Software Defined Radio FM-Demodulation per I/Q-Signalverarbeitung EAH Jena 2014 by Sebastian Weiss DL3YC www.fh-jena.de Software Defined Radio Was ist das? - Funkempfänger und/oder Funksender(Funkgerät, „Radio“) - digitale Realisierung der gesamten Signalverarbeitung - Hardware besteht nur noch aus Schnittstellen zur Außenwelt(ADC/DAC, USB/Netzwerk) und rekonfigurierbaren Signalprozessor(FPGA,DSP,PC) - generische Hardware → Software definiert die Funktionalität Antennen Wer bin ich? ADC,DAC,Vorverarbeitung > flash wifi.hex Intel(R) Wireless WiFi Link 4965AGN > flash bluetooth.hex Intel(R) Bluetooth AC867 miniPCIe DSP Software Defined Radio Konventioneller Empfänger BPF x ~ BPF x ~ BPF Demodulation Oszillatoren, Filter, Mischer,... Software Defined Radio … komplett analog Software Defined Radio Idealer SDR-Empfänger BPF A/D FPGA/ DSP/ASIC → Direct Sampler D/A Software Defined Radio Architektur Digital Down Converter HF reeles Signal Base Band Demodulation BB 0 User Interface komplexes Signal f -f0 NF +f0 f 0 → Vorteil komplex: Information über Vorzeichen der Frequenz IF I²S, SPI, USB, Network, ... Software Defined Radio I/Q-Signalverarbeitung Ein komplexes Signal entspricht einem komplexen Zeiger jϕ X ( j ω)= A⋅e = A⋅e Q j ωt mit aktueller Phase und Amplitude. Frequenz des Signals entspricht der Phasenänderung pro Zeit f= dϕ dt A ϕ I Signal mit positiver Frequenz: → Zeiger dreht sich in math. positive Richtung Signal mit negativer Frequenz: → Zeiger dreht sich in math. negative Richtung I: In-Phase Q: Quadrature Software Defined Radio I/Q-Signalverarbeitung Signal mit konstanter Amplitude und Frequenz Q +f I Software Defined Radio I/Q-Signalverarbeitung Signal mit konstanter Amplitude und Frequenz Q I Zeit Quelle: I/Q Data for Dummies (http://whiteboard.ping.se/SDR/IQ) Software Defined Radio I/Q-Signalverarbeitung Positive und negative Frequenzen Drehrichtung! Quelle: I/Q Data for Dummies (http://whiteboard.ping.se/SDR/IQ) Software Defined Radio Modulation Nutzsignal verändert Trägersignal Amplitudenmodulation: • Nutzsignal verändert Amplitude • konstante Frequenz Frequenzmodulation • Nutzsignal verändert Frequenz • konstante Amplitude Vorteil FM: unempfindlich auf Amplitudenänderungen Quelle: de.wikipedia.org/wiki/Frequenzmodulation Software Defined Radio Frequenzmodulation Beispiel... Software Defined Radio Frequenzdemodulation Problemstellung Quelle: I/Q Data for Dummies (http://whiteboard.ping.se/SDR/IQ) Software Defined Radio Frequenzdemodulation Problemlösung trivial f= dϕ dt Q → Bestimmung der Phasenlage Q ϕ=arctan (4 Quadranten) I ( ) +f → Ableitung der Phasenlage I Software Defined Radio Frequenzdemodulation Probleme aus der Realität: - Unterdrückung von Nachbarkanälen - Frequenzabweichung zwischen Sender und Empfänger - Amplitudenänderungen(Störungen, Bewegung...) realisierte Struktur: BB FIR Kanalselektion Tiefpass fg=12kHz AGC PFD Automatic Gain Control Polar Frequency Discriminator Normierung der Amplitude Kompensation Frequenzabweichung Y= X →∣Y ∣=1 ∣X ∣ FM Demod NF Software Defined Radio Vorführung Empfang bei 144,5MHz BPF A/D D/A FPGA S/PDIF f0= 145+-1MHz fS= 50MHz fs << f0 → Verletzung des Nyquist-Kriteriums? 1. 2. 25MHz 3. 50MHz 4. 75MHz 5. 100MHz 6. 125MHz → Empfang in der 6. Nyquist-Ebene! 7. 150MHz 8. 175MHz Nyquist-Ebene 200MHz Audio demoduliertes Signal I/Q-Signale USB Soundkarte Spektrumanzeige
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