SDR – Wie funktioniert die Software eigentlich?

Moderne Kurzwellenempfänger und -Transceiver kommen ohne Software nicht mehr aus, mittlerweile werden auch Funktionen im Empfangs- oder Sendezweig per Software realisiert – man spricht vom „Software Defined Radio“, abgekürzt SDR. Doch wie funktioniert eigentlich die Software im SDR?

Wer als Funkamateur gerne in das Thema SDR über den Selbstbau eines Empfängers einsteigen möchte, der wird im Internet schnell fündig. Dort gibt es neben zahlreiche Beschreibungen von einfachen SDR Empfängern auch diverse Bausätze. Zum Betrieb benötigen die SDR-Empfänger neben der Stromversorgung dann üblicherweise noch einen Rechner, auf dem welchem die Software läuft. Die Funktionsweise der Schaltungen erschließt sich meist noch relativ einfach, aber die Software ist eine Black-Box, welche wie ein Integrierter Schaltkreis verwendet wird. Wie diese nun funktioniert und einzelne Funktionen des Radios implementiert, wird nicht beschrieben.

Aber ohne dieses Verständnis wird man hier zum „Steckdosen-Amateur“: Man ist auf vorhandene Software wie „GNU Radio“ oder „SDR#“ angewiesen. Auch dass es sich bei der Software zum Teil um Open-Source handelt, hilf nicht wirklich weiter. Ein Reverse-Engineering ist üblicherweise ziemlich zeitaufwendig. Für das Verständnis der implementierten Funktion hilft es auch nicht unbedingt weiter, zu wissen wie diese programmiert worden ist, wenn die Grundlagen zur Digitalen Signalverarbeitung fehlen.

Wer nun die Software verstehen oder gar selbst schreiben möchte, landet auf der Suche nach Informationen schnell in einem Dickicht aus Mathematik, Programmiersprachen und Literatur zur Digitalen Signalverarbeitung. Keine leicht verdauliche Kost – jedenfalls für mich, obwohl ich vor mehr als 20 Jahren ein Ingenieurstudium absolviert hatte. Vielleicht geht es ja einigen der Leser dieses Artikels ähnlich 😉 Im Spätsommer des letzten Jahres bin ich in diesem Zusammenhang auf ein interessantes Buch gestoßen, das einen sehr guten Einstieg in das Thema SDR bietet: „Software Defined Radio using MATLAB & Simulink and the RTL-SDR“

Dieses Buch vermittelt einen experimentalen Einstieg in die Welt des Software Defined Radio. Es wurde von einer Autorengruppe im Rahmen des Projektes www.desktopSDR.com erstellt und ist sehr anschaulich im Stil einer Experimentier-Anleitung geschrieben: Schrittweise wird der Leser in die Materie eingeführt. In jedem Kapitel erhält man Anregungen, das Gelesene umzusetzen. Als Arbeitsumgebung dienen dabei der NooElec DVB-T Empfänger „RTL-SDR“ und die Software „MATLAB & Simulink“. Das Ganze ist nicht übermässig teuer, es muss etwa mit folgenden Kosten gerechnet werden:

• RTL-SDR Hardware: ca. 20 – 50 Euro
• MATLAB & Simulink: ca. 85 Euro (Student Edition 2015) oder kostenlos als 30 tägige Trial-Lizenz

Das oben erwähnte Buch gibt es als PDF kostenlos zum Download auf der oben erwähnten Website. Wer mag, kann das gedruckte Buch zum Preis von 90 bzw. 116 Euro erwerben und damit das Projekt unterstützen.

So ausgerüstet kann die Reise in die Welt des Software Defined Radios beginnen: Im ersten Kapitel wird der Leser der Installation der RTL-SDR Hardware und von MATLAB begleitet. Dabei wird auch die Zusammenarbeit der installierten Hard- und Software überprüft. Unterstützend gibt es übrigens zu vielen Themen Videos als Begleitmaterial auf www.desktopsdr.com.

Schon im nächsten Kapitel geht es an die „Erforschung“ des Radio Frequenzspektrums im Bereich von 25 – 1750 MHz: Es werden Signale aus dem UKW Rundfunk, dem Mobilfunk (2G, 3G, 4G), dem DAB und dem DVB-T empfangen. Bis hierhin ist alles sehr leicht verdaulich, für die folgenden Kapitel sollte man sich etwas mehr Zeit nehmen. Es beginnt mit einer Einführung in die MATLAB-Umgebung und die Welt der digitalen Signale. Dabei wird viel mit Screenshots gearbeitet, die eine gute Orientierung innerhalb der MATLAB-Umgebung bieten. Alles ist sehr ausführlich und nachvollziehbar geschrieben. Ich empfand es als sehr hilfreich, die ersten Kapitel dann auch wirklich Schritt für Schritt durchzugehen und sich so eine solide Grundlage für die folgenden Kapitel zu erarbeiten. Dabei hatte ich einige Aha-Erlebnisse zu häufig im SDR Umfeld verwendeten Begriffen wie „Basisband“ oder „IQ-Signalen“.

Es folgen dann Themen wie Amplituden-Modulation – auch in verschiedenen Varianten wie DSB oder SSB -, weiter geht’s mit Kapiteln zur Frequenz-synchronisation mit PLL und NCOs sowie einem Kapitel zur Frequenzmodulation. Den Abschluss bilden dann Digitalen Betriebsarten.

Im Anhang gibt es noch Informationen zum Hardware-Setup, häufig verwendeten Formeln, PLL-Design sowie einige Hardware-Basteleien von AM- und FM-Sendern.

Ich kann das Buch jedem empfehlen, der Software Defined Radio besser verstehen möchte. Es ist sicherlich nicht notwendig, dazu das ganze Buch durchzuarbeiten. Zu jedem Kapitel gibt es Gelegenheit zum Experimentieren bis hin zum „Bau“ eines Software-definierten UKW Empfängers.

Die Kapitel enthalten Schritt-für-Schritt Tutorials, Übungen zum Erstellen von Modellen, Code oder Schaltungen, Beispiele („Referenz-Designs“) und Fragen oder Aufgaben zur Überprüfung des Verständnisses. Die Abschnitte innerhalb der Kapitel sind mit entsprechenden Icons gekennzeichnet. Natürlich kann auf Mathematik nicht verzichtet werden, aber der Einsatz erfolgt wohl dosiert und gut erklärt.

Einen kleinen Wermutstropfen für die Deutschsprachige Leserschaft möchte ich nicht verschweigen: Das Buch ist in Englisch geschrieben.

Wer Interesse an dem Thema hat, sollte allerdings schon etwas Zeit und Geduld mitbringen – aber vielleicht findet sich ja demnächst die eine oder andere Gelegenheit, sich mit dem Software Defined Radio zu befassen und dann den Tönen aus dem „eigenen“ SDR Empfängers zu lauschen.