Ein SDR Empfänger

Mein Vater OE3KJN dachte es wäre eine gute Sache mit mir einen einfachen SDR-Empfänger zu bauen. Dazu hat er den Bausatz von Funk Amateur aus dem Jahre 2006 ausgesucht. Damit es nicht zu einfach ist und der Empfang durchstimmbar ist, haben wir eine modifizierte Variante nach der Beschreibung im Funk Amateur Heft 6/09 zusammengelötet und in den Empfänger NASA HF4E eingebaut.

Auf die Frage was SDR eigentlich heißt und was das besondere an diesem Bausatz ist, erklärte mein Vater: SDR heißt Software Defined Radio, heißt also, die Demodulation wird mittels Software gemacht und nicht wie sonst üblich mit Diskiminatoren, Dedektoren oder Mischer.

Das besondere bei dieser kleinen Leiterplatte ist, dass man das 455kHz ZF-Signal aus einem „normalen analogen“ Empfänger in den SDR Empfänger einspeist, und dann die sogenannten I-Q Signale über ein einfaches Stereo  Klinkensteckerkabel in die Soundkarte eines PC gibt.

Jedes Signal kann in I-Q      Komponenten zerlegt werden

Was I-Q Signale sind hat mir mein Vater so erklärt, dass sich jedes Signal in zwei rechtwinkelig zueinander stehende Vektoren aufteilen lässt. Man spricht dabei auch von Real- und Imaginärteil, bzw. von Wirkanteil und Blindanteil (siehe auch das Bild). Das kam mir wieder bekannt vor, denn das war ja im Kapitel Wechselstromtechnik bei der Amateurfunkprüfung vorgekommen. Er erklärte, dass dieses Verfahren bei jedem Mobiltelefon zur Anwendung kommt, und es inzwischen eigentlich eh jeder wissen sollte der mit HF-Technik zu tun hat. Ich wusste es noch nicht und hab was dazugelernt.   Die I-Q Signale werden von der Soundkarte weiterverarbeitet. Die Software welche die Digitalen Signalprozessoren (= DSP) der Soundkarte steuert ist so gemacht, dass damit AM, FM, Einseitenband oder jede andere Modulationsart demoduliert werden kann. Auf die Frage ob das nicht viel besser wäre als die analogen „Dinger“ meinte er, dass dies erst möglich ist seit dem es DSP gibt. Amateurfunkempfänger der Zukunft werden nicht nur in der ZF digital arbeiten, sondern schon den ganzen HF-Kurzwellenbereich ohne analoge Umsetzung verarbeiten können.

Damit unser SDR-Empfänger auf 455kHz empfängt mussten allerdings Änderungen gemacht werden die im Funk Amateur Heft 6/09 beschrieben sind. Der Bausatz funktioniert ohne Änderung nur auf 40m bzw. 80m. Mein Vater hat die Bauteile durch die vorgebohrten Löcher gesteckt und ich hab dann an der Rückseite die Lötpunkte gesetzt. Hat voll Spaß gemacht und leider waren es nicht so viele Teile. Sogar mein Bruder hat einige Bauteile angelötet. Die geänderten Bauteile hatte mein Vater bei RS bestellt.   Nachdem die Bauteile alle fest angelötet waren hat mein Vater die mechanische Befestigung gemacht um die Leiterplatte im NASA HF4E zu fixieren. Eine Stereo-Klinkenbuchse wurde an der Rückwand des Empfängers angebracht.   Leider hat es mein Vater noch nicht geschafft den richtigen Punkt zu finden wo die 455kHz Zwischenfrequenz ausgekoppelt werden kann, oder vielleicht hat unsere Leiterplatte einen Fehler. Jedenfalls funktioniert das Teil noch nicht wie es soll. Die digitale Zukunft muss eben noch ein bisserl warten bei uns , aber mein Vater hat gesagt, dass uns das früher blühen wird als es uns lieb ist – wie poetisch er doch sein kann!

Hera beim Löten

Ein SDR Empfänger Teil 2

Mein Vater hatte immer schon den richtigen Auskoppelpunkt für die Zwischenfrequenz von 455kHz gefunden, aber die Software hatte nichts richtig demodulieren können, weil anscheinend die Soundkarte meines Netbook nur mono ist. Mono heißt, dass nur ein Signal, entweder I oder Q vom DSP demoduliert wurde und das ist einfach zu wenig.

Die Software welche mein Vater aus dem Internet runtergeladen hat ist Rocky in der Version 3.6

Wenn der Empfänger HF4E ausgeschaltet ist, dann schaut das Spektrum in der Software so aus:

Die ersten Versuche mit meinem Netbook und eingeschaltetem Empfänger plus Antenne angeschlossen; dann schaut das Spektrum so aus:

Mein Vater erklärt mir noch, dass nur mit einem Teil des Signals (I oder Q) der Demodulator nicht erkennen kann wie die Phasenlage des Signals ist, und daher das gespiegelte Signal auf der anderen Seite des Trägers (bei uns die Quarzfrequenz des Oszillators bei etwa 460kHz) auftritt. Ein Signal kann nämlich nicht nur durch I und Q beschrieben werden, sondern auch mit Betrags des Signals und dem Winkel zu einer Referenz, etwa der x-Achse (= I-Achse bei diesem Beispiel).

Aha dachte ich mir, aber wieso gibt es verschiedene Möglichkeiten so etwas darzustellen . Er sagt: “Weil die Techniker für ihre Problemstellungen die Darstellung manchmal ändern um einen einfachen Lösungsweg zu bekommen“. So etwas UNNÖTIGES, dachte ich mir, aber anscheinend funktioniert es (HI).

Er sagt: „Man kann sich zum Beispiel vorstellen, dass sich dieser Pfeil mit Betrag und Phase im Kreis dreht, und zwar mit einer gewissen Kreisfrequenz Omega  ω. Dann nimmt man den Winkel und den Betrag und trägt ihn entsprechend der untenstehenden Grafik auf – und siehe da es entsteht eine Sinuskurve.“

                Kreisfrequenz                   ist gleich                        2  mal   Pi   mal   Frequenz

„Wieso dreht sich dieser Zeiger mit einer Kreisfrequenz?“ frage ich meinen Vater und er meint, dass diese Kreisfrequenzen wieder nur ein Hilfswerkzeug sind um sich die vielen Sinuskurven - welche in dem Frequenzgemisch vorhanden sind - rechnerisch vorstellen zu können. Der Pfeil in obiger Grafik stellt eigentlich nur eine einzige Frequenz in dem ganzen Frequenzgemisch dar.

nur Q dargestellt als Summe zweier     gegenläufig rotierender Pfeile     + ω  entspricht positiver Frequenz      - ω  entspricht negativer Frequenz

„Jedenfalls“, so erzählt er weiter, “ohne richtige Winkelinformation kann der Demodulator nicht sagen in welche Richtung (im Uhrzeigersinn oder dagegen) sich das Signal mit der Kreisfrequenz Omega  ω dreht, also stellt der Demodulator (=die Software) es einmal oberhalb (Drehung z.B gegen den Uhrzeigersinn) und einmal unterhalb (Drehung dann mit den Uhrzeigersinn) unserer Quarzfrequenz von ca 460kHz dar. Dis Summe dieser beiden gegenläufig rotierenden Pfeile ist wieder das Q-Signal. „In Wirklichkeit sind also ganz viele dieser Pfeilchen in unterschiedlichen Längen und Winkeln vorhanden“ rufe ich erstaunt, „und die sollen sich noch unabhängig voneinander drehen“.“ Ja,“ sagt er, “in Wirklichkeit ist dieses Frequenzgemisch ein ganz schöner Kuddelmuddel an Pfeilen (= Signale einzelner Frequenzen), aber der DSP kann das verarbeiten und für uns aufbereiten sodass wir was hören – das ist letztendlich „Demodulation“.

Hier das Spektrum mit einer Stereo Soundkarte, wenn der Empfänger eingeschaltet ist aber noch keine Antenne angeschlossen ist:

Mein schlauer Vater erklärt, dass man in diesem Bild die ZF Bandbreite des Empfängers sieht. Der NASA HF4E hat ja bei 10,7MHz schon eine ZF und dort gibt es ja schon einen ZF-Filter welcher wohl etwa 10KHz Bandbreite hat ( wegen 470kHz – 460kHz aus dem Spektrum ergibt 10KHz). Das kleine Dreieck bei 460kHz ist die Trägerfrequenz welche man mit der Computermaus mittels klicken einstellen kann, sodass wie oben dargestellt das Upper Side Band (weils oberhalb des Trägers ist) demoduliert wird. Wir haben hier nur Rauschen gehört.

Erst als wir am NASA HF4E auf 14,080 MHz einstellten, und die Antenne angeschlossen haben, konnten wir Fernschreibsignale hören – siehe folgendes Spektrum:

Allerdings war das viel zu verzerrt. Wir haben uns die Signale mit dem FT890 angehört und dort war es viel besser. Mein Vater meint, das kommt daher, dass der SDR Empfänger eigentlich schon sehr empfindlich ist und nun das starke ZF Signal wohl Verzerrungen verursacht.

Er hat echt immer ausreden wieso was nicht geht, aber vielleicht hat er diesmal recht. Ich bin der Meinung man sollte einfach alles digital aufbauen, dann gibt’s keine Verzerrungen!

Gute Infos und zu diesem Projekt findet Ihr auch unter:

http://softrock.raisdorf.org/Soft_Rocky.html