SDR Software Defined Radio
FUNcube Dongle Pro
SDR Empfänger: 64 MHz bis 1700 MHz,
Seit 2008 ist unter dem Namen FUNcube-Dongle ein kleiner SDR-Empfänger (Software-Defined-Radio) erhältlich, der einem relativ großen Frequenzbereich überstreicht. Der Empfänger wurde von Mitgliedern der britischen AMSAT Vereinigung entwickelt und wird inzwischen auch in Deutschland vertrieben.
Der sogenannte FUNcube Dongle ist eigentlich gedacht als bodengebundener Empfänger für den kleinen Amateursatelliten FUNcube der britischen AMSAT Vereinigung. Der Satellit selbst dient als experimentelle Plattform um Schulen und interessierten Amateuren einen einfachen Zugang zur Satellitentechnik zu ermöglichen. Mit einer Größe von ca. 10 x 10 x 10 cm wird der würfelförmige Satellit als gebührenfreie Fracht bei einem kommerziellen Satellitenstart in eine Erdumlaufbahn befördert.
Da der FUNCube-Dongle auch die verschiedenen radioastronomischen Bänder abdeckt, liegt es sehr nahe seine Eignung als preiswerten Empfänger für diverse extraterrestrische Radioquellen näher zu untersuchen.
Hardware:
Der FUNcube Dongle ist in Größe und Form vergleichbar mit einem USB Speicherstick. Auf der dem USB Anschluß gegenüberliegenden Gehäuseseite befindet sich eine SMA-Buchse zum Zuführen des Antennensignals. Das kleine Gehäuse birgt eine mächtige digitale Radiosiganlaufbereitung. Vorverstärker, Filter, Mixer und Zwischenfrequenzkomponenten befinden sich ausnahmslos auf dem winzigen Board. Zusätzlich enthält der Print auch einen Microprozessor der zur Steuerung der einzelnen Komponenten und zur Kommunikation mit einem angeschlossenen Computer dient.
Im Internet gibt es inzwischen einige Informationen zur ersten Inbetriebnahme des SDR und zum Einsatz als Empfänger im Zusammenhang mit diversen Auswerteplattformen. Unter "Weblinks, weitere Projekte" sind die interessantesten davon gelistet.
Der FCD ist ursprünglich für den Empfang der Radiosignale des FUNcube Satelliten entwickelt worden. Es gibt deshalb auch eine preiswerte Version bei der nur die benötigten Satellitenbänder zum Empfang freigeschaltet sind. Diese Version ist speziell für Schulen gedacht, die einen pädagogischen Ansatz verfolgen und das Thema Satellitentechnik in den Unterricht einbauen wollen.
Der hier vorgestellte FUNcube Dongle PRO arbeitet zwischen 64 MHz und 1700 MHz. Durch die geringe Bandbreite von ca. 80 KHz ist die ordentliche Decodierung von Nachrichten und TV-Sendungen nur eingeschränkt oder gar nicht möglich. Für die Verarbeitung von schmalbandigen Amateurfunkaussendungen ist er jedoch ganz gut geeignet. Die Empfindlichkeit ist ausreichend. Das Eigenrauschen ist gering, der Rauschteppich liegt bei ca. -110 dBm. Die eingebauten Filter und Verstärker sind nicht für radioastronomische Zwecke konzipiert. Deshalb ist eine Erprobung bei verschiedenen Empfangsfrequenzen mit unterschiedlichen Signalquellen notwendig, um das Verhalten des SDR zu erfahren.
Software-Defined-Radio:
SDR kann wie folgt beschrieben werden: Ein Radioempfänger bei dem alle physikalischen Funktionen zum Verarbeiten der empfangenen Radiowellen mit geeigneter Software auf digital programmierbarer Hardware durchgeführt werden.
Der FCD hat auf Grund seiner Hardwareausrüstung eine nutzbare Bandbreite von ca. 80 KHz. Diese Bandbreite ist für etliche radioastronomische Versuchszwecke am Kontinuum sicherlich noch ausreichend. Sonnenstürme, die sich nicht selten über weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums erstrecken, sind damit jedoch nicht darstellbar. Hierfür ist e-callisto besser geeignet. (siehe => Linkseite/Weblinks)
Für die Parametrisierung des FCD wird ein von AMSAT ein Softwaretool empfohlen, dass auf der Website des FCD in der jeweils aktuellsten Version zum download steht. Mit Unterstützung dieses Tools lassen sich alle Variablen des SDR Empfängers einstellen. Dazu gehören zum Beispiel die Empfangsfrequenz, die Verstärkungsregelung einzelner Verstärkerstufen sowie die Eigenschaften diverser Filter.
Grundsätzlich liefert die FCD-Hardware auf Grund der Quadraturdemodulation zwei Ausgangssignale, die im Anschluss im Computer mit einer geeigneten Software weiterbearbeitet und zur Anzeige gebracht werden. Dafür wird von AMSAT das bei Amateurradioastronomen sowie Amateurfunkern bereits bekannte Tool SpektraVue vorgeschlagen. Dieses Programm arbeitet mit verschiedenen auf dem Markt erhältlichen SDR-Empfängern zusammen. Es ist in der Lage sowohl die Rohdaten in der Time-Domain darzustellen, als auch Frequenzspektren aus den Rohdaten unter Zuhilfenahme von schnellen Fouriertransformationen zu berechnen und anzuzeigen.
Mit Ausnahme von zwei Abgleichmaßnahmen soll an dieser Stelle nicht näher auf die grundlegenden Schritte der Installation von FCD und SpektraVue auf einem PC oder Notebook eingegangen werden. Im Anhang sind ausreichend Informationen zu finden, deren Befolgung eine erfolgreiche Installation des FCD und der gebräuchlichen Software zur Darstellung der Spektren garantieren.
Zum einen erscheint es wichtig kurz auf die Frequenzablage der Centerfequenz einzugehen. Durch Bauteilstreuung weist jeder FCD eine etwas andere Ablage der eingestellten Centerfrequenz von der tatsächlichen Empfangsfrequenz auf. Über eine Funktion mit dem Namen Frequenz Correction wird diese Ablage beseitigt. Dazu wird zum Beispiel die Frequenz einer schmalbandigen Amateurfunkbake über das Controllerinterface eingestellt. Dann wird mittels der Funktion Correction Factor die Anzeige der Bake mit der Centerfrequenz zur Deckung gebracht. Der Correction Factor wird in Parts per Million (ppm) der jeweils eingestellten Centerfrequenz gerechnet. Wird zum Beispiel eine Bake im 70 cm Amateurfunkband bei 432,444 MHz benutzt, so errechnet sich die tatsächliche Frequenzablage aus der nach der zur Deckung gebrachten Signalanzeige über den nun eingestellten Correction Factor. Bei einem jetzt eingestellten Wert von zum Beispiel 999975 ergeben sich 25ppm. Multipliziert mit der eingestellten Empfangsfrequenz von 432,444 MHz errechnet sich eine Frequenzablage von 8,58 KHz. Ist diese Justage am FCD einmal durchgeführt, so arbeitet der kleine SDR-Empfänger erstaunlich genau über das gesamte Frequenzband. Eine Überprüfung an Hand von zwei weiteren Amateurfunkbaken im 2 Meter Band und bei 23 cm hat das bestätigt.
Zum anderen müssen die systembedingten Gleichspannungsanteile der beiden Kanäle I (In-Phase-Signal) und Q (Quatratur-Signal) minimiert werden. Das erfolgt am einfachsten mit der Funktion Phasendarstellung von SpectraVue. Hierbei kann ebenfalls eine Bake benutzt werden. Üblicherweise sendet eine Bake eine Tonfrequenz aus, die in der Phasendarstellung von SpektraVue einen Kreis zur Folge hat. Der Mittelpunkt des Kreises ist durch verändern der Gleichspannungsbeiwerte für I (DC I) und Q (DC Q) auf den Mittelpunkt der dargestellten Koordinatenkreuzes zu legen, dann sind alle Gleichspannungsanteile minimiert und der Zentrale Peak auf der eingestellten Empfangsfrequenz verschwindet bei normaler Skalierung (3 dB/Teiler) fast vollständig.
Vor einigen Jahren konnte ich eine gebrauchte Parabolantenne mit Mast kostengünstig erwerben. Die Antenne diente ursprünglich als TV-Kopfstelle. Die vorhandene X-Band Einrichtung der ursprünglichen Antennenanlage habe ich gegen ein spezielles Feed für 1,4 GHz ausgetauscht. Ein rauscharmer Vorverstärker ist im Radom am Primärfokus untergebracht. Da die schwere Montierung keine Motorisierung besitzt, arbeitet die Antenne als Transitinstrument. Damit ist die Blickrichtung auf den Süd-Meridian bei 180° festgelegt. Die Elevation, also die Höhe der Blickrichtung über dem Horizont ist mittels handbetriebener Mechanik von ca. 30° beginnend bis auf gut 55° einstellbar. Unter 30° Elevation verhindern Baumbestand und Reflexionen an nahen Hügeln einen ungestörten Empfang.
Im Primärfokus des Parabolspiegels, der 370 cm Durchmesser hat, befindet sich eine kleine Scheiben-Yagi-Antenne,die den Reflektor ausleuchtet ohne über dessen Rand zu blicken. Dadurch wird so gut wie kein Rauschsignal vom terrestrischen Hintergrund erfasst. Unmittelbar am Fußpunkt der kleinen Antenne ist ein rauscharmer Vorverstärker platziert, der das Eingangssignal um 33 dB (Faktor 2000) anhebt. Eine dämpfungsarme Koaxialleitung führt das Empfangssignal darauf hin zu einem Schaltkasten am Antennenmast. Dort wird das Signal noch einmal um 13 dB verstärkt und über eine 20 Meter lange, verlustarme Koaxialleitung in den Radioraum geführt. Dieses Frontendsystem verfügt über 20 MHz Bandbreite.
Das Empfangssignal gelangt ohne weitere Verstärkungs- und Filtermaßnahmen direkt über ein kurzes, flexibles Adapterkabel auf den SMA-Eingang des FUNcube Dongle. Dieser war für die Beobachtungen in der Regel auf die Linienfrequenz des neutralen Wasserstoffs bei 1420,405 MHz eingestellt. Für die Beobachtung von Sonne oder Mond ist die exakte Empfangsfrequenz in diesem Frequenzband zunächst ohne Bedeutung, da beide Körper verglichen mit fernen Radioquellen eine relativ starke Strahlungsintensität über weite Bereiche der Radiofrequenzspektrums aufweisen. Der zugehörige Strahlungsfluss wird in der einschlägigen Literatur für die klassischen Frequenzen der Radioastronomie sehr gut beschrieben. Für die Sonne werden täglich neue Werte des sogenannten Solar Flux Index veröffentlicht. Damit kann die eigene Messung an Hand der Literaturwerte ausgezeichnet überprüft werden.
Vorverstärker war bei diese mitgeteilt bekommt.
Für eine Darstellung des Empfangssignals habe ich Spektra-Vue verwendet. Dieses Freeware Programm stellt ein mächtiges Werkzeug dar, mit dem umfangreiche Auswertungen an den empfangenen Signalen durchgeführt werden können. Für meine heutige Betrachtung habe ich die Darstellungsart „Continuum“ ausgewählt, weil dabei das Signalverhalten über eine Zeitachse zur Anzeige kommt. Die Skalierung der Grafik kann sowohl im Dynamikbereich als auch in der Aufzeichnungsdauer in weiten Grenzen selbst bestimmt werden. Ideal ist dabei, dass die Intensität des empfangenen Signals in der Einheit Dezibel ausgegeben wird. Damit können relativ einfach Berechnungen zur Temperatur der Strahlungsquelle, der Temperatur des Empfangssystems und des Strahlungsflusses der Quelle durchgeführt werden. Nach dem alle Vorbereitungen abgeschlossen wurden ist nun etwas Geduld notwendig. Denn bei einem Transitinstrument ist immer der jeweilige Zeitpunkt abzuwarten, zu dem sich die gewünschte Quelle am Firmament durch den Blickwinkel der Antenne bewegt. Nur dann ist die Quelle für das Empfangssystem sichtbar. Für die ersten Versuche habe ich mir ganz einfach die Sonne als Ziel vorgenommen. Damit kann ich einerseits eine erste Messreihe gewinnen und gleichzeitig die Ausrichtung der Antenne an Hand des Schlagschattens vom Antennen-Feed im Zentrum der Schüssel überprüfen. Schwere mechanische Gebilde sind leider nicht ohne weiteres exakt zu positionieren. Dagegen lässt sich selbst ein optisches12“ Spiegelteleskop in Bezug auf eine genaue Ausrichtung bedeutend einfacher handhaben als ein metergroßer, tonnenschwerer Parabolspiegel.
Die Sonne ist für uns auf der Erde der stärkste Radiostrahler am Himmel. Die Strahlungsintensität ist im Lauf der Zeit nicht immer gleich stark. Sie schwankt in unterschiedlichen Zyklen mehr oder weniger stark. Die bekannteste dieser regelmäßigen Erscheinungen ist der elfjährige Sonnenfleckenzyklus. Dabei nimmt die Aktivität von Flecken, Fackeln und Ausbrüchen auf der Sonne gut fünf Jahre lang zu. Nach einem Maximum fällt die Aktivität dann gut fünf Jahre lang ab bis ein Minimum erreicht ist. Danach beginnt der Zyklus von neuem. Im Lauf der Zeit werden dabei sich verstärkende oder vermindernde Emissionen im Bereich der Radiostrahlung beobachtet. Deshalb spricht man zum Beispiel im Minimum eines Zyklus von einer ruhigen Sonne. Deren spektraler Strahlungsfluss nimmt zu kürzeren Wellenlängen zu. Im Maximum eines Zyklus wird im Gegensatz dazu von einer aktiven Sonne gesprochen, deren spektrales Strahlungsmaximum bei den Meterwellen zu finden ist.
Für meine Beobachtung habe ich einen Tag ausgesucht, an dem der Neumond neben der Sonne am Himmel steht. Am 16. September 2012 befindet sich der Mond am Tageshimmel unsichtbar nur wenige Grad unter der Sonne und durchläuft den Süd-Meridian nur wenige Minuten nach der Sonne. Mit einem kleinen vertikalen Schwenk des Parabolspiegels ist es dadurch möglich kurz nacheinander beide Quellen zu erfassen und zu messen. Nachdem Spektra-Vue die Signalstärke in dB darstellt, ist es auch möglich über den Vergleich von zwei Messpunkten (Heiß/Kalt-Methode) die Strahlungsintensität einer Quelle zu ermitteln.
Für den Versuch habe ich in Spektra-Vue eine Skalenteilung von ganzen dB Schritten für die Intensität gewählt, weil die Radiostrahlung der ruhigen Sonne bei einer Frequenz von etwa 1,5 GHz in der Literatur mit ca. 6 dB über dem Systemrauschen angegeben wird. Der Bildschirm stellt jetzt vertikal 10 dB dar. Der Mond dagegen sollte nur einen Signalanstieg von gut einem dB über dem Rauschen beim Durchgang durch das Antennensichtfeld verursachen. Für die Zeitachse habe ich eine Messung im Abstand von jeweils 10 Sekunden festgelegt, um den kompletten Durchgang auf dem Bildschirm darstellen zu können. Für eine vollständige Transitaufzeichnung werden wenigstens 30 Minuten benötigt. Das ergibt sich aus folgender Überlegung: Die Sonne legt in einer Stunde 15° Wegstrecke am Himmel zurück. Daraus errechnet sich für ein Grad eine Zeitdauer von 4 Minuten. Der Parabolspiegel hat eine HPBW von knapp 3,5°. Damit werden für einen Durchgang 3,5 x 4 = 14 Minuten benötigt. Um in der Aufzeichnung den gesamten Anstieg und Abfall der Intensität sowie das Grundrauschen des Systems zu sehen, empfiehlt es sich vor und nach dem Durchgang das Signal des Hintergrundrauschens eine Zeit lang mit aufzuzeichnen.
Als weiteres Hilfsmittel habe ich ein frei verfügbares Astronomieprogramm mit Namen Skychart eingesetzt. Damit kann man sehr anschaulich den gewünschten Himmelsausschnitt darstellen. Die Halbwertsbreite der Antennenkeule (HPBW) lässt sich sehr schön als Zielkreis einblenden. Das Programm sorgt selbständig für die Aktualisierung des Kartenausschnittes im Sekundentakt und zeigt so den Durchgang der Quelle durch den Empfangsbereich der Antenne.
Im nebenstehenden Bild ist die Situation bei AZ = 180° sowie EL = 42° am 16. September 2012 um 13:06 Uhr CEST dargestellt. Die später beschriebenen Messreihen wurden unter dieser Konstellation auf gezeichnet.