Grundlagen
Grundlagen
Vom analogen Funksignal zum digitalen Datenstrom — Abtastung, Quantisierung und digitale Signalverarbeitung.
Radiosignale werden über ein breites Frequenzspektrum übertragen. Diese analogen Signale müssen mit Hilfe digitaler Signalverarbeitung in diskrete Signale gewandelt werden, um sie am Computer verarbeiten zu können.
Ein diskretes Signal ist eine synchrone Folge einzelner Messwerte, z.B. von Amplitude oder Phase. Ein analoges Signal kann vollständig als diskretes Signal repräsentiert werden, wenn es mit mehr als der doppelten maximalen Signalfrequenz abgetastet wird. Für ein 1000-Hz-Signal bedeutet das eine Messung mindestens alle 0,5 ms bzw. mindestens 2000 Messwerte pro Sekunde.
Das Abtasten von Signalen im GHz-Bereich überschreitet schnell die Kapazität der USB-Schnittstelle und die Möglichkeiten der nachfolgenden Signalverarbeitung.
Wie funktioniert ein SDR-Empfänger?
Der SDR-Empfänger wandelt empfangene Funksignale in einen Bereich um, den seine Hardware auswerten kann. Empfangsfrequenzbereich und Bandbreite sind dabei wichtige Kenngrößen.
Der NESDR SMArt RTL-SDR Stick bietet z.B. einen „Frequenzbereich von 0,1–1750 MHz und eine maximale Echtzeit-Bandbreite von 3,2 MHz". Frequenzen im unteren HF-Bereich können per Modifikation ohne Umsetzung direkt abgetastet werden, wobei die physikalische Grenze des ADC bei der halben internen Taktrate (14,4 MHz) liegt – darüber liegende Signale bis 25 MHz werden per Unterabtastung erfasst.
Quelle: Datenblatt NOELEC SMArt RTL-Empfänger
Der R860-RF-Tuner empfängt das HF-Signal und wandelt es in eine niedrige Zwischenfrequenz um. Der RTL2832-Chip ermittelt die Information per Analog-/Digitalwandlung (8-Bit-Auflösung) und überträgt komplexe Zahlen (IQ) über USB.
Digitale Signalverarbeitung (DSP)
DSP arbeitet mit digitalen Signalen, die zeitkontinuierliche Signale repräsentieren. Das Nyquist-Shannon-Kriterium fordert Abtastraten von „mindestens der doppelten maximalen Signalfrequenz", um Aliasing (Spiegelfrequenzen) zu vermeiden.
Die Fourier-Transformation wandelt Daten aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich um, meist mittels hocheffizienter Algorithmen wie der Schnellen Fourier-Transformation (FFT).
Abtastrate (Sampling Rate)
Die Abtastrate, gemessen in Samples pro Sekunde (Hz), bestimmt die maximal sichtbare Bandbreite und den Ressourcenbedarf. Höhere Raten erfassen mehr Bandbreite, benötigen aber mehr Rechenleistung und Speicher.
Blöcke im GNU Radio Companion zur Ratenanpassung sind u.a.: Resampler, Fractional Resampler, Interpolator und Dezimator.
Quantisierung
Die Analog-/Digitalwandlung erzeugt einen Quantisierungsfehler abhängig von der Bit-Tiefe. Bei der 8-Bit-Auflösung des RTL-SDR stehen nur 256 Amplitudenstufen zur Verfügung. Dieser Rundungsfehler führt zu einem systemischen Rauschen (Quantisierungsrauschen). In der Software kann dieses Rauschen durch geschickte Filterung und Dezimierung (Herabsetzen der Abtastrate) nachträglich reduziert werden, um die effektive Dynamik zu verbessern.