Software Defined Radio – einfach erklärt

Grundprinzip und Aufbau

Software Defined Radio (SDR) bezeichnet Konzepte für Hochfrequenz-Sender und -Empfänger, bei denen kleinere oder größere Teile der Signalverarbeitung durch Software ausgeführt werden. Besonders die Auswahl gewünschter Signale sowie Modulation und Demodulation – also das Aufprägen beziehungsweise Zurückgewinnen von Informationen auf einem Trägersignal – erfolgen mithilfe digitaler Signalverarbeitung (DSP).

Ein SDR-System verarbeitet den größten Teil der Signale mit einem Universalrechner, zum Beispiel einem PC, und bei Bedarf zusätzlich mit Signalprozessoren oder FPGAs. Empfangsbandbreiten von wenigen MHz lassen sich normalerweise mit PCs bearbeiten. Moderne SDR-Systeme können auch Bandbreiten bis zu 245 MHz mit handelsüblichen Laptops und PCs verarbeiten. Noch größere Bandbreiten oder komplexere Algorithmen benötigen spezielle Prozessoren wie DSPs oder FPGAs.

Die wesentliche Eigenschaft eines SDR ist seine Anpassungsfähigkeit: Modulation, Bandbreite, zeitliches Verhalten und Kanalkodierung können allein durch Änderung der Software verändert werden. Dadurch lassen sich Funkgeräte leichter auf neue Übertragungsstandards umstellen. Ein SDR besteht mindestens aus Sender- und Empfängermodul, jeweils einem A/D-Umsetzer (Analog-Digital-Umsetzer) beziehungsweise D/A-Umsetzer (Digital-Analog-Umsetzer) und der dazwischenliegenden digitalen Signalverarbeitung. Häufig werden komplexe Signale verarbeitet, die aus zwei parallel geführten reellen Zahlenfolgen bestehen: dem I/Q-Signal. I steht für „In phase“ und den Realteil, Q für „Quadrature“ und den Imaginärteil.

SDR-Experimentierplattformen können beispielsweise als Sender und Empfänger von 1 MHz bis 6 GHz eingesetzt werden.

Ideales Modell und Funktionsprinzipien

Im idealen SDR-Empfänger würde die Antenne unmittelbar mit einem Analog-Digital-Umsetzer verbunden. Ein Rechner würde die nach der Digitalisierung ausgelesenen Daten vollständig verarbeiten. Der ideale Sender würde umgekehrt einen digitalen Datenstrom erzeugen, ihn mit einem D/A-Umsetzer in ein analoges Signal umwandeln und anschließend über eine Antenne aussenden.

In der Praxis arbeiten SDRs vor allem nach drei Konzepten:

Bei der direkten Digitalisierung des Eingangssignals wird das Signal nach möglichst wenig analoger Vorverarbeitung, etwa durch Filter, Vorverstärker oder Dämpfungsglieder, direkt digitalisiert. Nach dem Nyquist-Theorem muss ein Signal mindestens mit der doppelten maximalen Nutzfrequenz abgetastet werden, damit es rekonstruiert werden kann. A/D-Umsetzer erreichen inzwischen bis zu 3,6 GSPS (Giga-Samples Per Second) bei 12 bit-Auflösung. Damit sind Empfangsbereiche bis zu 1500 MHz möglich.
Bei der Digitalisierung auf Zwischenfrequenzebene ähneln die ersten Empfängerstufen einem herkömmlichen Überlagerungsempfänger (Superhet). Die analogen Filter werden für die größte verwendete Nutzsignal-Bandbreite ausgelegt. Bei einer Zwischenfrequenz-Bandbreite von beispielsweise 10 kHz genügt eine Abtastfrequenz von gut 20 kHz. Diese Unterabtastung senkt die Anforderungen an die Abtasttechnik. Das Verfahren ist weit verbreitet, weil ein ausreichend leistungsfähiger DSP deutlich billiger sein kann als mehrere Quarzfilter mit den benötigten Bandbreiten. Der DSP kann außerdem Verstärkungsregelung und Demodulation übernehmen.
Beim Direktmischer nach dem I/Q-Verfahren wird das Eingangssignal mit einem Oszillatorsignal gleicher Trägerfrequenz gemischt und dadurch demoduliert. Ein herkömmlicher Direktmischer kann die Spiegelfrequenz nicht unterdrücken: Ein Sinussignal 1 kHz unterhalb der Oszillatorfrequenz erzeugt dasselbe Ausgangssignal wie eines 1 kHz oberhalb der Oszillatorfrequenz. Ein SDR verwendet deshalb komplexe Signalverarbeitung mit Real- und Imaginärteil. Zwei parallele Mischstufen arbeiten mit um 90° phasenverschobenen Oszillatorsignalen. Die beiden Ausgangssignale werden getrennt digitalisiert und verarbeitet. Eine zentrale Rolle spielt die Hilbert-Transformation. Sie bewirkt eine frequenzabhängige Verzögerung ohne Veränderung der Signalamplitude und dreht die Phase um 90°. Ein 1-kHz-Signal wird dabei um 250 µs, ein 10-kHz-Signal um 25 µs verzögert. Durch Addieren oder Subtrahieren der beiden Signale lässt sich zwischen den beiden Seitenbändern umschalten.

Praktische Konzepte sowie Vor- und Nachteile

Das Direktmischer-Konzept ist besonders verbreitet, weil es mit vergleichsweise wenig Elektronik auskommt. Praktisch jedes Handy ist ein Transceiver nach diesem SDR-Direktmischerkonzept. Auch andere Funkanwendungen verwenden dieses Prinzip, beispielsweise der Baustein CC1100 von Texas Instruments, der sendeseitig konventionell arbeitet, empfangsseitig jedoch als SDR. Viele aktuelle, billige Kurzwellenradios aus chinesischer Produktion weisen ebenfalls auf digitale Signalverarbeitung hin.

Auch die aufwendigeren Konzepte der Zwischenfrequenzdigitalisierung und der direkten Eingangssignalabtastung arbeiten nach dem I/Q-Prinzip. Bei ihnen wird möglichst viel analoge Signalverarbeitung vermieden, damit die höhere Genauigkeit der digitalen Verarbeitung genutzt werden kann.

Der wichtigste Vorteil von SDR liegt in der Flexibilität. Neue oder geänderte Übertragungsstandards können durch Software-Upgrades unterstützt werden, ohne die gesamte Funkhardware neu zu entwickeln. Das ist besonders nützlich, wenn mehrere Protokolle in Echtzeit verarbeitet werden müssen. Als Beispiel nennt der Artikel zellulare Basisstationen, die innerhalb kurzer Zeit kostengünstig auf neue Standards aufgerüstet werden könnten.

Dem stehen wirtschaftliche und technische Nachteile gegenüber. In der Produktion kann ein speziell für ein bestimmtes Übertragungsverfahren entwickelter Sender oder Empfänger deutlich günstiger sein. Deshalb muss zwischen den aktuellen Produktionskosten und den späteren Kosten für Erweiterungen und Neuentwicklungen abgewogen werden. In der Anfangszeit benötigten SDRs außerdem viel Rechenleistung. Die dafür eingesetzten Signalprozessoren hatten eine entsprechend hohe Leistungsaufnahme.

Anwendungsfelder und militärische Kommunikation

SDR wird in zahlreichen Bereichen eingesetzt:

Mobilfunk, darunter Mobiltelefone seit Mitte der 1990er Jahre, Smartphones und Basisstationen
Rundfunkempfangsgeräte wie Smart-TV
Datenfunknetze wie WLAN-Module
militärische Kommunikationstechnik
Amateurfunk
Messtechnik
Forschung

SDR-Technik bildet die Grundlage für viele militärische Funkgeräte, die ab den 2010er Jahren entwickelt wurden. Die Bundeswehr verfolgt im Rahmen der „Vernetzten Operationsführung“ („NetOpFü“) das Ziel eines „streitkräftegemeinsamen, führungsebenenübergreifenden und interoperablen Kommunikations- und Informationsverbunds“. Geräte für dieses System werden von Airbus Defence and Space, Hagenuk Marinekommunikation, Rohde & Schwarz, Rohde & Schwarz SIT, Thales Electronic Systems und Telefunken Racom entwickelt.

Das Heer beschafft seit 2017 SDR-Funkgeräte aus der SOVERON-Familie von Rohde & Schwarz und seit 2019 SDR-Funkgeräte aus der E-LynX-Familie von Elbit, darunter das E-LynX PNR 1000. Ein weiteres Beispiel ist das AN/PRC-117 des amerikanischen Herstellers Harris, das besonders beim US-Militär weit verbreitet ist. Seine SDR-Eigenschaft ermöglicht die Realisierung verschiedener kryptografischer Verfahren.

SDR im Amateurfunk und zugängliche Systeme

Im Amateurfunk haben sich verschiedene SDR-Implementierungen etabliert. Dazu gehören kommerzielle Lösungen wie DVB-T-Sticks sowie PC-basierte Software, beispielsweise GNU Radio, mit der ein Software Defined Radio implementiert werden kann.

Seit etwa 2005 gibt es über das Internet frei zugängliche SDR-Empfänger wie WebSDR. Auch eine SDR-Variante für iOS wurde veröffentlicht. Weitere Empfänger in vielen Ländern, die auch Amateurfunk empfangen können, lassen sich ebenfalls über das Internet nutzen.

HPSDR („High Performance Software Defined Radio“) ist eine Plattform für Funkamateure zur Entwicklung modularer elektronischer Baugruppen in SDR-Technologie. Das Projekt besteht seit 2005 und verwendet Open-Source-Software sowie freie Hardware. Die Baugruppen werden von der Tucson Amateur Packet Radio Corporation vertrieben. Im Rahmen von HPSDR entstehen sowohl Empfänger als auch Sendeempfänger. Das Projekt stellt Schaltpläne, Baubeschreibungen, Firmware, Quellcode und Handbücher bereit und bietet außerdem ein Wiki, eine Diskussionsgruppe (E-Mail-Reflector) und eine Teamspeak-Funktionalität.

Das RTLSDR-Projekt nutzt gewöhnliche DAB- und DVB-T-Sticks mit dem verbreiteten RTL2832U-Chipsatz von Realtek. Ein alternativer Treiber stellt eine Schnittstelle für verschiedene Programme bereit. Damit ist beispielsweise die Dekodierung von ADS-B zur Lokalisierung von Flugfunktranspondern möglich. Als Software kann SDR# verwendet werden; außerdem gibt es eine SDR-basierte DAB-Implementierung. Der empfangbare Frequenzbereich hängt stark vom verwendeten Tuner ab und liegt zwischen 700 kHz und 1,7 GHz. Genannte Tunerbereiche sind: Elonics E4000 mit 64–1700 MHz, Rafael Micro R820T mit 42–1850 MHz und Rafael Micro R820T2 mit 0,7–1864 MHz.

Auch eine PC-Soundkarte kann mit geeigneter Software, zum Beispiel SpecLab, als SDR für den Längstwellenbereich dienen. Die maximale Empfangsfrequenz beträgt dabei die Hälfte der maximalen Samplingfrequenz, entsprechend dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem. Mit einer Soundkarte, die mit 192 kHz sampeln kann, ist es sogar möglich, die PC-Uhr exakt nach dem Zeitzeichensender DCF77 zu stellen.