Einführung in die Technologie

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1 Einführung in die Technologie des Bodo Scholz, raisdorf.net Stand: Januar 2007

2 Einführung Die Entwicklung der Radiotechnik hat mit der Einführung der Digitaltechnik eine rasante Geschwindigkeit angenommen. War es zunächst nur z.b. die digitale Frequenzanzeige mit einem integrierten Zähler, hat inzwischen die Digitale Signalverarbeitung Einzug gehalten. Computer sind aus der Welt der Funkamateure auch nicht mehr wegzudenken. Sie steuern die Geräte, übernehmen die Erzeugung und Demodulation komplexer Signale der unterschiedlichen Betriebsarten wie SSTV, RTTY, PSK31, FSK441 und viele weitere. 2

3 Einführung Die Entwicklung brachte schon Transceiver ohne jegliche herkömmliche Bedienelemente hervor, z.b. Kachima 505, KENWOOD TS-B2000. Oder die Empfänger von WinRadio, die auch als Einsteckkarten für den PC auf dem Markt sind. Die Geräte werden nur über Software mit einer entsprechender grafischer Nutzeroberfläche von PC aus bedient. Es sind aber immer noch herkömmliche Radios, noch keine s sondern Software Controlled Radios. 3

4 Was ist ein Die Bezeichnung (SDR) steht im weitesten Sinn für die uneingeschränkte Programmierbarkeit aller Funktionen in einem Kommunikationssystem 4

5 Ein Software Transceiver für die Allgemeinheit In den Jahren 2002 und 2003 wurde in der amerikanischen Zeitschrift ift QEX, Herausgeber ist die ARRL, von Gerald Youngblood,, AC5OG (jetzt K5SDR) in einer Serie von 4 Artikeln mit dem Titel A for the Masses ein Konzept und auch eine erste Realisierung eines modernen Transceivers für Funkamateure vorgestellt. Kernstück dieses Konzeptes ist ein PC, wie er heute fast allen FunkamateurenF zur Verfügung steht. Voraussetzung ist eine gute Soundkarte und nicht einmal der allerschnellste Rechner. Abgesehen von einem analogen Frontend ist der gesamte Transceivers softwaremäßig im PC realisiert. Die Quellen dieser Software stehen allen Nutzern frei zur Verfügung. Damit kann bei entsprechenden Kenntnissen jeder seinen Transceiver ohne Lötkolben weiterentwickeln. Unter der Bezeichnung SDR-1000 wird von der Firma FlexRadio Systems die notwendige Hard- und Software angeboten. 5

6 Einführung Ich habe im August 2004 mir einen solchen Platinensatz aus den USA von der Firma FlexRadio Systems schicken lassen, um mich mit dieser Technologie intensiver zu beschäftigen. Bevor ich das Gerät im Betrieb vorstelle, zunächst ein Ausflug in die Technik und den grundsätzlichen Aufbau von Funkgeräten, um dann das Neue bei der Realisierung des SDR-1000 zu beschreiben. 6

7 Herkömmliche Analogtechnik SSB Empfänger nach der Filtermethode Antenne HF-Verstärker Filter Mischer ZF-Verstärker Quarz-Filter Mischer NF-Verstärker NF VFO BFO Bei der ursprünglichen Analogtechnik wurde auch der frequenzbestimmende VFO analog mit einem Drehkondensator oder einer variablen Induktivität abgestimmt. 7

8 Herkömmliche Analogtechnik Antenne Mikrofon NF NF-Verstärker Balance- Modulator ZF-Verstärker Quarz-Filter Mischer HF-Verstärker Filter / PA BFO VFO SSB Sender nach der Filtermethode 8

9 Herkömmliche Analogtechnik Balance- Modulator Balance- Modulator 90 NF NF-Verstärker Träger Oszillator Signal Addition SSB Signal 90 SSB Signalerzeugung nach der Phasenmethode 9

10 10 10 Herkömmliche Analogtechnik Herkömmliche Analogtechnik Signal Signal Addition Addition Träger Träger Oszillator Oszillator Tiefpass Tiefpass- Filter Filter Mischer Mischer Bandpass Bandpass- Filter Filter Mischer Mischer Tiefpass Tiefpass- Filter Filter HF HF NF NF Direktüberlagerungs Direktüberlagerungs-SSB SSB-Empfänger Empfänger Software Software Defined Defined Radio Radio

11 Weiterentwicklungen Röhren -> > Halbleitertechnik Mit dem Fortschritt der Digitaltechnik kommt diese an immer mehr Stellen in den Empfängern und Sendern zum Einsatz: - Frequenzanzeige über Zähler - digitale PLL Schaltungen bei den Oszillatoren - digitale Erzeugung der Oszillatorfrequenzen (DDS) - DSP auf der NF-Seite für Filter, z.b. Notch-,, Bandfilter - mit immer schneller werdenden DSP werden diese schon auf ZF-Ebene zur Filterung, Demodulation und Audiosignalverarbeitung eingesetzt Dies ist aber noch keine Softwaretechnologie, denn die Programme zur Signalerzeugung und Signalverarbeitung befinden sich unveränderlich als Firmware in den Geräten. Es können zwar r durch Eingabe über Tasten und Drehknöpfe Parameter der Verarbeitung verändert werden, aber eben nicht die Programme selbst. 11

12 Digitale Signalverarbeitung Bemerkungen und Begriffe (ohne auf die Mathematik direkt einzugehen) A/D-Umsetzung Signale im Zeitbereich Signale im Frequenzbereich Transformation Zeitbereich <-> < > Frequenzbereich Filter Signalbeschreibung durch Quadraturkomponenten I/Q 12

13 Realisierung SDR-1000 Prinzipschaltung des SDR RX-Frontends mit Quadraturabtastung rechts Stereo Line-In links PC (Soundkarte) 13

14 Realisierung SDR-1000 Quadrature Sampling Detector nach Dan Tayloe, N7VE 50 Ohm Antenna f c f c 0 Deg 180 Deg 90 Deg 270 Deg I Q Eingangsbandbreite wird bestimmt durch das Tiefpassfilter gebildet aus R ant und C S 14

15 Realisierung SDR-1000 FST3253 INA163 BPF QSD Sampling Detector I Q L PC Sound Card R Audio Out Gain Relay DDS Control PC PIO AD9854 Quadrature LO Empfänger 15

16 Realisierung SDR-1000 FST3253 DRV135 BPF QSE Sampling Exciter I Q L PC Sound Card R DDS Control PC PIO AD9854 Quadrature LO Sender 16

17 Realisierung SDR M and Up MW XVTR 160M 6M BPF XVTR 28 db IMP 0/26 db ATTN LNA LPF QSD INA INA 0/10 db OPA QSE DRV DRV SND CARD 17

18 Realisierung SDR-1000 I Q FFT Fast Convolution Filter IFFT LMS Noise & Notch Filter Digital AGC Gain Amp & Phase Correct Peak Detector 2048 Taps FFT BPF Filter Taps Digital AGC 1 ms Attack 100, 200, 300 ms Hold Software der Empfängers 18

19 500 Hz Filter f h = 950 Hz, f l = 450 Hz, 60 db 1 KHz 4096 Bin FFT and 2048 Tap Filter 19

20 2.8 khz Filter 20

21 Realisierung SDR-1000 So fing alles an: 3 Platinen 8cm 8 x 10cm PIO TRX BPF 21

22 Realisierung SDR-1000 HF-Ergänzungsplatine - RFE 22

23 Gesamtaufbau SDR-1000 und PC Key Input Mic/PTT Key Sound Card PC Line In Mic In Line Out/Speaker Speaker Parallel IO Ext. Control 13.8VDC J6-TRX J1-TRX J5-TRX J3-TRX J2-TRX X1-PIO X2-PIO J1-PIO J12-TRX SDR-1000 J3-BPF J5-BPF J1-BPF Relay RF Ant/Linear Linear Amp (Opt.) Accessories Power Supply jetzt auch USB-Adapter 23

24 Spezifikationen des SDR-1000 Frequenzbereich RX 12 khz MHz Frequenzbereich TX Alle Bänder 160m... 6m IMD DR3 (14.2MHz, 500Hz BW, 26 db Gain) 99 db (Delta 44 Soundkarte) MDS (14.2MHz, 500Hz BW, 26 db Gain) -130 dbm Kleinster Abstimmschritt 1 Hz DDS Clock 200 MHz, <1ps RMS jitter Max. Empfangsbandbreite 40 khz (begrenzt durch die Soundkarte) Sendeleistung 1 Watt PEP max. Control Interface PC Parallel Port (DB-25) oder USB Weitere Steuerleitungen 7mal open Collector Darlington Eingänge PTT, Mikrofon, Taste Soundkarten-Anschlüsse Line-In, Line-Out, Speaker Out, Mike In Stromversorgung 13,8 1 A max. 24

25 Vergleich des SDR-1000 mit anderen TRX IP3 (20 khz) IP3 (5 khz) IP3 (2 khz) K dbm dbm IC dbm dbm IC-756 PRO II dbm dbm IC-756 PRO III dbm dbm IC dbm dbm TS-870S dbm TS-950 SDX dbm TS dbm dbm FT dbm FT-1000 MP Mk V dbm dbm Orion Model dbm dbm SDR-1000 (QST Oct. 2005) dbm dbm Messungen des ARRL Lab dbm 25

26 IP3 Messungen ARRL Lab Spacing 20 khz (5 and 2 khz identical) M-Audio Delta 44 sound card Preamp off low med high 3.5 MHz +24 dbm +14 dbm +24 dbm +15 dbm 14 MHz +31 dbm +20 dbm +26 dbm +17 dbm 26

27 Testaufbau des SDR

28 Testaufbau des SDR-1000 Externe USB Soundkarte CREATIVE Soundblaster MP3+ 28

29 SDR-1000 Antenne USB Verbindung zum PC Parallelschnittstelle zur Steuerung durch PC 29

30 SDR

31 FireWire Soundkarte 24 bit / 96 (192) khz 31

32 Realisierung SDR-1000 Von FlexRadio wird inzwischen der SDR-1000 in unterschiedlichen Ausbaustufen angeboten: - Grundversion 1 Watt Transceiver - mit 100 Watt Endstufe - mit Antennentuner Watt Transceiver - mit 2m Transverter - nur Empfänger Die Platinenversion kann nur noch über die Distributoren in Europa bezogen werden: - WoodBoxRadio: cqdx.it/woodbox/wbr-home.htmlhtml - Intertechnologies-France: intertech-fr. fr.com/ - Waters & Stanton: wsplc.com/ 32

33 Gehäuse zum SDR-1000 Abmessungen (H x B x T) ca. 10 x 26 x 22 cm 33

34 100 Watt PA zum SDR

35 SDR-1000 mit 100 Watt PA 35

36 2m Transverter Down East Microwave Transverter für r den SDR-1000 Transceiver 36

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38 FlexRadio Knowledge Base 38

39 VoIP Diskussionsforum Beispiel einer großen Diskussionsrunde mit den Entwicklern Gerald AC5OG (jetzt K5SDR) und Eric (KE5DTO) von FlexRadio. In dem German SDR Forum Kanal treffen sich die deutschsprachigen Nutzer. 39

40 40 SDR-1000

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43 Vorführung des SDR

44 PowerSDR - Setup Menue 44

45 Nutzeroberfläche PowerSDR 45

46 Virtuelle serielle Schnittstelle N8VB: vcom Virtual Serial Ports Driver Creates a "Virtual" Null Modem Cable" " in Windows 2000 and XP by pairing virtual com ports. Damit wird der Betrieb u.a. von Logbuchprogrammen und anderen Steuerprogrammen ermöglicht. Der SDR-1000 wird mittels des KENWOOD Befehlssatzes gesteuert, es wird ein TS-2000 emuliert. K5KDN and KD5TFD's PowerSDR CAT Control 46

47 Virtuelle Soundkarte Im Programm PowerSDR ist softwaremäßig eine Schnittstelle integriert worden, die als Virtuelle Soundkarte für andere Programme für PSK31, RTTY, SSTV, usw. genutzt werden kann. Unter Nutzung des Programms Virtual Audio Cable (VAC) können so Programme, wie MixW,, MMTTY, MMSSTV, usw. ohne eine extra Soundkarte betrieben werden. 47

48 Gewohnte Bedienung Ein Angebot von IK3VIG