber außerhalb des eigentlichen Samplingbereichs befindlicher Sender, welche durch diesen Jitter immer auf 0Hz "gemischt" werden. Dieser Effekt kann auch durch PLL-Jitter (schlechterer PLL-Chip) im SDR auftreten - man sollte bedenken dass die ICS-703-xy-Chips nicht als RF-Clock-Source gedacht waren. 18/19

19 Häufig gestellte Fragen (FAQ) Warum ändert sich der Ausschlag des S-Meters nicht oder nur wenig, wenn ich z.b. das 30dB- Dämpfungsglied aktiviere? Ein elementarer Fehler aller uns bekannten analogen Empfänger ist, dass sich der S- Meter-Wert mit einem etwaigen Abschwächer im Signalweg innerhalb eines Empfängers ändert. Das ist schlicht gesagt gravierend falsch. Und zwar aus dem Grund, wie die S-Werte definiert sind: 50µV eff am Antenneneingang, bandpassgefiltert auf den Empfangsbereich ist für Kurzwelle als S9 definiert. Ein Abschwächer im Empfänger ist hinter diesem Antennen-/ Empfängereingang und sollte daher den S-Wert nicht verändern. Das dem in konventionellen Empfängern eben doch so ist, hat seine Ursache darin, wie in vielen Empfängern der S-Wert ermittelt wird: Nämlich nach den Abschwächern (und zumeist auch noch nach der AGC). Abschwächer in analogen Empfängern dienen nicht etwa dazu, das Signal leiser zu machen, sondern störende Übersteuerungsprodukte (IMP) aus dem Signal zu entfernen. Bei einem Empfängerkonzept, welches nur einen begrenzten Dynamikumfang hat (analoger Empfänger oder digitaler (SDR) Empfänger mit Fixpunkt-Berechnung) macht es daher Sinn, den vom Attenuator um 30dB abgesenkten Signalpegel so zu belassen, wie er ist. Bei einem Fließkommakern (PappSDR und Perseus) macht das allerdings gar keinen Sinn. Diese Rechenkerne haben systembedingt eine infinite Dynamik. Wenn man hier also weiß, dass das gesampelte Signal um 30dB schwächer ist, als es hätte sein müssen (weil es vor dem ADC abgeschwächt wurde, weil dieser ansonsten übersteuern würde oder der Mischer in die Sättigung gegangen wäre oder aus weiteren bekannten Gründen), dann macht es sehr wohl Sinn es, sobald es als digitales Fließkomma-Signal vorliegt, wieder auf den ursprünglichen Pegel anzuheben. Dies führt aber zu dem komischen (bzw. ungewohnten oder unerwarteten) Effekt, dass abgesehen vom Dynamikumfang (der vom Dynamikumfang des ADC und des Mischers beeinflusst wird), welcher geringfügig sinkt, wenn die -30dB Att eingeschaltet sind, nichts zu passieren scheint. Das ändert sich aber Nachts auf 40/80m schlagartig, wenn so viel Klemmspannung da ist, dass sowohl Filter, wie auch Mischer, wie auch ADC zustopfen, wenn die -30dB nicht drin sind. 19/19