SDR - Software Defined Radio für den Funkamateur

Transkript

1 SDR - Software Defined Radio für den Funkamateur So funktioniert die neue Technik Dipl.-Kaufm. Bodo J. Krink (DL7BJK) Ш Verlag für Technik und Handwerk Baden-Baden

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 11 Einführung 13 Entwicklung der Funktechnik 13 Entwicklung der Rechnertechnik 17 Elektromechanische Rechner 17 Elektronische Rechner 17 Großrechner (Mainframes) 17 Arbeitsplatz-Rechner 19 Der persönliche Computer (PC) 20 Mikroprozessoren 21 Digitale Signalverarbeitung (DSP) 21 CPLC, FPGA, ASIC 22 Entwicklung der Programmierung 22 Betriebssysteme 23 Programmiersprachen Entwicklung des Software Defined Radio 26 Theoretische Grundlagen 31 Mathematische Methoden 31 Kartesische Koordinaten 31 Polar Koordinaten 34 Umrechnung zwischen kartesischen und polaren Koordinaten 35 Kosinus und Sinus 35 Die Winkelgeschwindigkeit 36 Komplexe Zahlen 37 Reihen 38 Rechnen mit Logarithmen 39 Kontinuierliche Funktionen 40 Die Faltung (Convolution) 40 Die Fourier-Transformation (FT) 42 Diskrete Funktionen 43 Abtast-Theorem 43 Nyquist-Frequenz 43 Überabtastung (Oversampling) 45 Unterabtastung (Undersampling) 46 Übertragungsfunktionen 46 5

3 Transformationen 47 Diskrete Fourier-Transformation (DFT) 47 Schnelle (Fast) Fourier-Transformation (FFT) 47 z-transformation 48 Hilbert-Transformation 48 Digitale Filter 49 Systeme 49 Linearität 49 Zeitinvarianz 50 Kausalität 50 Beschreibung linearer Systeme 50 Differenzengleichung 50 Übertragungsfunktion 50 Impulsantwort (Impulse Response) 51 Frequenzgang 51 Unterschiede zwischen digitalen und analogen Filtern 52 Arten von digitalen Filtern 52 Filter-Ablaufpläne 53 Gleitende Mittelwerte 54 FIR-Filter 54 Fenster 56 Rechteck-Fenster 56 Dreieck-Fenster (Barlett-Fenster) 57 Von-Hann-Fenster 57 Hamming-Fenster 58 IIR-Filter 58 Adaptive Filter 59 Kombination von Filtern 60 Baugruppen für das SDR 61 Digitalisierung der Niederfrequenz (NF) 61 Der Tayloe-Produkt-Detektor 61 Funktionsweise des Tayloe-Produkt-Detektors 62 Der Empfänger (Q SD) 62 Der Sender (QSE) 65 Digitalisierung der Hochfrequenz (HF) 66 Der Empfänger 66 Der Sender 66 Funktionsweise der digitalen Bauelemente 67 Gemeinsam benutzte Bauelemente für Senden und Empfang 67 CODEC-Baustein 67 Digital Signal Processor (DSP) 67 Architekturen 69 Von-Neumann- Architektur 69 Harvard-Architektur 69 Unisealare Architektur 70 Single Instruction Multiple Data (SIMD) Architektur 70 Very Long Instruction Word (VLIW) Architektur 70 Supersealare Architektur 70 Zahlendarstellung 71 6

4 Festpunkt-Rechner 72 Gleitpunkt-Rechner 72 Adressierungsarten 73 Unmittelbare Adressierung 73 Direkte Adressierung 73 Indirekte Adressierung 74 Memory-Mapped Adressierung 74 Zirkulare Adressierung 74 Bit-Reversive Adressierung 74 Pipelining 74 Field Programmable Gate Arrays (FPGA) 75 Beschreibungssprachen 75 Bauelemente für den Sender 76 Digital-Up-Converter (DUC) 77 Digital-Analog-Converter (DAC) 78 Parallele Struktur 79 Binär gewichtete Struktur 79 Ladder-Networks 80 Segmentierte Ladder-Struktur 81 Sigma-Delta-Struktur 81 Bauelementefür den Empfänger 82 Analog-/Digital-Converter (ADC) 82 Arbeitsweise des ADC 83 Wandler-Technologien 84 ADC nach dem Zählverfahren 84 Singleslope-Technik (Rampen-Verfahren) 84 Dual-und Multislope-Technik 84 (Mehrrampen-Verfahren) 84 Probleme bei der Entwicklung schneller ADCs 85 Flash-Technik 85 Technik der sukzessiven Approximation 86 Das Wägeverfahren 86 Redundante Umsetzer 87 Delta-Sigma-Technik 87 Pipeline-Technik 88 Störungen, Rauschen, Kennzahlen bei Konvertern 89 Thermisches Rauschen 89 SignaWRauschverhältnis (SNR) 89 Signal-to-Noise and Distortion (SINAD) 90 Dynamik-Bereich 90 IMD Dynamik-Bereich und Intercept Point (IP) 91 Eingangsspannungs-Bereich 92 Analoge Bandbreite 92 Effektive Auflösungs-Bandbreite 92 Effective Number of Bits (ENOB) 92 Total Harmonie Distortion (THD) 93 Spuriousfree Dynamic Range (SFDR) 93 Quantisierungsrauschen 93 Aperture Jitter (Taktweitenschwankung) 94 Offset Error 94 7

5 8 Gain Error 94 Integrale Nicht-Linearität (INL) 95 Differentiale Nicht-Linearität (DNL) 95 Dithering 95 Glitch 96 Temperaturdrift 96 Digital Down Converter (DDC) 96 Verstärker 97 Verstärker-Klassen in Analogtechnik 97 Klasse-A-Verstärker 98 Klasse-B-Verstärker 98 Klasse-AB-Verstärker 98 Klasse-C-Verstärker 99 Verstärker-Klassen in Digitaltechnik 99 Klasse-D-Verstärker 99 Klasse-E-Verstärker 100 Klasse-F-Verstärker 100 Vorverstärker 100 Endstufen 100 NF-Endstufen 100 HF-Endstufen 101 Envelope Elimination and Restortion (EER) 101 Polar-Transmitter (PTx) 102 Oszillatoren 102 Oszillator-Grundschaltungen 102 Meißner-Oszillator 102 Hartley-Oszillator 103 Colpitts-Oszillator 104 Clapp-Oszillator 104 ECO-Oszillator 105 Quarz-Oszillator 105 Pierce-Oszillator 106 Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 106 Direct Digital Synthesizer (DDS) 107 Phase Locked Loop (PLL) 109 Frequenzteiler, Frequenz-Verteiler, 110 Frequenz-Aufbereiter 110 Kombination aus DDS und PLL 110 System-Steuerung 111 Verwendbare Prozessoren 111 Spezielle Bauelemente 112 Steuerung, Ein-/Ausgaben etc 112 Bussysteme 113 VME-Bus 114 PCI-Bus 114 PCIe-Bus 116 Serial Peripheral Interface (SPI) 117 Vorteile des SPI-Bus 120 Nachteile des SPI-Bus 120 PC-Bus 120

6 SMBus 123 Firewire 123 USB 125 Ethernet 128 Bitübertragungsschicht 129 Broadcast und Sicherheit 130 Power over Ethernet (PoE) 131 Für SDR geeignete Bussysteme 131 Normen 131 Operational Environment (OE) 133 Core Framework 134 Mittelschicht (Middleware) 134 Common Object Request Broker 135 Architecture (CORBA) 135 Betriebssystem 136 Die Programme 137 Programme für die Systemsteuerung 137 Betriebssysteme 137 System-Initialisierung 137 System-Test (JTAG) 138 Ein-/Ausgaben 139 Programme für den DSP 139 Verwaltungsprogramme 139 Test-Programme 139 FIR-Filter 140 Idealer Tiefpass 140 Algorithmen 140 Berechnung von Filtern 140 FIR-Filter 140 IIR-Filter 140 Transformationen 141 Diskrete Fourier-Transformation (DFT) 141 Schnelle (Fast) 141 Fourier-Transformation (FFT) 141 IIR-Filter 142 HR Frequenzgang 142 Diskrete Fourier Transformation dft() 144 DFT verbesserte Version dft2() 144 Schnelle Fourier Transformation fft() 145 Programmierung 146 Programmier-Umgebungen 146 Texas Instruments 146 Analog Devices 146 GNU 147 Microsoft Visual Studio 147 Programmiersprachen für das SDR 147 9

7 Programme in Visual Basic 147 Programme in С 148 Programme in C Programme inc# 149 Programme in JAVA 150 Praktische Ausführungen von SDR-Geräten 151 Geräte mit NF-Digitalisierung 151 FlexRadio SDR Aufbau des Empfängers (QSD) 152 Aufbau des Senders (QSE) 152 Anschlüsse 152 Programmoberfläche 153 FlexRadio Aufbau des Empfängers (QSD) 154 Aufbau des Senders (QSE) 155 Anschlüsse 156 Programmoberfläche 156 Softrock 156 Aufbau des Empfängers (QSD) 156 Aufbau des Senders (QSE) 159 Anschlüsse 160 Programmoberfläche 160 ELEKTORSDR 160 Aufbau des Empfängers (QSD) 161 Anschlüsse 162 Programmoberfläche 162 HPSDR-Projekt 162 Aufbau des Empfängers (QSD) 163 Aufbau des Senders (QSE) 165 Anschlüsse 165 Programmoberfläche 165 Geräte mit HF-Digitalisierung 165 PERSEUS 165 Aufbau des Empfängers 166 Anschlüsse 166 Programmoberfläche 167 ADATADT-200A 168 Aufbau des Empfängers 168 Aufbau des Senders 170 Anschlüsse 172 Programmoberfläche 172 Schlusswort 174 Literatur-Verzeichnis