Arbeitet bandübergreifend WR-G33DDC
Rückseite eines WiNRADiO-Empfängers
Panorama-Empfänger: Drei Spektrogramme unterstützen den Anwender
Teamwork: G33DDC und CW Skimmer im Contest-Umfeld
Teamwork 2: G33DDC und MultiPSK. Simultandecodierung von BPSK-Sendungen auf 36 Kanälen
Rausgefischt: Bakensignal (hier OH2B) visuell im aufgezeichneten Spektrum analysieren
Idealform: Rechteckförmige Durchlasskurve bei
einer Filterlänge von 20000
Auf
einen Blick
Empfängeraufbau:
Digital abwärtsmischender SDR
Empfangsbereich: 9 kHz – 49,995 MHz
Abtast-Rate: 100 MHz 16 Bit ADC
Spurious Free Dynamic Range (SFDR): 107 dB
Eingangs-IP3 des ADC (Dither ein): +31 dBm
Minimal detektierbares Signal (500 Hz): -130 dBm @ 14 MHz
Empfindlichkeit (@ 10 MHz, mit
Vorverstärker): SSB -121 dBm (0.20 µV) @ 10 dB S+N/N
DDC-Bandbreite: 20 kHz - 4 MHz (24 Schritte)
Demodulations-Bandbreite: 1 Hz - 62,5 kHz (1 Hz Stepping)
Leistungsaufnahme: 620 mA
Vertrieb
über SSB-Electronic GmbH, 59557 Lippstadt
Preis: 1799,00 €
Technische Daten nach [1]
Zum
Weiterlesen
[1] WiNRADiO: WR-G33DDC Technische Daten: http://www.ssb.de/winradiode/g3/wr-g33ddc.shtml
[2] Ireland, S., VK6VZ; Harman, P., VK6APH: Der Aufstieg des Direct
Down Conversion Receivers (DDC). SDR – Potenzial für die Zukunft. CQ
DL-Spezial SDR und D-Star (2008), S. 37-39
[3] Scholz, B., DJ9CS: SDR-IQ – Spektrumanalyzer und
softwaredefinierter Empfänger. FUNKAMATEUR 56 (2007) H.7, S.
721-723
[4] Kester, W.: Dynamische Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern.
http://www.elektronikpraxis.vogel.de/analogtechnik/articles/266042/
[5] Muzychenko, E.: Virtual Audio Cable: http://software.muzychenko.net/eng/vac.htm
[6] Seidenberg, C.: Der softwaredefinierte Empfänger SDR-IQ.
FUNKAMATEUR 60 (2011) H.1, S.30-32
[7] Höding, M., DL6MHEW: CW Skimmer: neue Möglichkeiten für DXer und
Contester. FUNKAMATEUR 57 (2008) H.4, S. 400-402
[8] Open source DRM-Decoder: DReaM. http://sourceforge.net/apps/mediawiki/drm/index.php?title=Main_Page
[9] Patrick, FC6CTE: MultiPSK. http://f6cte.free.fr/index_anglais.htm
[10]International Beacon Project: http://www.ncdxf.org/pages/beacons.html
[11] Das Petabyte-Zeitalter: http://www.dradio.de/dlf/sendungen/wib/1572816/
[12] Mjelde, B.: The Winradio G33DDC: http://arcticdx.blogspot.com/
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Funkempfang
2.0: Die
neue „Wunderwaffe“
Das
Topmodell der WiNRADiO SDR-Empfänger heißt WR-G33DDC Excalibur Pro
Mit
rekordverdächtigen 4 MHz Spektrum- und Aufnahmebreite bietet der neue SDR-Empfänger
wortwörtlich neue Perspektiven in der Signal- und Empfangsanalyse.
Clemens Seidenberg hat dem neuesten Wunderwerk aus der australischen Empfängerschmeide unter die Haube geschaut.
In den meisten Dynastien kommt dem Erstgeborenen die herausragende
Bedeutung zu. Anders verfährt man bei WiNRADiO: Dem einfacher ausgestatteten
Einführungsmodell WR-G31DDC der neuen Baureihe folgt das mit erweiterten
Funktionen versehene Topmodell. Dessen eher nüchterne Bezeichnung WR-G33DDC
wird durch den dynamisch klingenden Nachnamen „Excalibur Pro“ ergänzt.
Allerdings wird man sich bei WiNRADiO wohl mehr als den einen einzigen Kunden -
den sagenumwobenen König Artus - für sein Produkt wünschen. Das
Original-Schwert Excalibur blieb hartnäckig für alle weiteren Interessenten
unerreichbar in einem Felsen verankert. Innovative Produktmerkmale und der Ruf
einer Wunderwaffe sollten dem SDR-Empfänger Excalibur Pro
eine deutlich weitere Verbreitung sichern.
Nachwuchspflege
Äußerlich merkt man von diesen Tugenden noch nichts: auch der neue
Receiver steckt im typischen kompakten WiNRADiO Metallgehäuse mit
Plastik-Schonbezug. Doch sein Inhalt ist ein paar beschreibende Worte wert. Wie
der ältere Bruder ist der G33 ein softwaredefinierter HF-Empfänger der dritten
Generation [1]. Abgedeckt wird der Frequenzbereich von 9 kHz bis 50 MHz. Das
gesamte Frequenzspektrum wird auf einen Rutsch von einem 100 MHz
Analog-Digital-Converter (ADC) mit 16 Bit-Auflösung abgetastet. Unmittelbar
danach wird die dabei anfallende enorme Datenmenge und die nutzbare Bandbreite
im Prozess der sogenannten Direkten (digitalen) Abwärtsmischung (engl.: DDC
Digital Down Converter) reduziert [2], [3]. Schaltungstechnisch realisiert wird
das in einem rekonfigurierbaren FPGA-Chip (Field Programmable Gate Array). Die
maximal nutzbare DDC-Bandbreite beträgt im Amateur-Bereich bisher nicht
erreichte 4 MHz. Zur
abschließenden Filterung und Demodulation wird das DDC-Spektrum als
komplex gemischtes I/Q-Signal über die USB-Schnittstelle in den PC übertragen.
Um bei der Vielzahl und Dynamik der Eingangssignale den ADC vor einem Überladen
zu bewahren und ein gutes Großsignalverhalten zu erreichen, wurde das analoge
Frontend im Rahmen der Nachwuchspflege weiter aufgewertet. Wer genau hinhört,
nimmt jetzt beim Bandwechsel ein leichtes Klicken wahr. Es stammt von den
zahlreichen Miniaturrelais, die - automatisch oder manuell konfigurierbar -
einen zum gewählten Empfangsbereich passenden Bandpass aus jeweils 14 verfügbaren
Hoch- und Tiefpässen zusammenschalten. Am besten wird man unerwünschte Signale
und Interferenzen aus anderen Bändern möglichst frühzeitig im Empfangsweg
los. Der Klick auf den Abschwächer wird damit ein rares Ereignis. Bei sehr
schwachen Signalen bietet ein Vorverstärker noch einen möglichen
Empfindlichkeitsschub. Zuschaltbares Dithering expandiert den nutzbaren
Dynamikumfang des Analog-Digital-Wandlers auf 107 dB (SFDR Spurious Free Dynamic
Range)[4]. Die Sensivität ist für einen SDR-Empfänger ausgezeichnet und beträgt
-121 dBm im SSB-Modus. Um hiervon zu profitieren, braucht es schon eine sehr
ruhige Umgebung. Unbeeindruckt von der Umgebung und ihrer Temperatur ist die
Frequenzstabilität des G33DDC. Im Gegensatz zu anderen SDR-Empfängern ist ein
„Wandern“ der abgestimmten Empfangsfrequenz nicht zu beobachten. Aufgabe der
PC-Software ist es, aus diesem Rohmaterial das Zauber-Schwert für den alltäglichen
Frequenz-Kampf zu schmieden.
Schöne
Aussichten
Hauptschlachtfeld ist heutzutage natürlich der Monitor. Nach Starten
des Programms – in der Version 1.68 – zeigt das frei skalierbare Fenster
gleich drei hierarchisch gegliederte Spektrogramme. Ohne Zweifel ein Indiz dafür,
wie ausgeprägt das Signal-Sehen gegenüber dem bloßen Hören in der aktuellen
SDR-Generation gewichtet wird. Ein hochauflösender Bildschirm steigert das
Vergnügen nachdrücklich. Den unteren Teil nimmt ein Weitbandspektrum des
gesamten abgetasteten Frequenzbereichs von 0 bis 30 MHz oder wahlweise bis 50
MHz mit einer Auflösung von 1,5 kHz ein. Mit dieser Aussicht verdient sich der
G33DDC zweifellos das Marketing-Etikett „Panorama-Empfänger“. Wie sinnvoll
sich das Weitbandspektrum nutzen lässt, muss jeder für sich selbst
entscheiden. Eine Anwendung ist die kontinuierliche Bandbeobachtung. Das Öffnen
und Schließen der einzelnen Bänder in Korrelation zu den
Ausbreitungsbedingungen lässt sich im HF-Spektrum verfolgen. Um ein unverfälschtes
Abbild zu erhalten, ist der oben erwähnte, automatisch mitlaufende
Preselector-Bandpass zu deaktivieren. Da alle drei Anzeigen in ihrer Größe
beliebig veränderbar sind, lässt sich das HF-Spektrum bei nachlassendem
Interesse auf ein Minimum schrumpfen und man kann sich ganz dem DDC-Spektrum
links zuwenden. Das hat es in sich und stellt den heruntergemischten Ausschnitt
aus dem Gesamtspektrum in einer Bandbreite von 20 kHz bis zu rekordverdächtigen
maximalen 4 MHz dar. Das ist der kriegsentscheidende Schauplatz für den
Signal-Nahkampf. Hier erweist sich der Excalibur als besonders vielseitiges
Instrument, denn innerhalb des DDC-Spektrums lassen sich drei komplett unabhängige
Empfangskanäle platzieren. Das Demodulator- bzw. Audio-Spektrum des ausgewählten
Empfängers wird rechts oben – maximal 64 kHz weit - dargestellt. Die drei
virtuellen Empfänger arbeiten – solange sie innerhalb eines DDC-Spektrums
liegen – simultan und voneinander komplett unabhängig. Das gilt nicht nur für
die Empfangsparameter wie Demodulator- und Filtereinstellungen, sondern auch für
die Wahl des zugeordneten Ausgangskanals. Bei der Echtzeit-Senderjagd stehen
somit gleich drei demodulierte Audiosignal-Ströme zur weiteren Analyse zur Verfügung.
Das
Empfangslabor
Die vielfältigen Analysewerkzeuge beginnen bei den eigenen Ohren. Auf
die kann man sich den Audio-Ausgang der drei Empfangskanäle legen lassen. Ein
eingebauter Mixer sorgt dafür, dass das in einer individuell anpassbaren
Verteilung möglich ist. Der direkte Hörvergleich ermöglicht die Optimierung
der Empfangsparameter und Lesbarkeit eines oder mehrerer Signale. Die Analysefähigkeiten
sind durch den Einsatz von weiteren Programmen erheblich steigerbar.
Multi-Decoder untersuchen dabei die ganze ihnen zur Verfügung stehende
Bandbreite nach spezifischen Signalen. In Zusammenarbeit mit dem Excalibur Pro
ist ihre Funktion aber auf die Verarbeitung des demodulierten Audiosignals
beschränkt. Über eine virtuelle oder echte zweite Soundkarte kann man das -
getrennt einstellbar für jeden der drei virtuellen Empfänger - an die Decoder-
und Analyseprogramme weiterreichen [5]. In der besten aller Welten würde
WiNRADiO gar sein I-/Q-Datenformat offenlegen, wie es andere SDR-Gerätehersteller
tun [6]. Zweit-Programme könnten auf die Rohdaten zugreifen und sich die enorme
Bandbreite direkt nutzbar machen und wären nicht mehr vom demodulierten Signal
abhängig. Die Einschränkungen lassen sich bei der enormen Weite des
DDC-Spektrums leicht verschmerzen. Bei einer DDC-Bandbreite von bis zu 4 MHz ist
die vollständige Darstellung eines oder mehrerer Bänder ohne Einschränkungen
und zeitraubende Neujustierungen möglich. Mit einem Klick ist das
Demodulator-Fenster bandübergreifend frisch an einem interessanten Punkt
platziert. So konnte etwa das Programm CW Skimmer beim jüngsten WWDX-Contest
eine Vielzahl von CW-Signalen simultan analysieren und die wesentlichen
Informationen automatisch extrahieren [7]. Die analytischen Fähigkeiten des
G33DC und die aktuellen Multidecoder ergänzen sich dabei hervorragend. Dabei
bewährt sich der schnelle Wechsel zwischen den einzelnen Empfangskanälen mit
den multiplen visuellen und akustischen Kontrollmöglichkeiten. Praktisch wäre
eine Möglichkeit, die Einstellungen mit einem Klick zwischen den virtuellen
Empfängern zu klonen. Praktisch ist aber der Knopf mit der Bezeichnung:
„UDM“. Hier kann man seine Lieblingsdemodulator-Einstellungen – vielleicht
die für den DRM-Empfang – hinterlegen und mit einer Geste aktivieren. Denn
der DRM-Empfang ist über den Weg einer virtuellen Soundkarte auch über einen
Open-Source Decoder in einem breitbandigen SSB-Modus möglich [8]. Der
Informationsinhalt eines breitbandigen Funkwellenspektrums, wie es der G33DDC
liefern kann, ist gewaltig. Trotz aller erweiterten Analysemöglichkeiten mit
drei simultan oder parallel arbeitenden Demodulatoren ist die menschliche
Aufnahmefähigkeit in Echtzeit beschränkt. Die Bandbreite weiter zu erhöhen
macht also wenig Sinn, wenn nicht Aufzeichnungsmöglichkeiten existieren, die es
erlauben, komplette Spektren zu speichern, beliebig zu wiederholen und mit
unterschiedlichen Werkzeugen zu analysieren.
Das
Rekorder-Radio
Die vorhandenen Speicherungs-Optionen des G33DDC sind für ein Gerät
dieser Preiskategorie einmalig. Der Audioausgang aller drei Empfangskanäle kann
unabhängig aber simultan aufgezeichnet werden. Das bedeutet immerhin schon eine
Verdreifachung der rezeptiven Fähigkeiten. Praktisch unbegrenzt lassen diese
sich durch die gegebene Möglichkeit der Aufnahme und Wiedergabe des gesamten
DDC-Spektrums steigern. Auch hier stehen maximale bandübergreifende 4 MHz zur
Verfügung. Das proprietäre „.rxw“ Format enthält alle Daten einschließlich
Frequenz-, Datums- und Zeitstempeln, die es ermöglichen, die
Original-Aufnahmebedingungen während der Wiedergabe vollständig
wiederherzustellen. Unterschiedslos zur Echtzeit-Situation lassen sich sämtliche
Empfangs- und Analyseinstrumente der drei Empfangskanäle einsetzen und zwar so
oft man will. Natürlich lässt sich auch die demodulierte NF der virtuellen
Empfänger als Empfangsnachweis wieder aufzeichnen. Durch wiederholten Einsatz
von Multidecoder wie CW Skimmer oder MultiPSK [9] lassen sich so sämtliche
Stationen abernten. Eine bandübergreifende Aufzeichnung von drei Minuten
erlaubt in Ruhe ein detailliertes Studium der Ausbreitungsbedingungen anhand der
Bakenaussendungen [10]. Man kann sich frei durch „Vor- und Zurückspulen“ in
der Zeit- und Frequenzachse bewegen und visuell oder akustisch nach dem gewünschten
Baken-Abdruck fahnden. Der Utilty-DXer darf mit wechselnden Werkzeugen und
Parametern einer geheimnisvollen digitalen Aussendung detektivisch bis zu ihrer
Entschlüsselung nachgehen. Der SWL braucht sich über eine verpasste
Stations-Kennung nach verschlafenem Aufnahmestart nicht mehr zu ärgern. Dank
Prebuffering reicht die Aufnahme einige Sekunden in die Vergangenheit zurück. Für
den Fleißigen kann die Gleichung lauten: ein Mitschnitt gleich Dutzende
SWL-Karten. Auf Wunsch erfolgt die Aufnahme automatisiert über einen Timer mit
fast unbeschränkten Konfigurationsoptionen. Wer sich allerdings schon immer
gefragt hat, mit was er seine Terabyte Festplatte füllen soll, weiß es jetzt:
Eine Minute 4 MHz Aufzeichnung belegen 5 * 2 *16 Mbit/sec *60 /8 /2**30 = 1.117
GByte/min auf der Platte. Doch nicht nur beim Nachhören sondern auch beim
Nachsehen tunen sich neue Dimensionen auf. Die HF- und
DDC-Wasserfallspektrogramme lassen sich speichern. Nicht als simpler Screenshot
sondern in ihrer vollständigen Frequenz- und Zeitauflösung. Es entstehen bis
über 32000 Pixel breite (Riesen-) Bilder von ganz eigenem Reiz. Mit einem
Bildbetrachtungsprogramm und unterschiedlichen Vergrößerungen lässt es sich
prima über einem Sendungsmeer, auf der Suche nach einem bestimmten
Signalmuster, schweben. Perfekt für das „visuelle DXing“. Wie in der
Online-Welt stehen die Informationen zeitunabhängig immer abrufbereit und zur
Verfügung. Willkommen in der Petabyte-Welt [11].
Schnittstellen
und Bandbreiten
Der Begriff der Bandbreite ist in der aktuellen Generation der
softwaredefinierten Empfänger in mehrfacher Hinsicht von Bedeutung. Zunächst
als Spezifikation der eingesetzten Filter. Die
Selektivität beschreibt, mit welcher Güte diese Filterbandbreite eingehalten
wird. Im SDR-Empfänger sind die Filter der Demodulator-Stufe softwareseitig
realisiert. Es handelt sich um rekursive Verfahren und die sogenannte Filterlänge
bestimmt deren Güte. Im G33DDC ist die Filterlänge
wählbar, wobei die geringe Voreinstellung von 200 nicht ausreichend ist.
Um die gewünschte Backstein-Form der Filterdurchlasskurve zu erreichen, ist
eine Filterlänge von mindestens 5000 erforderlich. Das beansprucht mehr
Rechenleistung bzw. Bandbreite des Prozessors.
Ein aktueller Mehrkern-Prozessor bleibt allerdings mit einer Auslastung
von rund 20 -30 % dabei gelassen. Audio-Dropouts traten nicht auf. So bestimmt
aktuell die Bandbreite der PC-Peripherie-Schnittstellen die Leistungsfähigkeit
der softwaredefinierten Radios. So beträgt die maximale Bandbreite der USB 2.0
Verbindung zwischen Gerät und PC theoretisch 480 Mbit/s – praktisch oft 40 %
weniger – und limitiert die DDC-Bandbreite und ihre Datentiefe. Das vom
komplexen Direktmischer erzeugte I-/Q-Signal hat bis zu einer DDC-Bandbreite von
3,2 MHz eine Auflösung von 2 * 32 Bit. Darüber muss sie auf 16 Bit reduziert
werden. So bleibt bei einer Abtastrate von 5 MHz für die maximale DDC-Breite
der Datenstrom auf unkritische 160 Mbit/s beschränkt. Will man diesen
Datenstrom auf der Festplatte konservieren, reicht ein fossiler paralleler
ATA-Controller nicht aus; eine SATA-Schnittstelle ist erforderlich. Es lohnt
sich durchaus, die verschiedenen Implikationen des Begriffs der Bandbreite in
einem aktuellen SDR-System im Auge zu behalten.
Fazit:
Wunderwaffe
Für den Preis eines G33DDc erhält man fast zwei seines Vorgängers
G31DDC. Allerdings rechtfertigt der SDR-Empfänger dies mit bislang einmaligen
Leistungsmerkmalen. Die rekordverdächtige verdoppelte Bandbreite von 4 MHz
sowie die vielfältigen Aufnahme- und Analyse-Optionen setzen einen neuen
Standard in dieser Geräteklasse. Eigentlich handelt es sich mehr um ein
Empfangslabor als einen einfachen Empfänger. Mit der Möglichkeit, einen
mehrere Bandbereiche umfassenden Ausschnitt
des HF-Spektrums aufzuzeichnen und unter Einhaltung der Originalbedingungen
unbegrenzt wiedergeben und analysieren zu können, rückt der alte Traum einer
Zeitmaschine mit dem neuen WiNRADiO zumindest für den Funkempfang ein gutes Stück
näher [12]. Hinter diesen innovativen Software-Optionen steht die hochwertige
Hardware mit ihren analogen Baugruppen keinesfalls zurück und bildet die
Grundlage hervorragender Empfangsleistungen. Irgendwie beruhigend, dass auch in
einem Hightech-Gerät der digitalen Signalverarbeitung das altbekannte Klicken
eines Relais noch zu vernehmen ist und für die technisch gelungene Verbindung
zwischen analoger und digitaler Welt steht. Zählte ich zur (ganz) jungen
Generation und hätte das Gerät eine Facebook-Seite, würde ich bestimmt den
„Gefällt-mir-Knopf“ drücken – ziemlich fest sogar. Selbst König Artus würde
heute bestimmt den friedlichen Kommunikationsempfänger dem tödlichen Schwert
vorziehen.