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Intelligente Funkmikrofone


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Empfängnisbereit

Bild 2: Blockdiagramm des Scanning-Receivers
Bild 2: Blockdiagramm des Scanning-Receivers
© Uni Erlangen

Der Scanning-Receiver stellt den Sensorknoten zur Erfassung des Funkspektrums an einem bestimmten Ort dar. Er besteht aus einem analogen Frontend (AFE), einem digitalen Frontend (DFE) sowie einem Basisband-Prozessor (BBP).

Dazu ist ein vereinfachtes Blockschaltbild in Bild 2 zu sehen. Das empfangene Hochfrequenzsignal wird zunächst durch einen Bandpass (BP) mit integriertem Notch für die GSM-Frequenzen bei 900 MHz gefiltert, um ungewünschte Frequenzanteile und mögliche Störsignale zu dämpfen. Zur Abwärtsmischung des HF-Signals in eine niedrige Zwischenfrequenzlage bei 5 MHz kam der integrierte Baustein »TDA18273« von NXP zum Einsatz (TVRX). Dies ist ein Empfänger für terrestrischen TV-Rundfunk und zugleich die Kernkomponente des AFE. Damit ist implizit vorgegeben, die Erfassung des Funkspektrums von 470 MHz bis 870 MHz im Raster der DVB-T-Kanäle mit einer Bandbreite von 8 MHz durchzuführen.

Zur weiteren digitalen Signalverarbeitung wird dann im DFE das analoge, reelle Bandpasssignal sZF(t) von der Zwischenfrequenz ins digitale, komplexe Basisband verschoben. Dies übernimmt der Baustein »AD6655« von Analog Devices (IFRX). Aufgrund der hohen analogen Eingangsbandbreite des Bausteins von circa 650 MHz werden die Spektralanteile oberhalb des Bandpass-Signals mit einem LC-Tiefpassfilter (TP) unterdrückt und so das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert. Im Anschluss wird das Signal im IFRX zeitdiskretisiert und wertquantisiert, bevor mit den Stufen zur Abwärtsmischung, Filterung und Abtastratenreduktion ein digitales, komplexes Basisbandsignal sBB(k) vorliegt.

Die Berechnung des Leistungsdichtespektrums (LDS) aus den I/Q-Daten erfolgt danach im BBP. Dies ist ein »Spartan-6«-FPGA von Xilinx, der in zwei funktionale Bereiche unterteilt wird. Der erste Teil ist die Schnittstelle zum Datenausgang des IFRX zur Berechnung des LDS des Basisbandsignals in FPGA-Hardware. Die Signalverarbeitungskette besteht aus einer Fensterung, Transformation in den Frequenzbereich mittels FFT-Algorithmus bei 512 Punkten und Berechnung des Amplitudenspektrums, um daraus Spitzen- und Mittelwert über eine einstellbare Anzahl von Messungen zu bestimmen, bevor nach der Logarithmierung und anschließender Kompensation des Fenstereinflusses das LDS des Eingangssignals vorliegt. Für Details zur Realisierung der Signalverarbeitungskette wird auf verwiesen. Der zweite Teil des BBP ist ein Subsystem mit dem Softcore-Prozessor »MicroBlaze« (MB) von Xilinx innerhalb des FPGAs. Der Prozessor steuert alle Schnittstellen zur Parametrierung der Peripherie außerhalb des BBP. Zur Realisierung der externen Schnittstellen (zum Beispiel SPI, I2C, RS-232, Ethernet) wurden IP-Blöcke von Xilinx eingesetzt. Außerdem ist es über einen Treiber im MicroBlaze-Prozessor möglich, das berechnete LDS für Spitzen- und Mittelwert in Software auszulesen.

Die Kommunikation erfolgt entweder über die Ethernet-Schnittstelle mit 100 MBit/s oder über USB. Für die Steuerschnittstelle wurde der Befehlssatz an die »Standard Commands for Programmable Ins-truments« (SCPI) angelehnt, sodass sich der Empfänger generell wie ein Spektrumanalysator ansprechen lässt. Dazu werden ein Messauftrag abgeschickt, die Signalverarbeitung gestartet und im Anschluss die Ergebnisse übermittelt. Beim Aufbau eines lokalen Netzwerks mit mehreren Sensorknoten ist es möglich, den Scanning-Receiver per Power-over-Ethernet (PoE) zu versorgen. Zum mobilen Betrieb eines einzelnen Scanning-Receivers, beispielsweise an einem Notebook, wurde alternativ eine USB-Variante umgesetzt, wobei in dieser Konfiguration die Spannungsversorgung direkt über die USB-Schnittstelle erfolgt. Dabei beträgt die Leistungsaufnahme des Empfängers etwa 5 W, was zwar die vom Standard garantierte Leistung des USB-Ports überschreitet, handelsübliche Notebooks in der Regel aber unterstützen.

Bild 3: Realisierter Scanning-Receiver in Hardware ohne und mit Gehäuse
Bild 3: Realisierter Scanning-Receiver in Hardware ohne und mit Gehäuse
© Uni Erlangen

Die Umsetzung des Empfängers in Hardware ist in Bild 3 dargestellt. Er besteht insgesamt aus vier Leiter-platten. Die Basis-Leiterplatte mit einer Abmessung von 160 mm x 100 mm dient als Träger aller weiteren Leiterplatten und stellt die nötigen externen Anschlüsse bereit. Zudem sind darauf die Spannungsversorgung sowie das digitale Frontend enthalten. Das analoge Frontend wird an der Unterseite, ein FPGA-Modul mit dem Basisband-Prozessor sowie ein PoE-Modul 
auf der Oberseite aufgesteckt. Die Abmessungen des Gehäuses sind 164 mm x 105 mm x 49 mm.

Vermessenes Spektrum

Zur Veranschaulichung der Ergebnisdarstellung wurde die Belegung des Funkspektrums im Labor des Lehrstuhls für Technische Elektronik in Erlangen mit einem Scanning-Receiver gemessen. Der Frequenzbereich wurde zu 734 MHz bis 830 MHz gewählt, dazu das aktuelle LDS mit Spitzen- und Mittelwert aus zehn Messungen berechnet und in »Matlab« dargestellt.

Bild 4: Belegung des Funkspektrums von 734 MHz bis 830 MHz im Labor in Erlangen
Bild 4: Belegung des Funkspektrums von 734 MHz bis 830 MHz im Labor in Erlangen
© Uni Erlangen

Bild 4 zeigt das Ergebnis des LDS in dBm über der Frequenz in MHz. Der Messablauf erfolgt sequenziell pro TV-Kanal in Blöcken von 8 MHz. Der Rauschgrund liegt über den gesamten Frequenzbereich bei etwa -125 dBm an der Untergrenze. Wäre die gesamte Eingangsleistung größer als ungefähr -50 dBm, so würde ab diesem Punkt der LNA (Low Noise Amplifier) im analogen Frontend die Verstärkung zurückschalten und somit die Rauschzahl erhöhen. Im gemessenen Spektrum kann man zwei belegte DVB-T-Kanäle bei 746 MHz und 786 MHz erkennen, die der Fernmeldeturm in Nürnberg ausstrahlt. Zudem sind zwei Basisstationen mit einer Bandbreite von 10 MHz für den LTE-Downlink sichtbar - O2 von 791 MHz bis 801 MHz sowie Vodafone von 801 MHz bis 811 MHz. Die Spitzen bei 768 MHz und etwa 819 MHz sind zwei Oberwellen des Abtasttakts. Dieses Problem müsste in einem Re-Design berücksichtigt und optimiert werden. Die Aktualisierungsrate für fortlaufende Ergebnisse mit der dargestellten Bandbreite von 96 MHz beträgt circa 350 ms, beim gesamten Frequenzbereich von 470 MHz bis 870 MHz ungefähr 1,2 s.

Über die Autoren:

Steffen Riess, Johannes Brendel und Simon Schroeter sind wissenschaftliche Mitarbeiter, Prof. Dr.-Ing. Georg Fischer ist Professor für Elektrotechnik, alle am Lehrstuhl für Technische Elektronik der Universität Erlangen-Nürnberg.


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