Software-defined radio

Mit dem Begriff Software-defined radio (SDR) beschreibt man das Bestreben, möglichst die gesamte Signalverarbeitung eines Hochfrequenz-Senders oder -Empfängers mit Hilfe anpassbarer Hardware in Software abzubilden. Im engeren Sinn handelt es sich um ein Funktelekommunikationssystem, das eine software-konfigurierbare Plattform zur Modulation/Demodulation und Aufwärts-/Abwärtsmischung eines Datensignals benutzt.

Allgemeines

Blockschaltbilder zweier SDR-Realisierungen

Ein SDR-System führt einen Großteil der Signalverarbeitung mit einem Universalrechner oder programmierbarer Digitalhardware aus (DSPs oder FPGAs), um größtmögliche Flexibilität zu erreichen. Unterschiedliche Funkverfahren können durch alleinige Änderung der Software implementiert werden.

SDR findet unter anderem im Bereich des Militärs und im Mobilfunk Anwendung, aber auch zunehmend in zivilen Anwendungsbereichen wie in digitalen Rundfunkempfängern. Hier ist die Flexibilität und Implementierung unterschiedlicher Protokollwechsel in Echtzeit von besonderem Nutzen. Ein gutes und anschauliches Beispiel ist die Realisierung der Basisstationen zellularer Netze als SDR. Diese könnten somit innerhalb kürzester Zeit kostengünstig auf neue Standards aufgerüstet werden.

Die Hardware eines SDR besteht, wie in nebenstehender Abbildung zweier unterschiedlicher Typen von SDR, zumindest aus einem Sender- und Empfängermodul, sowie jeweils einem A/D- und D/A-Konverter und der dazwischenliegenden, softwarebasierten digitalen Signalverarbeitung.

Funktionsweise

Ideal

Der einfachste und ideale SDR-Empfänger würde aus einem Analog-Digital-Konverter mit Antenne bestehen. Die ausgelesenen Daten würden dann direkt nach der Analog-Digital-Wandlung von einem digitalen Rechner verarbeitet.

Der ideale Sender sähe ähnlich aus: Ein Rechner erzeugt einen digitalen Datenstrom, der direkt über einen Digital-Analog-Konverter und eine nachfolgende Antenne versendet würde.

Praktisch realisierbare Empfänger

Im Jahr 2006 war die digitale Elektronik im Allgemeinen zu langsam, um die verwendeten Funksignale im Bereich von 1 - 2 GHz direkt in ausreichender Auflösung zu digitalisieren. Die Daten müssen nach dem Nyquist-Theorem mit mindestens der doppelten Grenzfrequenz abgetastet werden, um das Signal fehlerfrei rekonstruieren zu können. Dieses Problem wird in der Praxis durch das Vorschalten eines analogen Mischers gelöst, welcher das Signal auf eine niedrige Zwischenfrequenz heruntermischt. Dieses Konzept wird auch als Heterodynverfahren oder Überlagerungsempfänger bezeichnet. Da aktuelle A/D-Wandler Abtastfrequenzen von ca. 200 MHz bei 14 Bit Auflösung ermöglichen, wären hier Zwischenfrequenzen von bis zu 100 MHz möglich.

Vor- und Nachteile

Der große Vorteil von Software Defined Radios besteht in der Flexibilität und den niedrigen Kosten bei der Erweiterung auf neue oder geänderte Übertragungsstandards durch Software-Upgrades. Die Entwicklung neuer Software ist im Allgemeinen preiswerter als die entsprechende Hardwareentwicklung neuer Sender und Empfänger.

In der Produktion kann jedoch der Bau von speziell auf das Übertragungsverfahren zugeschnittenen Sendern und Empfängern signifikant kostengünstiger sein, so dass hier wirtschaftlich zwischen den Produktionskosten und den Kosten für künftige Erweiterungen und Neuentwicklungen abgewägt werden muss.

Ein Nachteil in der Anwendung besteht in der benötigten Rechenleistung der eingesetzten Signalprozessoren und der damit verbundenen hohen Leistungsaufnahme. Man erwartet jedoch, dass durch die Fortschritte in der Hardwareentwicklung dieses Problem mehr und mehr in den Hintergrund tritt.

Literatur

• Jouko Vankka: Digital Synthesizers and Transmitters for Software Radio. 1. Auflage. Springer, 2005, ISBN 1-4020-3194-7. 

Weblinks

• Webseite des SDR-Herstellerkonsortiums
• GNU Radio, ein SDR-Projekt, das mit freier Software arbeitet
• Amateur radio Software Defined Radio, eine Projektliste
• SDR Amateur Transceiver
• High Performance Software Defined Radio - an open source hardware and software project
• Linrad