Der ultimative SDR Guide

Die ersten Empfänger arbeiteten sehr primitiv: Die von der Antenne eingehenden Rundfunkwellen wurden auf ein gleichrichtendes Element gegeben und an dieses ein Kopfhörer angeschlossen. Diese einfache Detektortechnik kann nur Amplitudenmodulation (AM) detektieren und ist mangels Verstärkern sehr unempfindlich. Zudem werden „alle Sender auf einmal“ empfangen – abgesehen von der Antenne fehlt jedes frequenzselektive Bauteil. Damit konnte man nur in den ersten Jahren der Rundfunktechnik arbeiten, als es noch kaum Sender gab.

Mit Verstärkern kann man die Eingangsempfindlichkeit erhöhen und das Ausgangssignal auf Lautsprecherniveau anheben. Um einzelne Sender am Empfänger auszuwählen, wird ein Filter benötigt, der genau auf die Senderfrequenz einzustellen ist. Um eine vernünftige Filterung, „Trennschärfe“ zu erreichen, deren mehrere, die synchron zu bedienen sind. Zudem wird die ganze Anordnung bei höherer Verstärkung und Rückkopplung zwar trennschärfer, aber auch instabil, gerät leicht ins Schwingen und wird so ungewollt zum Sender, der andere Empfänger stört. Damit sind die Fähigkeiten eines solchen sogenannten Geradeausempfängers beschränkt.

Praktischer und deshalb heute Standard ist der von Edwin Armstrong publizierte Überlagerungsempfänger, Superheterodyne bzw. kurz Superhet genannt. Zur gleichen Zeit entdeckten auch Lucien Lévy in Frankreich und Walter Schottky in Deutschland dieses Prinzip. Hier wird das Signal von der Antenne nach einer leichten Vorverstärkung auf einen Überlagerer, einen Mischer gegeben, der es mit einer intern erzeugten Überlagerungsfrequenz aus einem Oszillator mischt. Dabei werden die beiden Signale nicht einfach addiert, sondern multipliziert, wozu entweder ein Bauelement mit unlinearer Kennlinie oder gleich eines mit zwei Eingängen (Mehrgitter-Röhre, Dual-Gate-Halbleiter, Mischermodul) genutzt wird. Dabei entsteht ein die Modulation weiterhin enthaltendes Signal mit einer Frequenz, die der Summe von Empfangs- und Oszillatorfrequenz entspricht und einem, das deren Differenz entspricht.

So kann das Empfangssignal auf eine niedrigere sogenannte Zwischenfrequenz umgesetzt werden. Diese lässt sich wesentlich einfacher verstärken und filtern: Die Filter können nun auf eine feste Frequenz ausgelegt werden und müssen nicht mehr synchron abgestimmt werden. Um eine andere Empfangsfrequenz einzustellen, wird lediglich die Überlagerungsfrequenz verändert. Und auch die Rückkopplungsgefahr sinkt, da das Signal nicht mehr von der Antenne bis zum Detektor auf derselben Frequenz verstärkt wird.

Wenn sehr hohe Frequenzen empfangen werden sollen, kann so auch mehrfach umgesetzt werden. So wird schon im LNB einer Satellitenanlage, direkt an der Antenne, das Originalsignal von über 10 GHz auf 1 bis 2 GHz reduziert, die dann über normale Koaxialkabel zum Sat-Empfänger geleitet werden können.

Einziger Nachteil dieser Empfangstechnik: Da nicht nur eine Differenz, sondern auch eine Summe von Empfangs- und Überlagerungsfrequenz gebildet wird, empfängt der Superhet prinzipiell auf zwei Frequenzen gleichzeitig, was zu Störungen führt, wenn beide belegt sind. Um dies zu verhindern, ist zumindest eine Vorfilterung im Schaltungsteil erforderlich, der vor der Mischstufe liegt. Diese senkt Signale außerhalb des vorgesehenen Empfangsbands ab. In leistungsfähigeren Empfängern wird auch oft mehrfach umgesetzt; eine erste höhere Zwischenfrequenz sorgt für eine bessere Spiegelfrequenzunterdrückung durch die Vorfilter, eine zweite niedrigere Zwischenfrequenz dann für eine bessere Selektion des zu empfangenden Senders.

Ein Spezialfall ist ein Überlagerungsempfänger, bei dem Empfangs- und Oszillatorfrequenz gleich sind, sodass der Empfänger direkt auf 0 bzw. die Niederfrequenzebene heruntermischt.

Hier entfällt das Problem mit der weit abgelegenen Spiegelfrequenz. Dafür entstehen im NF-Bereich komplexe Signale, bestehend aus einer I- und einer Q-Komponente. Für konventionelle analoge Empfänger konnte sich diese Technologie aufgrund Probleme mit starken Signalen und starkem Rauschen nicht in größerem Maßstab durchsetzen. Zudem tritt hier die Spiegelfrequenz direkt im Niederfrequenzbereich auf, zwischen beispielsweise 1 kHz unter und 1 kHz über der Empfangsfrequenz kann nicht unterscheiden werden. Bei digitalen SDR-Empfängern ist dies anders, weil hier die I- und Q-Signale direkt weiterverarbeitet werden können; hier kann dann auch zwischen der gewünschten und der Spiegelfrequenz sauber unterschieden werden.

Bei der auf der Digitalseite einfachsten Variante wird mit einem Direktüberlagerungsempfänger bis auf die Niederfrequenzebene herabgemischt – das Signal kann dann ohne weitere Hardware von einer Soundkarte und einem normalen PC verarbeitet werden. So funktionierten beispielsweise die ersten Demo-Empfänger für DRM – Digital Radio Mondiale –, das den AM-Rundfunk auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle ablösen sollte. Da ein normaler PC für so etwas nicht optimiert ist, wird er hiermit jedoch bereits sehr stark ausgelastet und wenn andere, anspruchsvolle Programme gestartet werden, kommt die Dekodierung ins Stottern. Auch drehen mitunter infolge der Auslastung die Lüfter des PC hoch, was dann insbesondere bei Notebooks das Benutzen von Kopfhörern notwendig machen kann. Zudem können so zwar auch spezielle Modulationsverfahren bearbeitet werden, doch es bleibt beim konventionellen Empfang genau einer Frequenz, eines Senders – die von Soundkarte und PC bearbeitbare Bandbreite geht kaum über den normalen Niederfrequenz-Bereich hinaus.

Das Verfahren ist auf den ersten Blick kostengünstig, hat den geringsten Aufwand spezieller Hardware, blockiert aber de facto einen PC für die Signalverarbeitung und ist eher als Einstieg in die SDR-Technologie zu betrachten. Es wird allerdings auch unabhängig von einem PC gern genutzt, ob in Mobilfunkhandys oder billigen aktuellen Kurzwellenempfängern, da es am kostengünstigsten ist. Will man als Funkamateur im Längstwellenbereich empfangen, ist es mittlerweile der Standard, da hier die Soundkarte absolut ausreichend zur Signalverarbeitung ist – Modelle, die bis 192 kHz Taktfrequenz arbeiten, können sogar den Zeitzeichensender DCF 77 auf 77,5 kHz dekodieren. Hierfür hat der deutsche Funkamateur DL4YHF die Software SpecLab SpecLab geschrieben. Betriebsarten wie WSJT nutzen ebenfalls die Dekodierung eines Signals im NF-Bereich über eine PC-Soundkarte.

Auch der beliebte RTL-SDR RTL-SDR, ein eigentlich für den DVB-T-Empfang produzierter USB-Stick, nutzt mit dem E4000 als DSP diese Technologie, mit dem R820T dagegen die nächste Variante mit einer Zwischenfrequenz von 3,57 oder 4,57 MHz:

Effektiver ist es, auf Zwischenfrequenzebene zu arbeiten. Hierzu werden allerdings spezielle Abtaster und DSPs im Empfänger gebraucht; eine Soundkarte und ein normaler PC schaffen es nicht, bei mindestens einigen 100 kHz zu arbeiten. Dafür kann auch breitbandiger abgetastet werden, was einerseits für spezielle Modulationsarten wie Spread Spektrum Modulation von Nutzen sein kann. Diese finden sich aber eher beispielsweise in WLAN-Modulen, im Amateurfunk sind sie aufgrund der begrenzten Frequenzzuteilungen auf den klassischen Bändern nicht vertreten. Andererseits können so auch mehrere Sender gleichzeitig empfangen und verarbeitet werden.

Allerdings müssen die Zwischenfrequenzstufen dafür breitbandiger sein. Es finden dann auch für die Kurzwellenbänder höhere Zwischenfrequenzen Verwendung und dementsprechend sind schnellere Abtaster und leistungsfähigere DSPs notwendig. Diese Technologie steht jedoch seit einigen Jahren zur Verfügung. Ebenso hat sich die Technologie der Mischung auf eine Zwischenfrequenz bewährt, es sind leistungsfähige Baugruppen und jahrelange Erfahrung vorhanden. Bandfilter verhindern, dass die Baugruppen zu extremen Pegeln weit außerhalb des gewünschten Empfangsbereich ausgesetzt sind. Die Resultate in Bezug auf Großsignalfestigkeit und Intermodulation sind deshalb ebenso gut wie bei analogen Empfängern. Im GHz-Bereich ist auch gar keine andere Technologie anwendbar – solch hohe Frequenzen kann kein DSP direkt verarbeiten. Bei manchen Empfängern werden deshalb einige Empfangsbereiche hybrid verarbeitet, andere direkt, so beim Icom IC-9700 2 m und 70 cm direkt und 23 cm herabgemischt auf eine Zwischenfrequenz von etwa 341 MHz.

Bandbreiten bis in den zweistelligen MHz-Bereich sind auch hier noch mit einem normalen PC verarbeitbar, der dann aber mit einem speziellen Interface, beispielsweise einem Empfänger auf einer Steckkarte zusammenarbeitet, nicht mehr mit der PC-eigenen Soundkarte. Der PC als Bedieninterface, nicht unbedingt als Signalverarbeiter, ist bei SDR insgesamt sehr beliebt, auch einige eigenständige SDR-Lösungen nutzen hierzu einen integrierten PC. Mit der Kombination aus erprobter Analogtechnik und neuer Digitaltechnik lassen sich so sehr gute Kenndaten erzielen und das System ist auch für die Sendezweige gut umsetzbar.

Die konsequenteste SDR-Technologie ist der Direktabtaster. Hier wird gar nicht mehr herabgemischt, sondern das Eingangssignal direkt digital verarbeitet. So ist man natürlich am flexibelsten und kann den gesamten Empfangsbereich in einem Block bearbeiten. Allerdings sind die Ansprüche an Abtaster und DSP auch am höchsten. Schwierig kann es hier werden, wenn es keine Eingangsbandfilter gibt und der Empfänger deshalb alle Signale, ob Kurzwelle, UKW-Rundfunk oder schwache Amateurfunksignale, auf einmal verarbeiten muss. Oft wird deshalb der LMK-Bereich, obwohl technisch am einfachsten zu verarbeiten, angesichts der dort hohen Nutz- und Störpegel mit einem Hochpass weggefiltert.

Mit hoher Auflösung von mindestens 12 Bit ist ein Direktabtaster analogen Konzepten überlegen, weil er deren Probleme wie Intermodulationsverzerrungen in analogen Verstärkerstufen umgehen kann. Einziger Nachteil ist der höhere Preis und die durch die hohe Rechenleistung bedingte höhere Stromaufnahme, weshalb sich diese Technologie für tragbare Geräte weniger eignet.

Normalerweise muss das Eingangssignal zum Digitalisieren mit mindestens der doppelten maximalen Nutzfrequenz abgetastet werden, um das Signal sicher rekonstruieren zu können. Mit einem A/D-Umsetzer mit Abtastfrequenzen bis zu 3,6 GSPS (Giga-Samples Per Second) bei 12 bit-Auflösung waren 2013 so bereits Empfangsbereiche bis zu 1500 MHz möglich. Kostengünstige, zum Experimentieren bestimmte SDR-Module wie HackRF und SDR-Sticks, die eigentlich zum DVB-T-Empfang entwickelt wurden, nutzen allerdings beim Analog-Digital-Umsetzer nur 8 Bit Auflösung, was nicht ganz für saubere Funksignalverarbeitung nach heutigen Standards ausreicht. Beim Senden löst dies zu hohe Nebenausstrahlungen aus. Solche Module sind deshalb im Amateurfunk ohne weitere technische Maßnahmen nur für den Empfang verwendbar, wo sie natürlich ebenfalls zu erhöhten Fehlempfangsstellen führen, wo eigentlich gar kein Signal existiert. Das bleibt dann aber das persönliche Problem des Funkamateurs und stört keine anderen; für einfache portable Empfänger, die keine hohen Signalpegel verarbeiten müssen, kann man damit leben. Es gibt aber auch – natürlich etwas teurere – USB-SDR-Sticks mit höherer Auflösung wie den Colibri-NANO mit 14 Bit oder den Funcube SDR mit 16 Bit.

Systeme für niedrigere Abtastraten wie Soundkarten haben diese Probleme nicht, in den 90ern begann man hier zwar auch mit 8 Bit, doch sind seit vielen Jahren 16 und 24 Bit verfügbar, weil dies für qualitativ akzeptable Musikwiedergabe unumgänglich ist.

Ist die zu verarbeitende Signalfrequenz höher als die doppelte Abtastrate, so ist zwar auch noch ein Empfang möglich, doch wird dieser mehrdeutig: Wie beim Überlagerungsempfänger wird nun gleichzeitig auf einer Summen- und einer Differenzfrequenz empfangen und es entstehen unerwartete Mischprodukte. Man spricht hier von „Aliasing“. Man kennt dies von Scans von Bildern aus Zeitungen oder bei Nachrichtensprechern mit kleinkarierten Sakkos im Fernsehen, wo unerwartete Interferenzmuster („Moiré“) durch die Überlagerung von Abtastrate und Bildinhalt sichtbar werden.

Ein Anti-Aliasing-Filter versucht, die „falsche“ Empfangsfrequenz zu eliminieren; im Normalfall ist es ein Tiefpass, der „zu hohe“ Frequenzen oberhalb der halben Abtastfrequenz ausfiltert. In Ausnahmefällen wird auch einmal die „untere“ Empfangsfrequenz ausgefiltert – beispielsweise beim Icom IC-9700, wenn dieser im 2-m-Band mit 144 bis 146 MHz oder im 70-cm-Band mit 430 bis 440 MHz empfangen soll: Sein A-D-Wandler hat nämlich nur 122 MHz Abtastrate. Dies wird als „Undersampling“ bezeichnet: Die Abtastrate ist eigentlich für eine eindeutige Dekodierung zu gering. Hier wird zum Anti-Aliasing ein Hochpassfilter verwendet, das Signale unter etwa 130 MHz ausfiltert; im 2-m-Band sogar ein Bandbpassfilter, um den ebenso möglichen Empfang auf noch höheren Frequenzen ebenfalls auszublenden. Ähnlich ist es beim Colibri-NANO-USB-Stick, der ebenfalls mit 122 MHz abtastet und zunächst für den direkt abtastenden Kurzwellenempfang von 9 kHz bis 55 MHz entwickelt wurde. Hier kann das Anti-Aliasing-Filter auch abgeschaltet werden, dann ist mit Undersampling und den damit verbundenen Einschränkungen, also Mehrfachempfang, ein Empfang bis 500 MHz möglich.

Wenn die Abtastrate umgekehrt wesentlich über der Signalfrequenz liegt, also viel öfter abgetastet wird, als eigentlich notwendig wäre, nennt sich dies „Oversampling“. Dies wirkt wie eine Erhöhung der Bitrate und erhöht die Qualität, aber auch die zu verarbeitende Datenmenge. In der Audiotechnik arbeitet man deshalb mittlerweile mit Abtastraten von bis zu 196 kHz, obwohl das menschliche Ohr nur Schallwellen bis etwa 20 kHz hören kann. Auch bei Funkgeräten erhöht Oversampling die Signalqualität, ist aber auch mit erhöhtem Aufwand (Kosten, Stromverbrauch) verbunden. Dafür ist es einfacher, ein sauberes Anti-Aliasing-Filter zu konstruieren und das Rauschen nimmt ab, ähnlich wie bei einer erhöhten Bitzahl des A/D-Umsetzers. So werden Signale lesbar, die eigentlich unter der Rauschgrenze liegen, wie bei WSJT.

Von Anti-Aliasing-Filtern als Tief- oder Hochpassfilter war bereits die Rede. Um eine Übersteuerung zu vermeiden, ist es durchaus sinnvoll, den durchgehenden Empfangsbereich eines SDR mit umschaltbaren Bandfiltern auch ohne Aliasing-Probleme auf ein bestimmtes Frequenzband einzuschränken, beispielsweise ein Amateurfunkband. Allerdings verhindert dies, dass beispielsweise der gesamte Kurzwellenbereich gescannt und als Datei abgelegt werden kann oder mehrere Nutzer über das Internet einen SDR-Empfänger auf unterschiedlichen Frequenzen und Frequenzbändern nutzen können („WebSDR“). Der Kiwi-SDR, der für genau diese Nutzung entwickelt wurde, nutzt deshalb keine Bandfilter zur Vorselektion. Der Icom IC-7300, das Kurzwellen-Gegenstück zum IC-9700, dagegen schon, denn dieses Gerät soll als Transceiver selbstverständlich nicht von mehreren Personen gleichzeitig über das Internet benutzt werden, sondern nur von seinem Eigentümer, und diesem das bestmögliche Ergebnis bieten. Dies erzielt er mit entsprechend dem gewählten Frequenzband geschalteten Bandfiltern. Die früher in Amateurfunkgeräten verbauten teuren Quarzfilter für ausreichende Trennschärfe bei schmalbandigen Betriebsarten sind durch SDR dagegen obsolet geworden.

Oberwellenreduzierung durch Predistortion: Mit Predistortion – Vorverzerrung – können die Oberwellen erzeugenden Unlinearitäten der Sendeendstufe kompensiert werden. Damit sind teils deutlich bessere Werte als in der Analogtechnik erreichbar, allerdings hat die Technik ihre Grenzen bei höheren Oberwellen, die mitunter sogar bei falscher Kompensation ansteigen können. Predistortion ersetzt also keine Ausgangsfilter im Sender!

„Höher, schneller, weiter!“ – dieser Grundsatz gilt in der Computertechnik seit Jahrzehnten, die PCs können jedes Jahr mehr. Auch die SDR-Lösungen profitieren hiervon, beliebig schnell geht es bislang allerdings nicht. Die Abtastfrequenzen sind bislang erst knapp über 100 MHz und dann mit 12 Bit Auflösung – wer mehr will, muss mit weniger Bit auskommen und umgekehrt. Kurzwelle kann so komplett digital (Direktabtastung) verarbeitet werden; über Zwischenfrequenzen sind bis zu 6 GHz Sende- und Empfangsfrequenz als Lösungen am Markt. Höher gehen aber auch analoge Empfänger normalerweise nicht ohne Umsetzung wie im Satelliten-LNB, das von 10 … 12 GHz auf 800 MHz … 2 GHz heruntermischt. Es ist also auch Betrieb über AO-100 per SDR möglich.

Bei der Bandbreite ist es bei Direktabtastung theoretisch möglich, den gesamten Frequenzbereich in einem Stück zu verarbeiten. Tatsächlich ist es jedoch normalerweise sinnvoll, dies auf einige 10 MHz zu beschränken, weil sonst die Datenraten so hoch werden, dass eine Aufzeichnung in Echtzeit nicht mehr möglich ist. Die momentanen Spitzengeräte der Amateurfunkhersteller arbeiten so bis zum 23-cm-Band, experimentelle Lösungen auch noch höher bei dann aber reduzierter Qualität/Auflösung. In diesem Bereich gibt es aber auch analog keine Fertiggeräte mehr, hier ist Selbstbau nach wie vor gefragt, der dann selbstverständlich auch digitale Signalverarbeitung nutzen kann. So kann beispielsweise der Langstone-SDR des englischen Funkamateurs G4EML von 70 MHz bis 5,7 GHz senden und empfangen.

Insgesamt hat SDR eher unbemerkt in den letzten 20 Jahren viel der analogen Technik in funktechnischen Geräten im gesamten Bereich von Billig bis High End abgelöst. Dabei sind die Kosten in den meisten Fällen gesunken und die Leistung und Flexibilität der Geräte gestiegen.