Amateurfunklehrgang – Der Weg zur HB9-Lizenz/ Software Defined Radio (SDR) - Grundlagen

SDR (Software Defined Radio) bezeichnet ein Schaltungs- und Softwarekonzept, bei dem wesentliche Signalverarbeitungsfunktionen, wie Modulation, Demodulation, Filtern oder Mischen, softwarebasiert erfolgen. Im Gegensatz zu traditionellen Funkgeräten, bei denen diese Funktionen durch die bekannten Schaltungen mit Schwingkreisen, Transistoren, Dioden, ... umgesetzt werden, übernimmt beim SDR ein allgemeiner Prozessor oder DSP (Digital Signal Processor) diese Aufgaben.

Das Kernprinzip ist: "Die Hardware minimieren, die Software maximieren."

Grundaufbau der Hardware für SDR

Antenne

Die Empfangsantenne Ist dem gewünschten EInsatzbereich anzupassen.


Frequenzbereich	Empfohlene Antennen	Anwendung
Langwelle und Mittelwelle (~10 kHz – 1 MHz)	Longwire, aktive Loop-Antenne	AM-Rundfunk, NDBs (Non-Directional Beacons)
Kurzwelle (~1 MHz – 30 MHz)	Dipol, magnetische Loop	Amateurfunk, Kurzwellen-Rundfunk, Utility-Signale
VHF/UHF (~30 MHz – 3 GHz)	Discone, Ground Plane, Yagi	UKW-Radio, Flugfunk (VOR, ATC), Satellitenempfang
GHz-Bereich (>3 GHz)	Patch, Helix, Log-Periodic	WLAN, Satelliten (LEO, GEO)

Betreffend dem Anschluss ist auf eine korrekte Anpassung zu achten. die meisten SDR-Devices haben eine Impedanz von 50 Ohm. Um Reflexionen zu vermeiden und einen optimalen Gewinn zu erreichen sollten Kabel und Antenne dieselbe Impedanz besitzen.

Für VHF/UHF und höhere Frequenzen sind verlustarme Kabel wie RG-213 oder LMR-400 zu empfehlen.

Filter

Um unerwünschte Signale ausserhalb des gewünschten Frequenzbereichs zu unterdrücken können Filter dazwischengeschaltet werden. Hochpassfilter helfen bei starken Störungen im Lang- oder Mittelwellenbereich. Typische Störquellen im Lang- und Mittelwellenbereich kommen von AM-Rundfunksender und elektronischen Geräten, wie Schaltnetzteilen und LED-Beleuchtungen. Ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von z. B. 1 MHz blockiert Langwelle (LW) und Mittelwelle (MW), während höhere Frequenzen, wie Kurzwelle (SW) und VHF/UHF, durchgelassen werden. Ein Hochpass von 30 MHz blockiert Lang-, Mittel- und Kurzwelle, das ist nützlich für VHF/UHF-Anwendungen.

Ein Bandpassfilter reduziert unerwünschte Signale ausserhalb des gewünschten Frequenzbereichs.

Verstärker (Low Noise Amplifier)

Ein Vorverstärker ist sinnvoll für schwache Signale oder lange Kabelstrecken. Ein bekannter, und für viele SDR passender Vorverstärker, ist der LN4ALL. Modifikationen und der Anschluss an den SDR-Dongel ist zum Beispiel hier https://lna4all.blogspot.com/ beschrieben.

Die eigentliche Signalaufbereitung kann nach drei grundlegende Arten unterschieden werden.

Direkte Digitalisierung des Eingangssignals

Bei diesem Ansatz wird das analoge Eingangssignal nach minimaler Vorverarbeitung, wie Filterung und Verstärkung, direkt digitalisiert. Laut dem Nyquist-Theorem muss die Abtastrate mindestens das Doppelte der maximalen Signalfrequenz betragen, um eine verlustfreie Rekonstruktion zu gewährleisten. Moderne Analog-Digital-Wandler (ADCs) bieten Abtastraten von bis zu 3,6 GSPS (Giga-Samples per Second) bei 12 Bit Auflösung, was Empfangsbereiche von bis zu 1,5 GHz ermöglicht.

Vorteile:

Sehr hohe Flexibilität und Bandbreite
Direkter Zugriff auf das gesamte Frequenzspektrum
Hohe Signalqualität ohne analoge Verzerrungen

Nachteile:

Hoher Rechenaufwand für digitale Verarbeitung
Anforderungen an leistungsstarke ADCs und Speicher
Energieverbrauch kann hoch sein

Digitalisierung auf Zwischenfrequenzebene

Bei dieser Methode wird das Signal zunächst auf eine Zwischenfrequenz (ZF) umgesetzt. Diese analoge Vorverarbeitung reduziert die Anforderungen an die nachfolgende Digitalisierung, da die Abtastfrequenz wesentlich niedriger ist. Beispielsweise kann ein Signal mit einer Zwischenfrequenzbandbreite von 10 kHz mit einer Abtastrate von nur 20 kHz verarbeitet werden (Unterabtastung).

Vorteile:

Geringere Anforderungen an ADCs
Reduzierung von Rauschen und Interferenzen durch Vorselektion
Kostengünstige Realisierung durch Kombination aus analoger und digitaler Verarbeitung

Nachteile:

Weniger flexibel, da analoge Filter festgelegt sind
Begrenzte Bandbreite
Höhere Latenz durch mehrere Verarbeitungsschritte

Direktmischer nach dem I/Q-Verfahren

Beim Direktmischer wird das Eingangssignal direkt mit einer Oszillatorfrequenz der gleichen Trägerfrequenz gemischt und so in die Basisband-Frequenzlage umgesetzt. Dabei entstehen sogenannte I (In-phase) und Q (Quadrature) Signale, die eine komplexe Signalverarbeitung ermöglichen. Durch die Hilbert-Transformation können Spiegelfrequenzen effektiv unterdrückt werden.

Vorteile:

Keine Zwischenfrequenz erforderlich
Hohe Flexibilität durch digitale Signalverarbeitung
Effektive Unterdrückung von Störsignalen

Nachteile:

Anfällig für DC-Versatzprobleme
Erhöhte Anforderungen an Synchronisation und Signalverarbeitung
Komplexere Implementierung

Vergleich der SDR-Empfängerarten

Kriterium	Direkte Digitalisierung	Zwischenfrequenz	Direktmischer (I/Q)
Flexibilität	Hoch	Mittel	Hoch
Kosten	Hoch	Niedrig	Mittel
Bandbreite	Sehr hoch	Mittel	Hoch
Signalqualität	Sehr hoch	Hoch	Hoch
Verarbeitungsaufwand	Hoch	Niedrig	Mittel

SDR-Steuersoftware

Software	Lizenz	Plattformen	Unterstützte Hardware	Funktionen
GNU Radio	GPL v3	Windows, macOS, Linux	RTL-SDR, HackRF, USRP, PlutoSDR, FunCube	Modulare DSP-Entwicklung, Flowgraph
SDR#	Freeware	Windows	AIRSpy, SoftRock, FiFiSDR, FUNcube Dongle, FUNcube, Dongle Pro+, I/Q wav files, SDR-4, LazyDog’s LD-1, SDR-IQ, SDR-14, RTL2832U / RTLSDR (ext.), alle sound card basierendenc SDR front end.	Einfache Bedienung, Plugin-Unterstützung
CubicSDR	GPL v2	Windows, macOS, Linux	RTL-SDR, SDRPlay, HackRF, BladeRF, AirSpy, NetSDR+, Red Pitaya, Audiogeräte	Mehrere Demodulationstypen, Wasserfallansicht
SDR++	GPL v3	Windows, macOS, Linux	Adalm Pluto SDR, Airspy - alle Modelle, BladeRF, CaribouLite (geplant), Ettus USRPs (beta), HackRF, Hermes Lite 2 (experimental), Lime SDRs, Per Vices Noctar (geplant), PicoSDR, (frmnächst), RFSpace devices (beta), RTL-SDR, SDRPlay, SPECTRAN V6 (grplant)	Schnelle GUI, Plugin-Erweiterungen
HDSDR	Freeware	Windows	RTL-SDR, Perseus, FunCube, RSP1B, Airspy HF+, FDM-S1 & S2, (auswahl)	Frequenz-Manager, IQ-Aufzeichnung
Linrad	GPL v2	Windows, Linux	SDR-14, SDR-IQ, Perseus HF Receiver, SDR-IP, Excalibur	Hochleistungs-DSP, Signaloptimierung
SDR Console	Freeware	Windows	Diverse	Multi-VFO, Remote-Zugriff
SoapySDR	open source	Wwindows, Linux	LimeSDR, RTL-SDR, Ettus USRP, HackRF, airspy, tl_tcp, SoapySDR, rawfile	Optimal für Kleinrechnerbetrieb (touch-screen)