Software Defined Radio - Wenn der PC funkt

Drahtlose Übertragungsverfahren setzen sich in allen Arten von elektronischen Systemen durch. Meist kommt ein fertiges Modul zum Einsatz oder ein hoch integrierter Funktransceiver unter Verwendung eines Referenzdesigns...

Drahtlose Übertragungsverfahren setzen sich in allen Arten von elektronischen Systemen durch. Meist kommt ein fertiges Modul zum Einsatz oder ein hoch integrierter Funktransceiver unter Verwendung eines Referenzdesigns. Für ein tieferes Verständnis der Funktionsweise solcher Chips ist man heute nicht mehr nur auf das Studium der Fachliteratur angewiesen: Mit etwas kommerziell erhältlicher Hardware wird ein normaler PC zum Funktransceiver. Da die Signalverarbeitung über Software erfolgt, dient das nicht nur dem experimentellen Studium der Technik, vielmehr hat der Entwickler ein einfaches Werkzeug zur Hand, um beispielsweise die Funktion eines Funksystems zu testen und Fehler zu erkennen.

SDR (Software Defined Radio) ist eine Technik, bei der die Software in einem Rechner möglichst viele Aspekte der Signalverarbeitung abwickelt, die in klassischen Radioschaltungen von analoger Elektronik erledigt wurden. Dieser »Rechner« kann ein PC, ein Mikrocontroller, ein FPGA oder ein Signalverarbeitungsblock auf einem HFChip sein. Tatsächlich hat SDR im Rahmen der stürmischen Entwicklung im Mobilfunkbereich klassische Funkansätze praktisch verdrängt. Der einfachste digitale Empfänger besteht nur aus einer Antenne, die am Eingang eines A/D-Wandlers hängt. Wandler mit Raten im 100-MHz-Bereich und 12 Bit bis 14 Bit Auflösung sind heutzutage kostengünstig zu erhalten. Um eine Radiowelle noch sinnvoll zu erfassen, muss sie pro Halbwelle mindestens einmal abgetastet werden (Nyquist-Theorem). Entsprechend kann der Entwickler mit einem solchen Aufbau bereits einen einfachen Empfänger bauen, der simultan alle Lang-, Mittel- und Kurzwellenbänder bis 50 MHz empfangen könnte. Hier wird aber auch eine Grenze der Anwendung des SDR-Prinzips deutlich: Ein linearer 12-Bit-Wandler stellt eine Dynamik von 36 dB bereit. Da sich die empfangbaren Signalstärken in diesem Band bewegen müssen, kann dieser Aufbau nur die stärksten Sender empfangen. In der Praxis kommt deshalb auch ein weitestgehend digitaler Empfänger nicht ohne Kanal- oder wenigstens Bandfilter aus. Für übliche Frequenzen im Bereich ab 800 MHz ist noch eine Mischstufe notwendig, welche die Frequenz des Funksignals auf die Abtastrate des Wandlers reduziert.

Solche Verfahren lassen sich auch in einem SDR implementieren. Im Falle der OQPSK gibt es aber eine wesentlich einfachere Variante. Hierzu muss man nur die Änderung der Phase betrachten. Diese beträgt, wie bereits erwähnt (Bild 3e), entweder +90° oder -90°. Nach der Digitalisierung des Signals helfen beispielsweise Tabellen beim Ermitteln der Phase aus den IQ-Wertepaaren, wobei eine Auflösung > 10° ausreicht. Bildet der Rechner die Differenz aus dem »letzten« Phasenwert und dem aktuellen Phasenwert, wie in Bild 3(e) gezeigt, und setzt +90° = 1 und -90° = 0, so entsteht eine »differenzielle« Bitfolge. In Bild 4 ist ein Screenshot der Empfängersoftware dargestellt. Der blaue Kanal im Oszillogramm entspricht der Amplitude des Empfangssignals. Sie bleibt während des Datenpakets konstant. Die rote Kurve zeigt das differenzielle Phasensignal. Es ist der Anfang der bereits in Bild 3e dargestellten differenziellen Bitfolge zu erkennen.

Die Empfängersoftware schiebt nun diese Bits (oder für optimale Empfindlichkeit die Winkelwerte) durch ein Schieberegister mit der Länge eines IEEE-802.15.4-Symbols, also 32 Bit. Wenn kein Paket übertragen wird, ergibt sich eine durch Rauschen generierte Zufallsbitfolge oder ein konstanter Wert. Zu Beginn eines Datenpaketes taucht aber im Schieberegister irgendwann der Hexadezimalwert »E077AE6C« auf. Das ist die differenzielle Repräsentation des Symbols »0«, welches der Sender als Synchronisationssignal zu Beginn eines Datenpaketes mehrfach ausstrahlt. Auf dieses Ereignis synchronisiert sich die Empfängersoftware. Dann liest sie immer 32 Werte und prüft, welchem Symbol die Werte am besten entsprechen. So liest sie nach und nach alle Symbole eines Datenpakets und verbindet sie zum originalen Nutzdatenpaket. Da der Empfänger mit Oversampling arbeitet, also während der Dauer eines Bits zwei oder vier IQ-Pärchen erhält, kann während des Paketempfangs gegebenenfalls nachsynchronisiert werden, ganz ähnlich wie es beispielsweise auch in einem Empfänger einer seriellen RS-232-Schnittstelle passiert.