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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Wireless Cognitive Radio

Wireless Cognitive Radio hat Zukunft Einen Empfänger und/oder Sender, bei dem in nennenswerter Weise eine digitale Signalverarbeitung erfolgt, kennt man als Software Defined Radio (SDR). Diesen Begriff prägte 1991 der Amerikaner Joseph Mitola, der für das Militär erste Konzepte verwirklichte. Später entwickelte er das auf SDR aufbauende Konzept des Cogitive Radio (CR). Bild 1: Innere Struktur des Digital Demodulators RTL2832U CR wird möglich, da heute die SDR-Schlüsselbausteine die an sie gestellten Anforderungen leicht erfüllen können. So genügt z.B. ein A/D-Wandler mit 8 Bit und 3,2 MS/s Abtastrate, wie im populären Baustein RTL2832U (Bild 1) zu finden. Der damit mögliche Dynamikbereich errechnet sich nach der Formel Bitbreite x 6 dB zu 48 dB, und das ist ausreichend. Als Datendurchsatz erhält man nach der Formel Bitbreite x Abtastrate in Hz Bild 2: Die Direct RF-Sampling ADC Family ADC12Dxx00RF von Texas Instruments kann Mikrowellensignale korrekt digitalisieren und erlaubt damit den Aufbau durchgehend digital arbeitender (oben) statt traditionell aufgebauter (unten) SDR- Breitbandempfänger 25.600 Mbit/s bei einer (Nyquist-)Bandbreite von 0,5 x Abtastrate in Hz = 12,8 MHz. Auch eine Soundcard kann diese Aufgabe übernehmen, obwohl sie eine wesentlich höhere Bitbreite und eine deutliche geringere Abtastrate hat. Ein hochwertiges Produkt arbeitet beispielsweise mit 32 Bit bei nur 192 kS/s, das bedeutet vergleichsweise wesentlich höhere Dynamik, 1/4 des Datendurchsatzes und wesentlich geringere, aber völlig ausreichende Bandbreite. Direct Sampling & Quadratur-Demodulation Das Ziel der Digitalisierung bereits auf der Empfangsfrequenz (Direct Sampling) ist mit seit Jahren verfügbaren A/D- Wandlern, etwa mit einer Auflösung von 16 Bit und einer Abtastrate von 80 MS/s oder mit 12 Bit und 3,6 GS/s, längst erreicht. Etwa mit der ADC Family ADC12Dxx00RF von Texas Instruments gelingt Empfang bis etwa 1,8 GHz (Bild 2). Auch von National Instruments kommen äußerst leistungsfähige ADCs. Bei vielen heutigen SDR-Empfängern wird jedoch das Superhet-Prinzip angewendet, und die digitale Signalverarbeitung setzt erst auf der (letzten) ZF ein, die in der Regel unter 20 kHz liegt. Dem analogen ZF-Verstärker 40 hf-praxis 2/2017

Wireless Bild 3: Zum Aufbau eines SDR-Supers genügen zwei Spezial-ICs sind dabei folgende Baugruppen nachgeordnet: • Analog/Digital-Wandler • DSP (Demodulation, Filterung) • Digital/Analog-Wandler • Audioverstärker Da die Demodulation Hauptaufgabe dieses Komplexes ist, bezeichnet man einen entsprechenden Baustein auch als Digital Demodulator. Bild 3 demonstriert, wie einfach sich ein SDR-Super mit zwei speziellen Bausteinen realisieren lässt. Typisch dabei ist die digitale Quadratur-Demodulation. Begründung: Beim Übergang von einem analogen zu einem digitalen Demodulator müssen nach der Komponentenerzeugung zwei Abtaster und zwei A/D-Umsetzer eingefügt werden, die zeit- und wertdiskrete Zahlenfolgen liefern, welche sich digital weiterverarbeiten lassen. Da in digitalen Systemen mit hohen Auflösungen und/oder Abtastraten die Kosten und die Verlustleistung nicht zu vernachlässigen sind, realisiert man die Quadratur-Abtastung mit nur einem ADC und Multiplex. Vorteile: kein Rechenzeitverbrauch, nur ein Abtaster und Umsetzer erforderlich, ideal für Unterabtastung, höhere Dynamik als Rechenwert, Nachteil: hohe Anforderungen an den ADC, eventuell Phasenkorrektur notwendig. Bild 4: Einteilung der CRs nach IEEE Durch dieses auf den beiden I/Q- Komponenten basierende und schnelle Demodulationsverfahren gelingt es, einen möglichst großen Teil der Signalverarbeitung in die Software zu verlagern. Außerdem können durch die separat vorliegenden I- und Q-Signale (I für In Phase und Q für Quadratur, d.h. 90° phasenversetzt) recht viele Modulationsarten demoduliert werden. Dazu ist nur die Software entsprechend auszurichten. Von SDR zu CR Die softwaredefinierte Funktechnik wird vielseitig genutzt, etwa bei Militär, Mobilfunk, Rundfunk und Amateurfunk. Dort sind die Flexibilität und die Implementierung unterschiedlicher Protokollwechsel in Echtzeit von besonderem Nutzen. Ein konkretes Beispiel ist die Realisierung der Basisstationen zellularer Netze als SDR. Diese lassen sich innerhalb kürzester Zeit kostengünstig auf neue Standards aufrüsten. Die wesentlichen Vorteile der SDR-Empfänger sind: • keine Verzerrungen im Digitalteil hf-praxis 2/2017 41

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