Mit SDR-Technik und einem Linux-Rechner bauen Sie einen leistungsfähigen Empfänger für Amateurfunk, DAB+ und Datendienste auf. Nur die Hardware und die Antenne begrenzen die technischen Möglichkeiten.

Software-defined Radio (SDR) verwendet Signalprozessoren und FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). SDR-Empfänger gibt es in allen Preislagen. Die Spanne beginnt bei USB-Sticks für unter 50 Euro. Profimodelle kosten hingegen mehrere Tausend Euro. SDR-Empfänger mit guten Eigenschaften finden Sie in der Preisklasse unter 600 Euro. In der modernen Kommunikationstechnik sind SDR-Sendeempfänger Standard, wir sehen uns im Folgenden aber ausschließlich reine Empfangsgeräte an.

Die Eigenschaften eines Empfängers in herkömmlicher Bauweise legt die Hardware fest. Dazu gehören Empfangsbereiche, Sendearten (Amplituden- oder Frequenzmodulation, SSB, digitale Modi, Fax, RTTY etc.), Trennschärfe, Signalfestigkeit, Bandbreite und die äußere Gestaltung (Drehknöpfe, Taster, Schieberegler). Im Gegensatz dazu bestimmen bei SDR-Geräten die elektronischen Komponenten meist nur den Empfangsbereich, die Empfindlichkeit und die Signalfestigkeit.

Den Rest an Fähigkeiten und Qualitäten liefert die Software, sowohl im SDR-Gerät selbst als auch am gegebenenfalls steuernden Rechner. Sie finden auf dem Markt einige SDR-Geräte, die sogar eine klassische Frontplatte für die Bedienung aufweisen, jedoch parallel einen Fernzugriff per Netzwerk oder USB-Anschluss erlauben.

Grundsätzlich dürfen Sie per SDR alle Aussendungen empfangen, die sich an die Allgemeinheit richten, also Rundfunk, Fernsehen und Amateurfunk. Problematisch ist das Abhören des sogenannten Blaulichtfunks, also der Aussendungen von Polizei, Rettungsdiensten und sonstigen hoheitlich tätigen Organisationen. Falls Sie sich für die gesetzlichen Grundlagen interessieren, können Sie sie im Telekommunikation-Digitale-Dienste-Datenschutz-Gesetz [1] nachlesen.

Wellensalat

Funkwellen weisen abhängig von ihrer Länge, der Tages- und Jahreszeit, dem aktuellen Wettergeschehen und bestimmten Einflüssen der Sonne ein unterschiedliches Ausbreitungsverhalten auf. Die Tabelle “Funkausbreitung” vermittelt einen groben Überblick über das Verhalten verschiedener Wellenbereiche.

Bezüglich der Rundfunksender auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle wurde es in den letzten Jahren ruhiger. Viele große Sendeanstalten zogen sich aus diesen Frequenzbereichen zurück, obwohl auch hier die Digitaltechnik mit neuen Sendeverfahren wie Digital Radio Mondiale (DRM [2]) eine deutlich bessere Übertragungsqualität ermöglicht hätte. An deren Stelle senden nun verschiedene, private Programme mit unterschiedlichsten Inhalten. Dazu gehören etwa der Deutsche Seewetterdienst mit allgemeinen Wetterinformationen auf 5,905 MHz, das Museumsradio AM 1476 auf 1476 kHz und Radio DARC auf 6,070 sowie 9,670 MHz. Nachrichten in deutscher Sprache kommen nach wie vor vom Schweizer Radio und Fernsehen auf 3,985 MHz. Eine gute Übersicht bieten die Rubrik “BC-DX” der Zeitschrift “Funkamateur” [3] und der Hörfahrplan der ADDX [4]. Viel Interessantes finden Sie auch auf der Webseite von Christoph Ratzer [5].

Interessant sind diese Empfangsmöglichkeiten vor allem im Urlaub und wenn der Internetzugriff nicht funktioniert. Bei einem längeren Stromausfall, großflächigen Unwetterschadenslagen und anderem unerfreulichem Geschehen kommen die Informationen über den alten, früher üblichen Weg. Sendungen in anderen Sprachen helfen, die Sprachkenntnisse zu trainieren. Einige Staaten haben ihre Kurzwellensender aufgrund der derzeit angespannten internationalen Lage wieder reaktiviert. Ein Laptop mit SDR-USB-Stick oder das gute alte Kofferradio benötigen kein Internet, um die Neuigkeiten aus der Welt zu empfangen.

Amateurfunk

Der Amateurfunk lebt von Technikbegeisterung und internationaler, direkter Kommunikation zwischen Menschen. Dabei nutzt der Dienst viele Frequenzbereiche von der Lang- bis zur Mikrowelle. Um senden zu dürfen, legt man eine fachliche Prüfung ab und erhält ein weltweit einmaliges Rufzeichen zugewiesen.

Beim Amateurfunk handelt es sich um einen Funkdienst ähnlich dem Rundfunk und Seefunk, dessen Rechte und Pflichten internationale Vertragswerke festlegen. Zu den Rechten gehört die Freiheit, Geräte, Antennen und weitere Technik zu entwickeln und selbst zu bauen. Zu den Bestandteilen moderner Konzepte zählen oft Linux und der Raspberry Pi. Interessierte finden auf der Webseite des Deutschen Amateurradioclubs (DARC [6]) eine erste Anlaufstelle.

Auf Kurzwelle nutzt der Rundfunk fast ausschließlich Amplitudenmodulation (AM). Andere Dienste, wie der Amateurfunk, verwenden den Einseitenbandbetrieb (SSB) für die Übermittlung von Sprache und Daten. SSB belegt viel weniger Bandbreite und arbeitet deutlich energieeffizienter als AM. Daneben hören Sie neben vielen digitalen Signalen für Texte und Sprache immer noch Morsezeichen. Ab dem 10-Meter-Band kommt FM-Sprechfunk dazu.

Beim Amateurfunk gibt es keine festen Sendezeiten, Funkverkehr findet rund um die Uhr auf den Bändern statt. Von der gemütlichen Runde bis hin zum hektischen Funkwettbewerb ist praktisch alles zu hören. Dabei lassen sich auch Notfunk(-übungen) und andere Spezialinteressen (Bergsteiger, Seefahrer etc.) belauschen. Die Tabelle “Wellenspektrum” zeigt für den Start eine Auswahl von Rundfunk- und Amateurfunkbändern.

Antennen

Irgendwie muss man die hochfrequenten Signale einfangen und zum SDR-Empfänger leiten. Für Lang-, Mittel- und Kurzwelle genügen einige Meter Draht als Empfangsantenne. Mit einem manuellen Tuner für den Kurzwellenbereich passen Sie diese an die Empfangsfrequenz an. Damit entlasten Sie den Empfängereingang und verbessern die Empfangsqualität.

Für ganz beengte Verhältnisse greifen Sie auf aktive Antennen zurück, die allerdings ihren Preis haben. Eine kompakte magnetische Antenne für den Empfang bauen Sie leicht selbst auf, da hier die beim Sendebetrieb notwendige Auslegung der Bauteile entfällt. Der große Nachteil: Eine solche Antenne müssen Sie bei Frequenzwechseln stets nachstimmen.

Breitbandige Antennen nach dem T2FD-Prinzip gelten als gute Empfangsantennen und lassen sich leicht selbst bauen. Sie benötigen jedoch einigen Platz. Übersteuert der SDR-Empfänger wegen zu starker Signale, fügen Sie ein Dämpfungsglied in die Antennenleitung ein. Sie bekommen es bei Elektronik- und Funkfachversendern, in der Praxis genügt meist ein Wert von 20 dB Dämpfung. Allerdings sind die als Zwischenstecker ausgelegten Teile ziemlich teuer.

Für den Hobbyempfang bauen Sie für wenig Geld den Abschwächer selbst. Abbildung 1 zeigt zwei Schaltbilder dazu. Sie benötigen induktionsarme Widerstände (Kohleschicht- oder Metalloxidwiderstände), Anschlüsse für das Antennenkabel und ein passendes Gehäuse dafür. Die Widerstände weisen für ein 50-Ohm-Antennenkabel Werte von 62 Ohm (R1 und R3) respektive 240 Ohm (R2) auf, rechnerisch beträgt die Dämpfung dann 19,71 dB. Für andere Werte finden Sie im Internet entsprechende Berechnungsmöglichkeiten [7].

Abbildung 1: Schaltpläne für ein Dämpfungsglied in T- und Pi-Form.

Für den UKW- und UHF-Bereich haben die Antennen viel kleinere Abmessungen (höhere Frequenz, kürzere Wellenlänge). Der Empfang gelingt mit einer breitbandigen Antenne vom Typ Discone. Typische im Handel erhältliche Antennen decken einen Bereich von 25 bis 1300 MHz ab.

Viele der benötigten Komponenten finden Sie günstig auf diversen Kleinanzeigenportalen im Internet und auf Technikflohmärkten. Finden Sie einen Funkamateur in der Nachbarschaft, wird er Ihnen sicher gern weiterhelfen.

Empfangsprogramme

Viele Empfangsprogramme zeigen für den eingestellten Empfangsbereich das Amplitudenspektrum – also die Signale mit ihren Anteilen im Spektrum – sowie ein Wasserfalldiagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Signale an. Auf diese Weise überblicken Sie den Frequenzbereich und legen per Mausklick auf das Signal im Wasserfalldiagramm die Empfangsfrequenz fest.

Dekodierprogramme für verschiedene Funknutzungen wie Telegrafie, Funkfernschreiben, Wetterfax und digitale Übertragungsarten lassen sich durch entsprechende Soundeinstellungen an das SDR-Programm anschließen. Außerdem bietet SDR-Software oft die Möglichkeit zum Mitschnitt des Empfangs.

CubicSDR

Das Programm CubicSDR [8] ermöglicht das Steuern verschiedener SDR-Empfänger. Die umfangreiche Bedienoberfläche (Abbildung 2) des Programms umfasst mehrere Bereiche (siehe Tabelle “CubicSDR: Oberfläche”).

Abbildung 2: Die CubicSDR-Oberfläche mit den Bereichen aus der Tabelle “CubicSDR: Oberfläche”.

Beim Start von CubicSDR wählen Sie ein Gerät aus und klicken dann auf Start (Abbildung 3). Noch hören Sie nichts. Anschließend klicken Sie in das Wasserfalldiagramm. Der Empfänger beginnt zu arbeiten. Jetzt wählen Sie die gewünschte Frequenz (Abbildung 4) und die Sendeart (Abbildung 5) aus.

Abbildung 3: Beim Programmstart wählen sie das zu verwendende SDR-Gerät aus.

Abbildung 4: Die Eingabe von Frequenz und Bandbreite.

Abbildung 5: Per Mausklick wählen Sie die Sendeart aus.

Das Amplitudenspektrum, in Abbildung 6 in der oberen Hälfte zu sehen, zeigt einen Teil des Empfangsbereichs an. Im Wasserfalldiagramm sehen Sie den zeitlichen Verlauf der Signale und deren Bandbreite. Was Sie im Lautsprecher hören, zeigt CubicSDR an der oberen Kante des Wasserfalldiagramms an. Die Spur etwas tiefer anzuklicken, holt das Signal nicht zurück. Befindet sich der Mauszeiger im Wasserfalldiagramm, ziehen Sie den Wiedergabereich – also den durch die beiden hellen vertikalen Linien begrenzten Anzeigebereich – auf die Signalspur, wo Sie linksklicken. Damit verfügen Sie über eine intuitive Methode für die Frequenzwahl.

Abbildung 6: Amplitudenspektrum und Wasserfalldiagramm.

Geht es um die Empfangsfrequenz herum eng zu, begrenzen Sie die Bandbreite so weit, dass die Wiedergabe für Sie noch brauchbar bleibt, die Störungen jedoch weitgehend ausgeblendet werden. Sie ändern dazu manuell den numerischen Bandbreitenwert im Feld neben der Frequenzeingabe aus Abbildung 4. Die Bandbreite selbst und das Nutzsignal finden Sie im Anzeigefeld neben der numerischen Frequenzeingabe (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Detailanzeige für die Bandbreite.

Dekodierprogramme

Im Äther werden nicht nur Sprache und Musik gesendet. Daneben empfängt Ihr SDR-Empfänger auch Morsetelegrafie, Fernschreiben (RTTY), Fax und verschiedene Datenmodi (PSK, FT8 etc.). Die Inhalte dieser Signale lassen sich mit einem entsprechenden Zusatzprogramm auf dem Bildschirm ausgeben. Für CubicSDR bietet sich dazu Fldigi [9] an.

Sie verbinden Fldigi über das Soundgerät mit CubicSDR. Ein Beispiel dafür zeigt Abbildung 8: Hier wurde im Konfigurationsmenü von Fldigi unter Soundcard | Devices der Haken bei PortAudio gesetzt und als aktives Soundgerät hdmi ausgewählt (Abbildung 8).

Abbildung 8: Fldigi erlaubt detaillierte Soundeinstellungen.

Abbildung 9 demonstriert das Zusammenspiel der beiden Programme. Im Fldigi-Fenster sehen Sie den per Hand über die Morsetaste eingegebenen Text DASISTEINTEST in korrekter Dekodierung. Die Frequenzanzeige im Fldigi-Fenster spielt dabei keine Rolle, da das Programm nicht mit einem zu steuernden Funkgerät verbunden war.

Abbildung 9: Fldigi dekodiert ein mit CubicSDR empfangenes Morsesignal.

Gqrx

Die auf dem Qt-Toolkit basierende Oberfläche von Gqrx [10] fällt etwas spartanischer aus als die von CubicSDR (Abbildung 10). Sie starten den SDR-Empfang durch einen Klick auf das Abspielsymbol links oben unterhalb des File-Menüs. Wie bei CubicSDR nehmen auch hier die Anzeigen des Amplitudenspektrums und das Wasserfalldiagramm den meisten Raum ein. Die Frequenzeingabe erfolgt ebenfalls auf dieselbe Weise wie bei CubicSDR. Optional zeigt die Software eine Kennzeichnung des Bandbereichs (Rundfunk, Amateurfunk) an. Außerdem gibt das Programm beim Empfang von UKW-Rundfunksendern die RDS-Informationen in einem eigenen Bereich aus.

Abbildung 10: Empfang eines UKW-Rundfunksenders samt RDS-Informationen mit Gqrx.

Welle.io

DAB+-Radioempfang funktioniert mit dem Programm Welle.io. Nach einem ersten Suchlauf wählen Sie das gewünschte Programm aus. Unter Senderdetails sehen Sie, ob es bei der Dekodierung Probleme gibt. In Abbildung 11 erkennen Sie im entsprechenden Fensterbereich, dass im konkreten Fall keinerlei Fehler vorlagen. Treten hier Probleme auf, liegt das in aller Regel an einer zu geringen Feldstärke, wodurch Datenpakete verloren gehen.

Abbildung 11: Welle.io für den DAB+-Empfang läuft selbst auf einem Raspberry Pi problemlos.

Neben dem verwendeten SDR-Gerät gibt die Software den empfangenen Kanal, dessen Frequenz und deren Korrektur aus. Welle.io läuft problemlos auch auf einem Raspberry Pi. In Kombination mit einem Touch-Display und einem SDR-USB-Stick bauen Sie damit zum kleinen Preis eine vollwertige DAB+-Empfangsstation auf.

GNU Radio

Wenn Sie in die SDR-Empfangstechnik einsteigen möchten, können Sie Ihre Konzepte mit GNU Radio entwerfen und testen. Eine Beschreibung der Möglichkeiten, die Ihnen diese Software bietet, würde den Umfang eines Artikels bei Weitem sprengen. Für den Einstieg besuchen Sie am besten die Dokumentationsseite des Projekts [11].

Fazit

Das Zusammenspiel von relativ preisgünstiger SDR-Hardware und Programmen wie CubicSDR ermöglicht ein Empfangserlebnis, wie es bis vor wenigen Jahren nur teurer und energiehungriger Funküberwachungstechnik vorbehalten war. Nach dem Kennenlernen einiger Grundbegriffe aus der Funkwelt und der Handhabung der verschiedenen Programme kann das Empfangsabenteuer beginnen. (jlu)