Erfahrungen mit SDR und SDR-Programmierung. Alfred Wullschleger, HB9EPU. 2. Februar USKA Sektion Winterthur
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- Elisabeth Egger
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1 Erfahrungen mit SDR und SDR-Programmierung Alfred Wullschleger, HB9EPU 2. Februar 2011 USKA Sektion Winterthur HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 1
2 Inhalt Teil 1: Einleitung SDR-Strukturübersicht Direktkonverter Teil 2: DSP-Programm & Demonstration Eigene Versuche: Empfängersoftware Demonstration des DSP-Programms Aktuelle Weiterentwicklungen Diskussion Teil 3 aus Zeitgründen verschoben auf später... HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 2
3 Teil 1: Einleitung HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 3
4 SDR-Strukturübersicht Konzepte HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 4
5 SDR-Strukturübersicht Grundsatz Erzeugung eines digitalen Datenstroms durch Signalabtastung und A/D-Wandlung Zwei Empfangskonzepte Schalt-Mischer (z.b. Flex-Radio, FA-SDR) siehe Vortrag vom von HB9BGG und HB9MTN Direktkonverter (z.b. Perseus, QuickSilver, HPSDR) Ziel: Generierung von digitalen I- und Q-Signalen Multiplikation mit cos(omega*t) für I und sin(omega*t) für Q transformiert Frequenzband um Omega nach 0 HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 5
6 Warum I- und Q-Signale? Zusammenhang zw. Zeit und Frequenz wird durch komplexe Zahlen beschrieben 2 reelle Zahlen: Realteil und Imaginärteil es braucht positive und negative Frequenzen Alle Modulationsarten können mit I- und Q- Signalen vollständig beschrieben werden einfache Operationen für Selektion USB, LSB, CW oder AM durch entsprechende Filter z.b. LSB durch Filtersetzung bei negativen Frequenzen z.b. USB durch Filtersetzung bei positiven Frequenzen HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 6
7 Struktur Direktkonverter Sehr schneller Wandler damit grosser Frequenzbereich Omega typisch 2 x 200kS/s à16bit, ab hier PC-Verarbeitung möglich A/D-Wandler FPGA Digital Down Sampling I digital Q digital Antialiasfilter (Analoger Tiefpass) z.b. 16 Bit parallel MHz digital -100kHz Omega +100kHz HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 7
8 A/D-Vorgang Gesamtsignal von 0 bis dsr/2 wird direkt gewandelt sehr hohe Samplingrate dsr nötig für z.b. 55 MHz Bandbreite: dsr > 110 MHz elektrisch saubere Trennung Analogteil (Signale bis S0!) vom Digitalteil (mit Frequenzen jenseits von UKW!) sehr kritisch Empfindlichkeit: hohe Auflösung (z.b. 16Bit) nötig Antialiasfilter zur Elimination von Signalen mit f>=dsr/2 gemäss Abtasttheorem HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 8
9 Digitale Verarbeitung nach dem A/D-Wandler ist alles digital muss immer noch sehr schnell sein: FPGA numerische Erzeugung von Sinus und Cosinus keine Asymmetrie Präzision nur durch Bitauflösung beschränkt digitales Downsampling mit sog. CIC-Filtern mehrstufiges Filtern und Elimination von Samples am Ende ca. 200 ks/s, 2x16 Bit I,Q HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 9
10 Beispiel eines Direktkonverters "Mercury"-Platine aus dem HPSDR-Projekt A/D-Wandler LTC 2208 von Linear Technology MHz Abtastrate, 16 Bit Auflösung FPGA EP3C25Q240 von Altera Quad Flat Pack 240 Pins grösstes Altera-FPGA ohne Ball Grid Array damit auch Selbstbau-Freaks unter den Amateuren das FPGA selbst einlöten können ;-) HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 10
11 Mercuryplatine FPGA LTC2208 FPGA HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 11 Antialias-Filter 52MHz
12 Teil 2: DSP-Programm und Demonstration HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 12
13 Eigene Versuche in DSP-Programmierung Selbermachen ist lehrreich und sehr spannend... HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 13
14 Hardware für die eigenen Versuche: HPSDR Magister (USB) Mercury HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 14 Atlas-Backplane
15 Eigene Versuche: Material Hardware: HPSDR-Mercury+Magister+Atlas Software: Windows XP Programm server.exe von John Melton N6LYT (G0ORX) Initialisierung Mercury+Magister USB zu TCP/IP und umgekehrt portiert von David McQuate WA8YWQ von Linux nach Windows da als Source verfügbar, sehr leicht anpassbar eigenes DSP-Programm HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 15
16 RX-Gesamtstruktur Mercury (RX) Magister (USB) USB I/0 server.exe John Melton USB <--> TCP/IP-Daten UDP IQ- Datenstrom Empfang I-Q-Datenstrom 1024 Samples/Block Commands TCP UDP Audiostrom Hardware Steuerung Mercury NCO-Frequenz Preamp on/off Dither, Random Filterung AGC Spektrumdarstellung Audioaufbereitung Bildschirm Serverprogramm DSP-Programm Userinterface Verst. HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 16
17 Aufbau DSP-Programm benutzt die TCP-Schnittstelle des server.exe Programmiersprachen: C für Echtzeitteile Smalltalk für das Userinterface benutzt das Bibliotheksprogramm fftw3 für die Diskrete Fouriertransformation fftw3 heisst "Fastest Fourier Transform in the West" fast überall im Einsatz (PowerSDR, Perseus...) HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 17
18 Aufgaben des DSP-Programms Spektrumdarstellung mittels digitaler Fouriertransformation und Betragsbildung Demodulation mittels digitaler Filterung S-Meter-Anzeige von -127dBm bis 0dBm präzise, weil direkt gemessen AGC und Notchfilter -48kHz Omega +48kHz HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 18
19 Demonstration DSP-Programm HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 19
20 S-Meter Mittelwert = gemittelter Spektralbetrag über den gewählten Durchlassbereich Peakanzeige = höchster Spektralbetrag im gewählten Durchlassbereich (ca. 1 Mal pro s) HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 20
21 AGC (1) 0 Regelkurve für log(agc) -91dBm -43dBm log(agc)=max bei -43 dbm (max <= 0) mittl.eingangsleistung (m) Einsatzpunkt Regelung (cutoff) log(agc) = max * (1 (m+43)/(cutoff+43)) f.m>cutoff = 0 f.m <=cutoff HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 21 Mittelungszeit (count)
22 AGC (2) zwei gleitende Mittel (g.m.) über die Samples im Durchlassbereich werden gerechnet Maximal-dBmWert = g.m. grösster Spektralwert bewirkt Störunterdrückung bei mehr als -13 dbm Mittel-dBmWert (m) = g.m. des Mittelwertes im Durchlassbereich Mittelungszeit (count) einstellbar ca. 0.3 s bis 1.5 s Audiosamples werden mit agc multipliziert HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 22
23 Notchfilter (1) HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 23
24 Notchfilter (2) 1)Detektion eines störenden Trägers im Durchlassbereich durch Differenzenbildung Feststellung von Spitzen und dann Zählung der Spitzen über viele Buffer gibt ein recht zuverlässiges Signal für die Notchfrequenz fn (in der Praxis sogar besser als bei PowerSDR) 2) schmalbandige Filterung am Ort des Störträgers Benutze ein Tiefpassrechteckfilter H(z) mit c=0, Blackman- Harris, dann Komplementbildung 1 H(z), N+1=501 Verschiebung an fn: gibt ein brauchbares Notchfilter HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 24
25 FIR im Frequenzraum N+1=901 HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 25 Oben: Blackman-Harris, Unten: Rechteck, FIR-Länge 901 bei beiden!
26 FIR N+1=41 HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 26 Oben: Blackman-Harris, Unten: Rechteck, FIR-Länge 41 bei beiden!
27 Erweiterungen: ein Amateur bleibt nie stehen... HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 27
28 Erweiterungen DSP-Programm (1) Senden mit Penelope Penelope ist ein 0.5-Watt-Digital-Upconverter- Steuersender, ebenfalls auf dem ATLAS-Bus Digitalisiertes Eingangssignal vom Mikrophon ist reell (Imaginärteil =0), kommt von Penelope Mittels USB- oder LSB-FIR-Filter daraus I und Q erzeugen braucht also keine neuen Filter-Rechnungen der RX liefert schon alles! (Siehe Demo) via server.exe an Penelope durchreichen das läuft schon, Bausatz GH-01-PA bis 50 Watt in Arbeit HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 28
29 Penelope HF-out Mikrophon, PTT PTT out, Open Collector Outputs etc. z.b. f. Antennenumschaltung HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 29
30 0.5Watt-TRX mit Penelope Mercury (RX) Magister (USB) Penelope (TX) Mikrophon Hardware Serverprogramm USB I/0 Commands TCP modifiziertes server.exe John Melton USB <--> TCP/IP-Daten Steuerung Mercury NCO-Frequenz Preamp on/off Dither, Random Mikrophondaten UDP IQ- Datenstrom UDP Audiostrom Empfang I-Q-Datenstrom 1024 Samples/Block IQ-Sende Filterung daten AGC Spektrumdarstellung Audioaufbereitung Bildschirm DSP-Programm Userinterface Verst. Modifikationen für TX HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 30
31 Erweiterungen DSP-Programm (2) Mehrwegeempfang mehrere Mercury zusammen Antennenauswertung phasensynchron primäres Ziel bei mir: Störunterdrückung das ist derzeit in Arbeit Erweiterung auf sr=192khz und sr=48khz Mercury kann 48, 96 und 192 khz DSP-Programm derzeit aber fix auf 96kHz HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 31
32 Erweiterungen DSP-Programm (3) Weitere Ideen und Möglichkeiten Predictionfilter zur Korrelation von Störsignalen Korrelation zwischen Durchlassbereich und ausgewähltem Störsignalbereich mit identischem Filter Ziel: Unterdrückung systematischer Störsignale im Durchlassbereich A/D-Wandler-Auswertungen statistische Messungen von statischen und dynamischen Linearitätseigenschaften braucht gut definierbares, sehr stabiles Eingangssignal HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 32
33 SDR: Diskussion Vielen Dank für Ihr Interesse HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 33
34 Anhang Literaturangaben HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 34
35 Literatur (1) Steven W. Smith The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing ausgezeichnete Einführung in DSP, auch für Nichtmathematiker Richard Lyons "Quadrature signals: Complex, but not complicated" Einführung in die DSP-Arbeit mit komplexen Zahlen HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 35
36 Literatur (2) Wikipedia-Artikel Erklärung und Beispiele von Fensterfunktionen Downsampling Berechnung von sin(*) und cos(*) für FPGAs Fourier-Transformierte des Rechteckfilters HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 36
37 Weitere Adressen (1) HPSDR-Projekt: Octave: Numerikprogramm freies Programm (GNU-Lizenz) gleiche Syntax und Funktionen wie MATLAB somit laufen MATLAB-Programme wenige Ausnahmen gut geeignet für die Berechnung von Filterbeispielen HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 37
38 Weitere Adressen (2) Altera-Application Note Nr. 455 "Understanding CIC compensation filters" letzte Filter-Stufe im FPGA der Mercury ist ein CFIR für die Kompensation des Frequenzgangs der CIC- Stufen Diskrete Fourier-Transformation "Fastest Fourier Transform in the West" HB9EPU /T1&T2 SDR-Erfahrungen # 38
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