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In den letzten Jahren ist der Begriff SDR immer häufiger zu hören. Was bedeutet er und warum macht er so viel Furore in der Welt der neuen Technologien? Wir haben es eilig, das zu erklären!
Die Funktechnologie ist zweifelsohne einer der fortschrittlichsten (und anspruchsvollsten) Bereiche der modernen Elektronik. Die Arbeit mit sehr schnellen Signalen mit Frequenzen von bis zu mehreren Dutzend Gigahertz stellt die Entwickler von HF-Geräten vor eine Reihe von Problemen, sowohl bei der Erstellung von elektronischen Schaltplänen als auch bei der Entwicklung von Leiterplatten.
Schlimmer noch, in den meisten Fällen ist ein Gerät, das für einen bestimmten Zweck entwickelt wurde, für andere Anwendungen völlig untauglich. Und nicht nur das: Selbst wenn die Übertragungsbandbreite geändert wird, muss das ganze Gerät ernsthaft umgestaltet werden. Wie wäre es mit einer Einheitslösung, die für fast jeden Funkkommunikationsstandard geeignet ist? Die Idee scheint phänomenal zu sein, aber Sie können wahrscheinlich schon intuitiv spüren, dass unser Traumgerät gründlich umprogrammiert werden müsste, um es einfach auf eine neue Betriebsart ‘umzustellen’. Moment mal… was ist mit dem Hardware-Teil? Und hier kommen wir zum Kern der SDR-Technologie. Wenn wir es also geschafft haben, Sie mit dieser kurzen Einführung zu interessieren, laden wir Sie ein, den Rest des Artikels zu lesen!
SDR - Definition und Grundzüge des Konzepts
SDR kommt aus dem Englischen und steht für Software-Defined Radio, was wörtlich übersetzt „softwaredefiniertes Radio“ bedeutet. Damit sind wir beim Kern der Sache angelangt: SDR ist eine Funkkommunikationsarchitektur, bei der ein Großteil der Hardwarefunktionen in den Softwarebereich verlagert wird, so dass das System dynamisch rekonfiguriert und an verschiedene Bedürfnisse angepasst werden kann. In herkömmlichen Funksystemen wurden Funktionen wie Modulation, Demodulation oder Filterung immer in spezieller Hardware ausgeführt – einem elektronischen Schaltkreis, der für die Funktion in einem bestimmten Frequenzband und mit anderen technischen Parametern, die im Voraus in der Entwurfsphase festgelegt wurden, ausgelegt war. Eine solche Architektur war natürlich recht „starr“ und bot, wie bereits erwähnt, wenig Spielraum für Änderungen, falls diese notwendig werden sollten.
Durch die Verlagerung der „Last“ der HF-Signalverarbeitung auf die Software – ein grundlegender Grundsatz der SDR-Technologie – kann eine viel größere Flexibilität erreicht werden. Dies liegt daran, dass alle zuvor erwähnten Operationen auf der Software-Ebene durchgeführt werden, oft unter Verwendung von Algorithmen, die auf Plattformen wie feldprogrammierbare Gate-Arrays FPGA( engl. Field-Programmable Gate Arrays) oder digitalen Signalprozessoren DSP( engl. Digital Signal Processors) laufen. Es liegt auf der Hand, dass der Einsatz solcher Hochleistungsplattformen aufgrund der erforderlichen Geschwindigkeit komplexer mathematischer Berechnungen notwendig ist – ein einfacher Mikrocontroller (z. B. ATmega) wäre nicht in der Lage, solche komplexen Algorithmen zu bewältigen, die zudem in sehr kurzer Zeit während des gesamten Zeitraums der Funkwellenübertragung oder des Empfangs durchgeführt werden müssen.
Die Hardware-Seite von SDR, also das, was nicht programmierbar ist
Natürlich ist es unmöglich, das gesamte Funkgerät rein softwarebasiert zu realisieren – schließlich müssen wir das Signal irgendwie empfangen oder senden, also unser Gerät mit der Antenne kommunizieren. Im Falle von SDR wird die Beteiligung spezialisierter Hardware jedoch auf ein absolutes Minimum beschränkt – und so haben wir auf der Senderseite einen Leistungsverstärker, dem über einen so genannten UP-Konverter (Frequenzumwandlungsschaltung) ein Signal von einem Hochgeschwindigkeits-Digital-Analog-Wandler (DAC) zugeführt wird.
Die Steuerdaten des Senders, die das Ergebnis mathematischer Berechnungen sind und die zu übertragenden verschlüsselten Daten enthalten, kommen bereits direkt aus dem „Herz“ des SDR, z.B. dem FPGA-Array.
Und in die andere Richtung – in einem SDR-Empfänger wird der Hardware-Teil auf einen rauscharmen Verstärker (LNA) reduziert, der mit einem Basisfilter, einem Mischer und einem ADC ausgestattet ist, der das Zwischenfrequenzsignal abtastet und es in digitaler Form direkt an den FPGA/DSP weiterleitet.
Die gesamte „Magie“, die mit der Weiterverarbeitung der empfangenen Signale und ihrer Dekodierung verbunden ist, wird bereits auf der Softwareseite erledigt, so dass ein und dasselbe Gerät mit verschiedenen Modulationsarten (z. B. QAM, QPSK oder OFDM) und einer Vielzahl von Datenkodierungsstandards zurechtkommt.
Software-Defined Radio für alle, also HackRF One SDR
In den letzten Jahren hat SDR im Zusammenhang mit neuen Telekommunikationstechnologien stark an Bedeutung gewonnen. So sind z.B. bei militärischen oder weltraumgestützten Anwendungen (Satelliten-) funktionale Flexibilität und die Fähigkeit, über einen großen Frequenzbereich zu arbeiten, entscheidend für die Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Bedürfnisse und Übertragungsbedingungen. Leider liegen SDR-Hardwareplattformen in den meisten Fällen – aufgrund der Notwendigkeit sehr teurer FPGA-Arrays, DSPs oder schneller und rauscharmer ADCs und DACs – weit jenseits der finanziellen Möglichkeiten der meisten privaten Nutzer sowie akademischer Organisationen oder kleiner Unternehmen.
Glücklicherweise wurde auch diese Marktlücke erfolgreich geschlossen. Das HackRF One SDR-Gerät ist eine Standard-Hardwareplattform, die für den Betrieb in einem sehr weiten Frequenzbereich von 1 MHz bis zu 6 GHz ausgelegt ist. Hochgeschwindigkeits-Wandler mit einer Abtastrate von 20 MSps bieten eine breite Palette von Möglichkeiten für die Implementierung und das Testen einer Vielzahl von Modulations- und Demodulationsalgorithmen, während die Kompatibilität mit der Open-Source-Software GNU Radio einen erschwinglichen Weg zum Erlernen der SDR-Technologie bietet, ohne in teure kommerzielle Systeme investieren zu müssen. Das Gerät kommuniziert mit dem Computer über eine USB 2.0-Schnittstelle und ist mit drei SMA-Anschlüssen ausgestattet: einer für den Anschluss der Antenne und die beiden anderen dienen als Takt-Eingang und -Ausgang.
