HackRF und Rad1o – zwei vielseitige SDR Transceiver aus der Hacker- und Makerszene

Gerätekonzepte, die weitgehend auf digitaler Signalverarbeitung basieren, die Hochfrequenz also möglichst nahe der Antenne digitalisieren und komplett digital (in Software) weiterverarbeiten, werden als “Software Defined Radio”, kurz SDR bezeichnet.

Viele Funkamateure kennen SDR Konzepte wie das beliebte Softrock (http://wb5rvz.com/sdr/) oder das FiFi SDR (http://o28.sischa.net/fifisdr/). Wer nicht selbst bauen kann oder will findet mit kommerziellen Geräten wie den Transceivern von FlexRadio (http://www.flexradio.com/) oder den Geräten von ADAT (http://www.adat.ch/) auch fertige Transceiverlösungen der Spitzenklasse. Und sogar wer keinerlei Hardware bauen oder kaufen will, kann die Vorzüge von SDR nutzen, unter http://websdr.org/ findet man rund um die Welt verteilte SDR Empfänger mit Webschnittstelle, teils bis hinauf in den GHz Bereich.

Innerhalb der Hacker- und Makerszene entstanden in den vergangenen Monaten einige interessante SDR Gerätekonzepte in Form sogenannter “Open Hardware”, das bedeutet, obwohl die Hardware selbst auch käuflich erworben werden kann, sind Schaltplan und alle anderen zur Herstellung der Geräte nötigen Daten komplett offengelegt und können damit frei nachgebaut und nach belieben manipuliert werden. Das Open Source Prinzip aus der Software wird damit auf den Bereich der Hardware ausgeweitet.

Zwei prominente Vertreter dieser leistungsfähigen Open Hardware SDR Transceiverkonzepte sind das HackRF und das aus diesem hervorgegangene Rad1o.

HackRF

Das HackRF wurde im Rahmen einer Kickstarter Kampagne von Michael Ossmann ins Leben gerufen. Die Kampagne für das “HackRF jawbreaker”, auf deutsch “Zungenbrecher”, spülte innerhalb kurzer Zeit mehr als 600000 Dollar in die Kassen von Michael Ossmans Firma “Great Scott Gadgets” (https://greatscottgadgets.com/) und ebnete damit auch den Weg für das derzeit aktuelle HackRF One (https://greatscottgadgets.com/hackrf/).

Das HackRF One ist ein SDR Sender/Empfänger. Es kombiniert einen Transceiverbaustein mit einem externen Oszillator/Mischer. Der Transceiverbaustein von Maxim (MAX2837) überstreicht einen Frequenzbereich von 2.3 bis 2.7 GHz (ZF). Er unterstützt Kanalbreiten zwischen 1,75 und 28 MHz. Ein vorgeschalteter Mixer mit integriertem Synthesizer (RFFC5071/2) ist in der Lage, einen beliebigen Bereich zwischen 1 MHz und 6 GHz (HF) in den Bereich der ZF zu mischen.  Ein dem MAX2837 nachgeschalteter kombinierter Analog/Digital- und Digital/Analogwandler (MAX5864) arbeitet mit einer Sampelrate von bis zu 22 MS/s in Quadratur und ist damit in der Lage, ein bis zu 22 MHz breites Frequenzband in Echtzeit zu sampeln (ADC) oder zu erzeugen (DAC).

Damit wird es möglich, ein beliebiges 22 MHz breites Frequenzband aus dem Bereich zwischen 1 MHz und 6 GHz zu empfangen oder auszusenden! Das 10 MHz breite 70cm Amateurfunkband passt so z.B. zweimal komplett in den Sende- bzw Empfangsbereich, man kann das komplette 70cm Band in einem Rutsch beobachten oder “besenden”  und hat jeweils noch 5 MHz Luft nach unten und oben.

Der ADC/DAC wird durch einen leistungsfähigen ARM Prozessor gesteuert, der die Sampels per USB zum PC überträgt oder von dort empfängt. die 22MS/s in Quadratur passen dabei gerade noch in die Übertragungskapazität von USB 2.0. Der verwendete ARM Prozessor hat zudem noch ausreichend Reserven für weitere Anwendungen, die damit direkt auf dem HackRF laufen können.

Weitere auf dem HackRF vorhandene Hardware rundet das System ab, so findet man z.B. Pinheader für eigene Erweiterungen, einen CPLD und auch Takt Ein- und Ausgang zur Verbindung an externe Taktquellen und Senken.

Rad1o

Das Rad1o stammt aus dem Umfeld des CCC, der dieses anlässlich des CCCamp2015 entwarf und dort als sogenanntes “Badge” verteilen will. Das CCCamp2015 (Chaos Communication Camp) ist eine art Fieldday welchen der CCC (Chaos Computer Club) regelmäßig ausrichtet. Informationen zum CCCamp2015 findet man unter https://events.ccc.de/camp/2015/wiki/Main_Page.

Badges (auf deutsch Abzeichen oder auch Dienstmarke, Kennzeichen) haben auf Konferenzen eine lange Tradition. Überlicherweise handelt es sich um programmierbare elektronische Anzeigen für Namen oder Rufzeichen die zu jeder Eintrittskarte kostenlos hunzugegeben werden und an denen sich die Konferenzteilnehmer gegenseitig erkennen können.

Traditionell werden diese Badges immer komplexer, und so bekommt jeder Inhaber einer Eintrittskarte für das CCCamp2015 ein Rad1o.

Beim Rad1o handelt es sich um einen SDR Transceiver nach dem Konzept des HackRF. Der CCC gibt daher auch an, dass das Rad1o softwarekompatibel zum Hackrf ist. Schaut man sich die Unterschiede zwischen HackRF und Rad1o an, fällt sofort auf, dass das Rad1o über zusätzliche Peripherie verfügt. So sind neben einem Farbdisplay auch Bedienelemente, LEDs, Audio Ein- und Ausgänge, USB Ports und Bedtückungsmöglichkeiten für weitere Hardware (z.B. SD-Kartenleser) vorhanden. Eine 2.4 GHz Antenne ist in die Platine des Rad1o bereits integriert, eine Antennebuchse für Antennen für andere Frequenzbereiche kann aber nachbestückt werden. Das Rad1o verwendet einen anderen Mischer und einen anderen Oszillator als das HackRF. Dieser weist aber ähnliche Leistungsdaten wie der des HackRF auf, beide Geräte werden daher voraussichtlich nur minimal unterschiedliche HF Eigenschaften aufweisen. Der abgedeckte Frequenzbereich des Rad1o soll etwas kleiner sein, angegeben werden 50 MHz bis 4 GHz. Ob mehr geht, wird die Praxis zeigen, die verwendeten Bauteile erlauben in der Regel auch den Betrieb ausserhalb ihrer Spezifikation, mit kleinen Abstrichen.

Aktuelle Bilder des Rad1o zeigen eine auf dem Farbdisplay laufende Anwendung, das Rad1o macht also bereits Gebrauch von den Kapazitäten des ARM Prozessors, die beim HackRF noch weitestgehend ungenutzt sind.

Software

Für beide Gerätekonzepte existiert bereits eine Fülle an fertiger Software. SDR# und andere SDR Programme erkennen das HackRF und sollten wegen dessen Kompatibilität auch das Rad1o unterstützen. Der Anwender kann, je nach Software, ein 20 MHz breites Frequenzband auf einen Rutsch überschauen, z.B. das komplette UKW Rundfunkband. Das ist viel und braucht auch ordentlich Rechenleistung.

Richtig spannend wird es aber erst, wenn man anfängt, eigene Software zu schreiben, also den eigenen Sender oder Empfänger  in Software zu definieren. Das klingt sehr kompliziert, ist es aber nicht. Mit GNU Radio und GNU Radio Companion existiert ein komplettes Baukastensystem für den Entwurf von softwaredefinierten Sendern und Empfängern. Aus verschiedenen Funktionsblöcken kann der Anwender wie beim analogen Radiobasteln eigene Konzepte zusammenbauen, der Phantasie sind dabei keine Grenzen gesetzt. Darüber hinaus existiert zu beiden Geräten auch eine Softwarebibliothek mit deren Hilfe eigene Konzepte direkt in C/C++ umgesetzt werden können.

Beispiele für bereits umgesetzte Konzepte reichen von einfachen CW Transceivern bis hin zu kompletten GPS Emulatoren und Sendern für DVB oder DAB,

Michael Ossmann, einer der Köpfe hinter dem HackRF und mittlerweile auch Funkamateur mit eigenem Rufzeichen (AD0NR), bietet unter https://greatscottgadgets.com/sdr/ einen SDR Videoworkshop für Einsteiger in GNURadio an. Der Workshop ist an das HackRF angelehnt, funktioniert aber natürlich auch mit dem  Rad1o oder sogar den preiswerten RTLSDR Sticks. Softwarebasiertes Radiobasteln wird damit so einfach wie noch nie.

Eine schöne Webseite mit beispielhaft umgesetzten Projekten hat DL8RDS unter http://www.dl8rds.de/index.php/GNURadio_and_USRP2 erstellt. Die Beispiele beziehen sich zwar auf das USRP2 (ein weiteres kommerzielles SDR), lassen sich aber leicht für das HackRF/Rad1o abwandeln.

Hilfe beim Umgang mit GNURadio findet man übrigens auch in vielen Hackerspaces. Diese finden sich überall in Deutschland. In Erfurt z.B. in der Liebknechtstrasse (https://bytespeicher.org/). Hier finden regelmäßig SDR Workshops statt.

Zusammenfassung

Wer Lust hat, in die Welt des SDR nicht nur als Hörer sondern auch als Bastler und Macher einzusteigen, erhält mit beiden Geräten Open Hardware zu einem tollen Preis. Wer das CCCamp2015 besucht bekommt das Rad1o sogar geschenkt (vom Eintrittspreis abgesehen). Das HackRF bietet bereits eine lebhafte Community, 4500 weitere Rad1o werden die Community weiter vergrößern und die Entstehung weiterer interessanter Projekte auf der Basis dieser Hardware fördern. Für uns bastelnde, hackende und machende Funkamateure eine tolle Sache und ein riesiger Gewinn!