(RTL-)SDR, hoe werkt dat nou?

[Xudonax]

Eigenlijk zoals de topic titel zegt, hoe werkt zo'n (RTL-)SDR nu precies? Ik ken het grote RTL-SDR topic welke hier momenteel een paar regels onder staat, maar dit gaat vooral over wat er te ontvangen is en software. Dat is waar ik momenteel eigenlijk weinig interesse in heb, de software weet ik wel aardig te vinden Echter, het hardware stukje is voor mij een groot raadsel, ik heb een antenne, een zwarte "doos" (mijn mini RTL SDR is toevallig zwart ) en dat gaat dan mijn PC of RPi in.

Ik heb al wel wat gezocht en o.a. onderstaande afbeelding gevonden, maar dit geeft mij nog weinig duidelijkheid.


Bron: http://www.cvarc.org/new-.../technical/IntroToSDR.pdf

Ik bedoel, ik snap de antenne. Ook het band pass filter (ik gok dat de BPF daarvoor staat) klinkt logisch, dat is praktisch de tuner. Dan gaat het signaal naar de ADC en vanaf daar is het software. Echter, er zit een Digital Controller Oscillator in, iets dat gelabeld is met "90" en een IF stage... Ik gok dat IF de input filtering is, en zorgt dat je het signaal "van de draaggolf af tilt" zodat je (uitgaande van FM) van de ~100MHz een signaal van 38kHz (excl. RDS e.d.) overhoud. Maar hoe zit het nu "exact"?

Wat ik uiteindelijk wil proberen is om een 1090MHz ontvanger te maken voor ADS-B ontvangst, maar voor ik daaraan durf te beginnen wil ik toch wel graag in ieder geval de basis weten en al wat ervaring opgedaan hebben Met andere woorden, ik wil het graag leren, dus ook gewoon relevante links zijn zeer zeker welkom.

[peterpv]

Dat BPF is niet practisch de tuner, het onderdrukt de signalen die buiten de band die je wilt ontvangen. Dit is een "vast" filter, je kunt de kantelfrequenties van dit filter niet aanpassen. Het zorgt bv dat als je 100 - 200 MHz wilt ontvangen een sterk signaal op 50 of 250 MHz wordt onderdrukt en de boel minder verstoort.

Die 90 graden dat is voor "quadratuur mixen" waarmee je de spiegelfrequentie kunt onderdrukken. Stel je wilt 100 MHz ontvangen, dit is een "direct conversion" ontvanger dus dan moet je mengen met 100 MHz (het DCO signaal is dus 100 MHz). Die rondjes met een kruisje zijn de mixers. Met slechts één mixer kan dit ook maar dan kun je niet bepalen of je gemoduleerde signaal (bijvoorbeeld) + 100 kHz of -100 kHz. Die -100 kHz is de spiegelfrequentie. Hoe kan dat nou ? Negatieve frequenties Dat heeft te maken met de fase, die is dan 180 graden gedraaid. Aangezien fase altijd relatief is kun je die wel bepalen als je "quadratuur" mixt dus met 2 mixers en een 0 graden signaal én een 90 graden signaal.
Kort door de bocht: dit geeft extra informatie en je kunt 2 x zoveel informatie overzenden terwijl je dezelfde frequentie ruimte gebruikt. Je kunt je voorstellen dat dit tegenwoordig overal gebruikt wordt

Na de mixers heb je dus het basisband signaal weer terug, dat gaat de ADC's in en wordt dan dus gedigitaliseerd, gefilterd (ook digitaal. ja dat kan, zit ook in je CD speler ) en dan de DSP in die de informatie uit het basisband signaal haalt.

Dat het SDR is heeft vooral te maken met het feit dat deze blokken er alleen maar voor zijn om het verzonden signaal terug te halen, vervolgens kun je in de DSP (dus Software Defined !) bepalen hoe je wilt decoderen. Dus je kan in principe alles ontvangen, de DSP bepaald wat je protocol is, due Wifi, Bluetooth of ouderwetse FM radio bv

Links ? Begin eens hier:
Radio electronics
Digital modulation in communication...

Laat het rustig even bezinken allemaal, het heeft mij ook wel een paar jaar gekost om dit allemaal te snappen

Als je nog vragen hebt, roep maar

[Xudonax]

peterpv schreef op maandag 14 december 2015 @ 21:17:Als je nog vragen hebt, roep maar

Allereerst héél hartelijk bedankt, dit maakt het geheel al een stuk duidelijker voor me

Dus wat is dan precies het gedeelte dat de tuner moet voorstellen? Dat is het stuk van de DCO naar de twee mixers toe? Waarbij de DCO de frequentie bepaald en de mixers bepalen dan hoe breed het spectrum is dat doorgegeven word aan de ADC? Of zit ik er dan heel erg naast?

[ Voor 11% gewijzigd door Xudonax op 15-12-2015 15:51 ]

[peterpv]

Graag gedaan ! Ik deel mijn kennis graag, dat vind ik leuk

Het hele ding is de tuner ! Alle blokken samen. Ik noem dat wat het signaal van de antenne haalt en daar het basisband signaal uit haalt een Tuner. Of de DSP bij de tuner hoort of niet daar zou je over kunnen twisten. In een TV bijvoorbeeld zit alles exclusief de DSP in een blikje bij de antenne ingang, de DSP zit dan vaak ergens anders in de TV. Het blikje is dan de Tuner maar dan zonder de DSP.
Wat in de DSP zit zou je ook de demodulator kunnen noemen.

De DCO (Digitally Controlled Oscillator) bepaald inderdaad de frequentie die je wilt ontvangen. De mixers zijn breedbandig, dat wil zeggen, ze kunnen frequenties niet van elkaar scheiden. Ze bepalen dus ook niet wat je wel en niet ontvangt. Ze mixen alleen maar Eigenlijk hoort er achter de mixer nog een laagdoorlaat filter wat zorgt dat alleen de band die je wilt ontvangen doorgelaten wordt. Bijvoorbeeld, je wilt op 100 MHz een band van 2 MHz breed ontvangen (dus 99 MHz - 101 MHz) dan moet er achter de mixer een laagdoorlaat filter komen van 1 MHz. Geen 2 MHz ? Nee want door het quadratuur gebeuren ontvang je dan van - 1 MHz tot + 1 MHz. En dat is totaal dus 2 MHz breed.

Je zat er dus niet zover naast, alleen de laagdoorlaatfilters na de mixers ontbreken in het blok schema en die horen er eigenlijk wel bij. Een signaal ongefilterd een ADC in sturen is ook geen goed idee overigens.

[Lt-Crash]

De I & Q signalen zijn benodigd om de digitale informatie op de juiste manier uit het spectrum te halen. Er ontstaat een constellatie met een combinatie van een een I en Q sample die een symbool weergeven.

Hieronder staat een voorbeeld met op de ene as de infase component en op de andere as de quandrature component.

In het voorbeeld zien we een Offset QPSK modulatie, waarbij we per symbool dus twee bits kunnen ontcijferen.

Daarnaast is de term IF de befaamde Intermediate Frequency, de frequentie waarmee we de uiteindelijke processing gaan doen. Wanneer we niet naar IF gaan hebben we hele snelle A/D converters nodig dankzij onze vriend Nyquist.

[Xudonax]

Nyquist, die ken ik! Net zoals de QPSK dingen, hoewel ze die in de boeken "vroegah" op school (~5 jaar geleden...) onder de noemer QAM in de boeken hadden staan (Technische Informatica opleiding, dus nog wel een klein drupje van digitale communicatie meegekregen).

Wat er dus moet gebeuren om van een signaal van de antenne naar je ADC / DSP te gaan is:

1. Band-pass filter => Zorgt ervoor dat je niets binnen krijgt wat je niet wilt
2. Digitally controlled oscillator => Zorgt ervoor dat de mixers "weten" welke frequentie ze moeten filteren
3. 90° fase draaier => Zorgt ervoor dat je je QAM/QPSK gegevens terug krijgt
4. Mixers => Euh... Mixt het signaal van de DCO in de input, en levert (volgens Wikipedia) f1 + f2 en f1 - f2 op door middel van... magie
5. Low-pass filter => Zorgt ervoor dat je ADC niets binnenkrijgt wat 'ie niet kan afhandelen. Filter de som van de frequenties weg zodat je enkel nog het verschil over houdt?
6. ADC => Zorgt dat je signaal digitaal verder verwerkt kan worden
7. DSP => Verwerkt je digitale signaal

Okay, ik krijg daadwerkelijk het idee dat ik iets begin te snappen Tenzij hierboven natuurlijk nog (grote) fouten staan. Ik ga eens kijken wat ik verder over de frequentie mixers kan vinden, dat blijft een stukje magie voor mij.

EDIT: En wat ik zo hier en daar zie staan is dat je op een aantal punten een versterker nodig hebt/kunt hebben. Ik heb ze gezien waar er een versterker na iedere stap zat, maar ook zat die helemaal geen versterkers erin hebben zitten. Aangezien mijn uiteindelijke doel (ADS-B ontvangst op 1090MHz) vrij zwakke signalen zijn, zou dit vooral net na de antenne interessant zijn lijkt me?

[ Voor 10% gewijzigd door Xudonax op 15-12-2015 21:05 ]

[Sissors]

De 90 graden fase draaiers doen niks met het signaal. Een mixer vermenigvuldigd simpelweg twee signalen: De ingang, en een kloksignaal wat van de DCO/fase draaier af komt.

Als je nog vaag wat van je middelbare school wiskunde herinnert dan krijg je als je twee sinussen vermenigvuldigt som en verschilfrequenties: f1 + f2, en f1-f2. De f1 + f2 is dus een hoge frequentie, terwijl de minus het verschil tussen de twee is, en als die bij elkaar in de buurt komt is het een lage frequentie. Een laagdoorlaatfilter haalt de hoge weg, en we hebben enkel nog de lage. Het probleem hier is dat als je DCO een signaal maakt van 100MHz, dan mixen zowel 101MHz en 99MHz terug naar (-)1MHz, en kan je het onderscheidt niet meer maken (immers negatieve frequenties zijn hetzelfde als positieve frequenties). Echter als je het signaal tegelijk met een cosinus (90 graden fase draaiing, daarvoor is die fase draaier) en een sinus vermenigvuldigt, dan kan je door de twee uitgangen weer te combineren achterhalen of een signaal een positieve of een negatieve frequentie heeft.

Qua versterking: Meer versterking is minder ruis, maar het geeft wel weer meer vervorming, waardoor signalen die al sterk waren je gewenste signaal vuil kunnen maken. Daarnaast is versterking niet gratis (kost power en lineariteit). Voor het bandpass filter versterk je niet, hooguit wat passieve versterking soms, immers daar zitten alle ongewenste signalen nog bij. Dan versterk je of na het bandpass filter, of je gaat voor mixer first, en daarna versterk je. Die laatste optie is beter bij verstoring van sterke andere signalen (Omdat je uiteindelijk dan een veel kleiner gebied versterkt), maar heeft wel meer last van ruis.

[Xudonax]

Ik heb op de middelbare school nooit vermenigvuldiging van sinussen gehad Maar nu ik daar het een en ander over lees op Wikpedia (Heterodyne) snap ik ook spontaan hoe FDM e.d. nu echt werkt >_> En inderdaad, de f1+f2 is niet relevant in dit geval, dus met een low-pass filter is dat zo weg.

Daarnaast, versterking na de mixer klinkt logisch, zeker aangezien ik toch geen meters kabel tussen de antenne en de ontvanger wil hebben Tegen de tijd dat je "in" de ontvanger zit heet zoiets vast geen Low noise amplifier meer, maar het principe blijft gelijk.

[Sissors]

Het was overigens ook niet bedoelt als "Dat zou je moeten weten", maar meer van "misschien komt het je nog vaag bekend voor".

Verder is versterken direct na het BPF volgens mij nog wel de meest gebruikte optie, en zijn mixer-first architecturen nu pas net wat meer in opkomst aan het komen.

[Xudonax]

Nog één vraagje dan omdat ik dat niet helemaal zeker ben. Als je je signaal van 1MHz hebt na je filter (voor de ADC) dan zou je ADC dus op minstens 2MHz (eigenlijk 2 Megasamples/seconde) moeten samplen, toch? Of zou je dan eigenlijk nog hoger moeten samplen?

[ReneK]

Als je met "filter" doelt op het LPF filter tussen de mixer en de ADC (dat in dit schema ontbreekt), dan klopt wat je zegt.

Maar dan moet het filter goed genoeg zijn om aan de Nyquist criteria te voldoen, dus alle ongewenste out-of-band signalen zoals f1+f2 moeten voldoende onderdrukt worden (afhankelijk van de dynamiek van de ADC).

Je kunt ook kiezen voor een veel hogere samplingfrequentie (oversampling), dat worden de eisen die aan het filter gesteld worden veel kleiner. Je kunt dit ook gebruiken om de resolutie van je ADC ter verhogen, door de DSP te laten filteren en decimeren. 1-bit sigma-delta ADC's maken vaak gebruik van deze techniek.

[Sissors]

Xudonax schreef op donderdag 17 december 2015 @ 08:22:
Nog één vraagje dan omdat ik dat niet helemaal zeker ben. Als je je signaal van 1MHz hebt na je filter (voor de ADC) dan zou je ADC dus op minstens 2MHz (eigenlijk 2 Megasamples/seconde) moeten samplen, toch? Of zou je dan eigenlijk nog hoger moeten samplen?

Je moet met meer dan 2MHz samplen, maar in theorie is dan 2.000000001MHz voldoende bij een 1MHz signaal ja.

Stel je voor dat je op 3MHz sampled, dan heb je dat een signaal van 2MHz, na het samplen, op 1MHz belandt. (3MHz - 2MHz = 1MHz). Daar zit ook je gewenste signaal van 1MHz, en dat mag dus niet gebeuren. Je eis aan je anti-aliasing (low-pass) filter is dus dat 1MHz nog wel moet worden doorgelaten, en 2MHz geblokkeerd moet worden. Hoeveel het geblokkeerd moet worden ligt aan je specs.

Off-chip kan je de meest geweldige filters maken. On-chip zijn filters vaak een beetje 'mweh'. En dan is het vaak eenvoudiger om gewoon je ADC sneller te laten lopen, en zo je filter design gemakkelijker te maken.