Radio-Experimente von Lang- bis Kurzwelle mit SDR (Software Defined Radio) und einem IQ-Mischer

Vor einiger Zeit baute ich den IQ-Mischer DR2 von YU1LM nach, dessen Schaltmischer auf dem 74HC4066 beruht. Zusammen mit dem FA-NWT für den LO in Form eines DDS-Oszillators kam ich zu einem sehr leistungsfähigen und trennscharfen Empfänger für Lang- bis Kurzwelle. Als Software kamen SDRadio und DREAM für den DRM-Empfang zum Einsatz. Weiterhin dekodierte ich mit anderen Programmen Wetterfax und PSK31, einer digitalen Betriebsart im Amateurfunk.

Auf der Homepage von YU1LM, die sehr viele von ihm entwickelte und erprobte Schaltmischerprojekte beschreibt, entdeckte ich vor einigen Jahren die Bauanleitung seines IQ-Mischers DR2, welchen ich nachbaute. Die Schaltung und das Layout sind in http://yu1lm.qrpradio.com/H ... YU1LM.pdf beschrieben. Inzwischen hat er seine Schaltung verbessert.

Der IQ-Mischer DR2 von YU1LM, basierend auf dem 74HC4066. ist ein Schaltmischer. Damit lässt sich ein Radio ganz ohne das Wickeln von Spulen realiseren.

IQ-Mischer und SDR (Software Defined Radio) kurz und knapp zusammengefasst: Unter SDR versteht man die Signalverarbeitung eines Empfängers auf digitaler Ebene. Bei der hier beschriebenen Methode wird das empfangene Signal mit Hilfe des IQ-Mischers auf die sehr niedrige Zwischenfrequenz von 12 kHz heruntergemischt. Diese Zwischenfrequenz wird der Soundkarte eines PC zugeführt, welcher mit Hilfe einer Software, die für die Trennschärfe und Demodulation sorgt, das demodulierte Signal über den Ausgang des Soundkarte zum Lautsprecher abgibt. Dies geht natürlich nur mit den heutzutage üblichen Soundkarten, die gleichzeitig Aufnahme und Wiedergabe meistern. Wer sich genauer für die Vor- und Nachteile von Software Defined Radio und Schaltmischern interessiert, findet unter http://www.andreadrian.de/sdr/#mozTocId516080 eine sehr verständliche Einführung.

Das Problem mit der Spiegelfrequenz: Diese niedrige Zwischenfrequenz (ZF) von 12 kHz wurde deshalb gewählt, weil sie genau auf der Mitte des Frequenzbereiches von etwa 0 bis 24 KHz liegt, welche die meisten Soundkarten verarbeiten können. Diese ungewöhnlich niedrige Zwischenfrequenz hat leider einen Nachteil. Wir empfangen nämlich mit normalen Mischern nicht nur die Nutzfrequenz, sondern gleichzeitig noch eine zweite Frequenz, die sogenannte Spiegelfrequenz, die bei einer ZF = 12 kHz mit einem Abstand von 2 x 12 kHz = 24 kHz zur Nutzfrequenz liegt. Der Abstand zwischen diesen beiden Frequenzen ist so gering, dass wir diese Spiegelfrequenz nicht durch ein Vorfilter im Eingangskreis herausfiltern können. Nun kommt der IQ-Mischer ins Spiel, der zwei phasenverschobene Ausgangssignale liefert. Diese beiden Ausgangssignale werden dem Stereoeingang der Soundkarte zugeführt und die Software auf dem PC schafft es, die Spiegelfrequenz rechnerisch zu unterdrücken. Damit dies gut gelingt, müssen die Pegel und Phasenlagen der beiden Signal korrigiert werden. Dazu kann die Software entsprechend eingestellt werden. Die Seite http://dl6iak.ba-karlsruhe.de/projects/iqmodulator.htm von DL6IAK liefert den mathematischen Hintergrund dazu, wie die Spiegelfrequenz unterdrückt wird.

Der IQ-Mischer liefert eine ZF von 12 kHz, bestehend aus zwei phasenverschobenen Signalen, die dem Stereo-Eingang der Soundkarte zugeführt werden.

Übrigens muss die ZF nicht genau auf 12 kHz liegen. Abhängig von der Bandbreite des empfangenen Signals geht jede Frequenz, welche die Soundkarte verarbeiten kann. Dadurch können auch die Programme für das Dekodieren von digitalen Betriebsarten oder Wetterfax verwendet werden. Allerdings kann mit diesen meistens nicht die Spiegelfrequenz unterdrückt werden. Wenn das Signal nur mono, also einkanalig, eingespeist wird, ist auch bei den Programmen SDRadio und DREAM keine Unterdrückung der Spiegelfrequenz möglich.

Der Oszillator: Der Mischer muss noch mit einem Oszillatorsignal gespeist werden. Dieses Signal kann nach meiner Erfahrung beim DR2 entweder ein Rechteck- oder ein Sinussignal zwischen 2 Vs und 5 Vs sein. Lässt man die 12 kHz der ZF unberücksichtigt, muss die Oszillatorfrequenz das 4-fache der Empfangsfrequenz betragen. Da ich als Oszillator den auf einen DDS-Generator beruhenden FA-NWT einsetzte, den es von der Zeitschrift Funkamateur als Bausatz gibt, musste ich mich beim Einstellen der Frequenz nicht darum kümmern. Es gibt nämlich für den FA-NWT eine Steuersoftware HFM9 von DL4JAL, welche die Umrechnung erledigt.

Zusammenschaltung des IQ-Mischers mit dem DDS-Generator des FA-NWT , der sich im Weißblechkasten befindet. Fertig ist die Hardware des SDR-Empfängers. Als Antenne diente mein Multiband-Dipol für Kurzwelle. 10 Meter Draht würden sicherlich auch ausreichen. Versuche mit einer Aktivantenne stehen noch aus.

Mittelwellenempfang mit einem einfachen TTL-VCO als Oszillator: Nicht jeder besitzt einen DDS-Generator. Für den AM-Empfang auf Lang- und Mittelwelle reicht ein freischwingender TTL-Oszillator aus, der zum Beispiel mit einem 74S124 verwirklicht werden kann. Mehr Infos dazu unter "Software Defined Radio (SDR) für Mittelwelle".

Einfacher LO für den Empfang von Mittelwelle mit einem TTL-Baustein. Siehe "Software Defined Radio (SDR) für Mittelwelle".

SDR-Software für AM- und SSB-Empfang: Für diese Aufgabe entschied ich mich für die Software SDRadio von I2PHD. Seine Software kann unter http://www.sdrham.com/sdradio/index.html heruntergeladen werden. SDRadio hat ein eingebautes digitales Filter, dessen obere und untere Grenzfrquenz veränderlich ist. Außerdem erledigt es die Demodulation von AM, SSB, und FM. Es kann zudem eine wirkungsvolle Rauschunterdrückung zugeschaltet werden.

Auf dem Desktop ist gleichzeitig SDRadio (oben) zur Demodulation und HFM9 (unten) zur Steuerung des LO in Betrieb. Empfangen wird  gerade ein AM-Rundfunfsender auf 6190 kHz. SDRadio steht auf SSB, um ein Seitenband des AM-Signals auszublenden. Der FA-NWT erzeugt Frequenzen bis 160 MHz, wodurch Sender bis 40 MHz empfangen werden können.

Klangbeispiele: Die Empfangsqualität war der meines FT-747GX von Yaesu fast ebenbürtig. Die Trennschärfe war besser. Unter http://www.qsl.net/d/dh7uaf//elektronikbastelseite/sdr/ habe ich zwei Hörproben als MP3-Files abgelegt. Aufgenommen wurde die Deutsche Welle auf dem 49m-Band und auf etwa 9,5 MHz. Nachfolgend können die beiden MP3-Dateien abgespielt werden, falls der Windows-Media-Player installiert ist. Beim Internet Explorer muss man einen Doppelklick ausführen und etwas warten, bis die Datei geladen oder gepuffert ist:

DRM-Empfang mit dem Programm DREAM und SDR: Das Programm DREAM für den Empfang von DRM hat ebenfalls einen IQ-Eingang und arbeitet ebenfalls mit einer ZF um die 12 kHZ. Auch damit konnten an meinem Kurzwellen-Dipol überraschend gute Empfangsergebnisse erzielt werden. Übrigens kann DREAM auch AM demodulieren.

Einwandfreier Empfang des DRM-Senders der Deutschen Welle auf 13,8 MHz bei einem SNR von 32,5 dB mit dem Programm DREAM. Als Antenne diente mein Dipol für das 20-m-Amateurfunkband.

Damit DREAM ein IQ-Signal verarbeiten kann, muss man dieses Programm mit der Kommandozeile

Dream.exe --inchansel 3

starten. Falls man die beiden Stereokanäle verwechselt hat, muss man statt der 3 eine 4 eingeben. Die Parameter sind in der help.bat von Dream nachzulesen. Wenn man eine 2 oder 1 eingibt, hat man den IQ-Mischer abgeschaltet. Man wird dann in den Abendstunden feststellen, dass sich TDF auf 3965 kHz nicht mehr empfangen lässt, weil nun die Spiegelfrequenz der Deutschen Welle auf 3995 kHz seinen Empfang stört. Die Spiegelfrequenz kann nach meiner groben Schätzung mit diesem IQ-Mischer um etwa 20 dB abgesenkt werden.

Hier habe ich das I- und Q-Signal eines DRM-Senders auf Kurzwelle dem X- und Y-Eingang eines Software-Oszilloskops Winscope für die Soundkarte zugeführt. Durch die Phasenverschiebung der beiden Signale stellt das Oszilloskop einen Kreis dar, der allerdings etwas "verschwommen" ist. Dies rührt durch die Unrgelmäßigkeiten an der Reflektion der Ionosphäre hier, die für die Schwankungen der Phasenverschiebung sorgt. Zudem spielt de Rauschanteil ebenfalls eine Rolle.

Empfang von digitalen Betriebsarten und Wetterfax: Dies gelingt auch mit ganz normalen Soundkartenprogrammen, die dann mit einer ZF um die 1 bis 2 KHz arbeiten. Eine Spiegelfrequenzunterdrückung ist allerdings in der Regel nicht vorgesehen. Trotzdem eröffnen sich für den Empfangsamateur interessante Experimente.

Empfang einer PSK31-Station auf einer ZF von 800 Hz mit dem Programm DigiPan. Auch dies klappte mit SDR.

Für den Empfang von Wetterfax nutzte ich das Programm JVComm32. Zu meiner Überraschung waren die Konturen wesentlich schärfer abgebildet als dies bei meinem Kurzwellen-Transceiver zu erreichen war, dessen SSB-Filter mit 2,5 kHz Bandbreite wahrscheinlich etwas zu schmalbandig ist und daher für eine unscharfe Darstellung verantwortlich war.

Weitere Experimente und Verbesserungen: An Stelle des DDS-Generators ist ein Rechteckgenerator oder ein freischwingender Sinusoszillator eingesetzt worden, um damit einen Mittelwellen-Empfänger in kompakter Bauweise zu erhalten. Dieser ist unter "Software Defined Radio (SDR) für Mittelwelle" vorgestellt. Außerdem ist als Eingangsfilter ein Tiefpass geplant, denn der Schaltmischer empfängt ebenfalls auf den ungeraden Vielfachen der Nutzfrequenz. Dabei spielt es keine Rolle, ob der LO ein Sinus- oder Rechteckgenerator ist.

Fernempfangsradio Harzburg: Nach dem gleichen SDR-Prinzip funktioniert der Kurzwellenempfänger Harzburg. Ihn gibt es als Bausatz mit Platine, auf der auch ein PLL-Oszillator aufgebaut wird, welcher über die RS-232-Schnittstelle angesteuert wird. Weitere Informationen sind z.B.

http://www.mydarc.de/dk3wi/html/sdr-rx_harzburg.html und
http://www.mydarc.de/dl3hrt/Harzburg_SDR.htm zu entnehmen.