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 Technik - Innovation - Kommunikation


Voll digitaler DDC/DUC Transceiver HiQSDR  (nach N2ADR) - was ist das denn?

Digitale Welt?

Eigentlich ist unsere Welt analog konstruiert.
Kein Vorgang in der Natur ist rein digital, es gibt immer eine "Grauzone" in irgendeiner Form - etwas das es in der digitalen Welt nicht wirklich gibt. Also sollte man meinen, dass auch die Hochfrequenztechnik am besten analog "bearbeitet" wird - und viele Jahre war das auch richtig so.
Die Technik hat sich seit den ersten Empfangsversuchen von Heinrich Hertz im Jahre 1886 bis zum heutigen Tage rasant fortentwickelt. Da bis vor einigen Jahren keine entsprechend leistungsfähige Digitaltechnik zur Verfügung stand, blieb den Technikern und Ingenieuren nichts anderes übrig, als die analoge Funktechnik zu dem heute (fast) perfekten Stand zu entwickeln.Die analoge Empfänger- wie auch die Sendetechnik hat nun einen Punkt erreicht, der auch mit viel Phantasie nicht mehr viel Entwicklungspotential aufweist. Da der Mensch aber schon immer mit dem Erreichten unzufrieden war, haben sich die Ingenieure etwas ausgedacht, um die eingefleischten Analog-Techniker zu ärgern:

Wir machen alles digital.

Na ja, ganz so schlimm ist das dann doch nicht, denn unzweifelhaft hat die Digitaltechnik auch ihre Vorteile:
Entweder sie geht - oder eben nicht, ganz anders als in der analogen Technik, wo man sich oft auf "Nebeneffekte" rausreden konnte um seinen Ruf als Entwicklungsingenieur zu wahren ;-))
Wenn man den Unterschied von analoger und digitaler Hochfrequenztechnik erklären möchte wird man selbst unweigerlich an einen Punkt kommen, wo man sich fragt ob das denn überhaupt sinnvoll ist.
Na ja, zum analogen Empfang eines AM-Signals brauche ich eine einzige Diode. Zum digitalen Empfang des selben Signals etwa 10.000 Transistoren, Multiplexer, Schaltmischer, I/Q-Signale, Gatter, Prozessoren, Speicher, AD-Wandler usw. eine Menge Kram halt.

Also zäumen wir das Pferd mal von hinten auf - warum sollte man also Hochfrequenztechnik digitalisieren?
Dafür gibt es eine Menge Gründe, manche besser als andere, aber mal der Reihe nach.
Einer, gar nicht mal der schlechteste Grund ist: Man möchte sehen, ob es denn überhaupt geht. Das liegt in der Natur des Menschen und war der Ausgangspunkt für viele Erfindungen. Dabei stellte sich oft heraus dass man plötzlich viele Probleme lösen kann, von denen man bislang gar nicht wusste, dass man sie hat ;-))
Genau so ist es mit der Digitalisierung in der Hochfrequenztechnik. Erst mit der Digitalisierung konnte man plötzlich Modulationsarten realisieren, bei denen man mit extrem wenig Leistung und Bandbreite Signale rund um den ganzen Globus schicken konnte. Mit steigenden Anforderungen wurde auch die digitale Technik immer kleiner und höher integriert und damit kam ein gänzlich unerwarteter Nebeneffekt zum tragen:  Je kleiner die Strukturen wurden, mit denen man die integrierten Schaltkreise baute, desto schneller wurden sie. Fast "automatisch" kam man so zu Bauelementen bei denen es eigentlich fast egal war, ob man 1, 10 100 oder 1000MHz durchschickt. Diese hohe Integrationsdichte zusammen mit der immer schneller werdenen Digital- und Prozessortechnik erlaubt uns nun die Realisation von Geräten, die in analoger Technik entweder zu groß, zu schwer, zu kompliziert, zu teuer oder gar nicht machbar wären - meist aber alles zusammen.

Die Integrationsdichte folgt interessanterweise einem von Menschen geschaffenem Gesetz - dem sog. Moorschen Gesetz, wonach sich alle zwei Jahre - grob gesagt - die Integrationsdichte verdoppelt. Es ist zwar das erste von Menschen erfundene "Gesetz" nach dem sich anscheinend die Natur richtet, aber immerhin beschert es uns den heutigen technologischen Stand. http://de.wikipedia.org/wiki/Mooresches_Gesetz

Alles in einen Chip!

Sicher, digitale Empfänger bzw. Transceiver gibt es schon einige Zeit, auch wenn sich das "digitale" meist nur auf den Mischer (Talyoe oder ähnliche Abwandlungen) beschränkt hat. Oft war auch die Dekodierung der I/Q-Signale (InLine und Quadratursignal) digital, da man dadurch jede beliebige Modulationsart per Software realisieren konnte. Der eigentliche Empfangs- oder Sendetrakt war aber dennoch meist analog aufgebaut, da sich Anfangs entweder die verfügbare Technik oder aber der Geldbeutel einer Digitalisierung direkt ab der Antenne widersetzte.Ab einem bestimmten Zeitpunkt wurden aber Analog-Digitalwandler möglich, die bezahlbar und schnell genug waren, um die (analogen) hochfrequenten Signale "direkt" ab Antenne zu digitalisieren und so die gesamte Verarbeitung von Eingang bis Lautsprecher, von Mikrofon bis Endstufe voll digital durchzuführen.
Parallel zu höherer Integrationsdichte und steigender Geschwindigkeit trat zunehmend ein anderes Problem
zutage: die Schaltungen wurden immer komplexer und aufwendiger und man musste für jede Neuentwicklung immer wieder viele dutzend integierte Schaltkreise zu eigentlich immer ähnlichen Blöcken zusammensetzen.
Wie schön währe es doch einen "Universalchip" zu haben, dem man einfach "sagt" welche Funktionsblöcke man haben will. Jeder kennt heute so eine Universallösung, man nennt sie "Mikroprozessor". Leider ist diese Lösung aber für viele Anwendungen zu langsam, denn so sehr man sich auch bemühte, reine Software war (und ist) durch die sequentielle Abarbeitung einfach zu langsam um viele Funktionen zu realisieren. Also kam man auf eine eigentlich einfache aber geniale Idee: Man baut "einfach" einen Chip, auf dem sich Abertausende relativ kleine Funktionseinheiten wie Gatter, FlipFlops, Addierer, Multiplizierer usw. befinden und "verdrahtet" diese Hardware durch einen speziellen Speicher, der die wahlfreie Verbindungen dieser einfachen Logikeinheiten gestattet. Nun hatte man einen universellen Chip, aus dem man eigentlich alles bauen kann, vom digitalen Lockenwickler bis zum Transceiver, in dem man ihm einfach mitteilt wie die Logikeinhaiten zu verschalten sind.
Diese "EierlegendeWollMilchSau" der Elektronik nennt man: FPGA - Field Programmable Logik Array
http://de.wikipedia.org/wiki/FPGA

Aber wie sag ich's meinem Chip? 

Irgendwie muss man dieser -erstmal "Dummen"- ansammlung von Logikteilen aber klarmachen, wie sie miteinander zu verschalten sind. Bei den Vorläufern der FPGA, den PLD's bzw. CPLD's war das noch per Hand möglich. Bei modernen FPGA's mit mehreren hundertausend Logikeineiten ist der menschliche Geist einfach nicht mehr in der Lage alleine diese Herrausforderung zu meistern. Diese komplexen FPGAs werden durch eine Schaltungsbeschreibungssprache, ähnlich einer Programmiersprache für einen Mikroprozessor beschrieben, die dann in die internen "Verdrahtungspläne" umgesetzt wird. Da all die vieltausendfachen Logikeinheiten gleichzeitig arbeiten können, erreichen diese FPGA's meist sogar eine höhere (!) Geschwindigkeit, als sie eine Realisierung der Schaltung mit externen integrierten Schaltkreisen hätte. Im laufe der digitalen Evolution sind verschiedene dieser Schaltungsbeschreibungssprachen entwickelt worden, heute wird fast ausschließlich "Verilog"  oder VHDL verwendet. http://en.wikipedia.org/wiki/Hardware_description_language 

Diese "Schaltungsbeschreibungssprachen" (was ein schönes Wort ;-)) sind trotz ihrer notwendigen Komplexität durchaus für einen einigermaßen geübten Programmierer erlernbar, sofern man sich ausreichend darüber im klaren ist, dass alles was man darin "programmiert" parallel, also "gleichzeitig" im FPGA abläuft. Im Gegensatz zu einem Programm für einen Mikroprozessor, in dem eine (pseudo) parallele Verarbeitung erst durch Zusatzmaßnahmen wie Echtzeitkerne o.ä. möglich wird, hat das FPGA das genau entgegegesetzte Problem: alles läuft gleichzeitg ab, man muss erst durch spezielle Konstrukte wie Taktflanken, Register oder "State Machines" dafür sorgen, dass etwas nacheinander abläuft..

Wo ist er denn nun - der Transceiver auf einem Chip?

...ein bisserl dauerts noch, aber er kommt!
Natürlich haben auch immer schon die Funkamateure versucht, der digitialen Versuchung nachzugeben. Die notwendigen Hardwarecompiler waren aber einfach zu teuer, so dass eine Realisierung meist nicht am Wissen, sondern einfach an der Verfügbarkeit bezahlbarer Beschreibungssprachen und natürlich ein bisserl an der Komplexität der FPGA scheiterte.
Vor einigen Jahren haben die Hersteller aber umgelernt und so bieten heute praktisch alle Hersteller von FPGA's kostenlose oder zumindest preiswerte Compiler für Verilog oder VHDL an, so dass auch dieser Stolperstein entfiel. Die Hemmschwelle, einen kompletten Transceiver digital in ein FPGA zu packen ist naturgemäß hoch, aber einige OMs die sich meist beruflich damit beschäftigen, haben hervorragende Lösungen erarbeitet. Eine Lösung ist z.B.das amerikanische Quicksilver Projekt http://www.srl-llc.com/  das nur einen Receiver realisiert oderaber das HPSDR-Projekt, das modular aus vielen einzelnen Modulen aufgebaut ist aber leider recht aufwendig aufzubauen ist. http://openhpsdr.org/ Eine der m.E. besten Lösungsansätze hat N2ADR auf siner Homepage http://james.ahlstrom.name/ vorgestellt und u.a. in mehreren Artikeln der amerikanischen Presse veröffentlicht: Er beschreibt auf seiner Homepage eine vollstängige Realisation eines Amateurfunk-Transceivers in einem FPGA, von den Verilog-Quellen über die Schaltung bis hin zur PC-Software QUISK,
die die Modulation / Demodulation und Bedienung des Transceivers erledigt.
Mittlerweile habe sich auch einige deutsche OMs mit dem Nachbau des N2ADR TRX beschäftigt, u.a, DL7LA und DL7IY die den N2ADR-SDR erfolgreich nachgebaut und in einem Artikel in der Zeitschrift "Funkamateur" sehr gut beschrieben haben. Die Homepage von DL7LA ist übrigens recht lustig zu lesen und in vieler Hinsicht informativ und lesenswert, unter anderem beschreibt er sehr viele digitale Mischer sowie deren Vor- und Nachteile: http://www.mydarc.de/dl7la/

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