HackRF One und Rad1o – 2 vielseitige SDR Transceiver

Das HackRF One Board ist ein flexibles Testmodul für die Funkmesstechnik, das wie ein Software Defined Radio (SDR) arbeitet. Es dient zu eigenen Versuchen und Messungen mit Open Source Programmen für SDR´s, eigenen Software-Entwicklungen für die HF-Technik und messtechnischen Versuchsaufbauten im Amateurfunk. Die Hardware wurde im Rahmen eines Kickstarter-Projektes als Open Source von Michael Ossmann aus den USA entwickelt und wird nun auch als kommerzielles Projekt vertrieben.

Der Hack RF One deckt einen weiten Frequenzbereich von 1 bis 6000 MHz (6 GHz) ab, und erfasst damit sehr viele Frequenzbänder für kommerzielle, experimentelle und Amateurfunk-Anwendungen. Die Hardware bietet eine maximale Abtastrate des Signales von 20MS/s, dadurch werden Messungen und Experimente auch mit breitbandigen Signalen wie DECT, WFM oder WLAN möglich (halbduplex). Der AD-Wandler arbeitet mit 8 Bit Datenbreite und erreicht somit einen theoretischen Dynamikbereich von 48dB. Die digitalisierten I/Q Daten werden auf einem nachgeschalteten CPLD weiterverarbeitet und über den integrierten ARM-Prozessor per USB ausgegeben.

Die gesamte Schaltung des HackRF Boards ist sehr stromsparend ausgelegt, sie wird komplett über USB versorgt. Die Platine hat eine Mikro-B USB Buchse, ein entsprechendes USB-Kabel ist im Lieferumfang enthalten. Um mehrere HackRF One Boards synchronisieren zu können, verfügen die Systeme über Takt Ein- und Ausgänge, zum Beispiel um mehrere Empfänger zu kaskadieren. So lassen sich zum Beispiel Messungen bei Mehrfach-Ausbreitung (MIMO) oder für Vollduplex-Systeme anstellen. Zwei Taster (Reset, DFU) und mehrere Diagnose-LEDs vervollständigen die Hardware-Ausstattung des HackRF Boards.

Die Platine ist professionell in 4 Lagen aufgebaut. Die Bestückung ist durchgehend mit SMD Bauteilen gemacht. Um eigene Entwicklungen zu unterstützen sind von allen wichtigen Funktionsblöcken viele Signale auf Steckerleisten heraus geführt. So stehen viele GPIO-Pins, aber auch Parameter-Ein- und Ausgänge des CPLDs zur Verfügung. Über einen JTAG-Anschluß ist der ARM-Prozessor programmierbar.

Die Schaltung
Das HackRF One Board zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität bei der Wahl des Signalpfades aus. An allen kritischen Stellen sind HF-Schalter untergebracht, die es erlauben die verschiedenen Funktionsblöcke des HF-Frontends wahlweise zu- oder wegzuschalten.
Von der Antenne kommend stehen zwei MGA-81 GaAs MMIC-Verstärker zur Verfügung – einer für die Eingabe, einer für die Ausgabe. Die Verstärker-ICs können durch HF-Schalter (SKY13317) umgangen werden.
Hinter dem Verstärkerblock kommen wahlweise zuschaltbare Tief- oder Hochpassfilter. Diese Filter können zur Begrenzung des Signales verwendet werden. Nach dem Filter geht das Signal auf einen HF-Mixer RFFC 5072, der bis 6 GHz einsetzbar ist. Hier wird das Signal entsprechend der Programmierung hinauf- oder hinuntergemischt und dem nachfolgenden Basisband-IC zugeführt. Mischer und Filterblock sind komplett abschaltbar, sodass das Baseband-Signal direkt auf die Verstärker oder auch direkt auf die Antenne geschaltet werden kann.
Als Baseband-Chip kommt ein Maxim MAX2837-Baustein zum Einsatz, der den Frequenzbereich von 2,3 bis 2,7 GHz abdeckt. Auf dem Chip kommen monolithische Filter zum Einsatz, die für eine niedrige Rauschzahl und eine gute Linearität des Signales Sorge tragen. Die IQ-Daten (Tx und Rx) des Messgerätes gehen dann weiter auf den nachfolgenden AD/DA-Wandler MAX5864. Der AD- ebenso wie der DA-Wandler arbeiten mit 8 Bit Breite. Maximal werden 22 MS/s unterstützt, in der Praxis sind 20 MS/s möglich. Vom AD/DA-Wandler gehen die digitalen Daten zur weiteren Verarbeitung zu einem Xilinx XC2C CPLD. Gesteuert wird der gesamte Aufbau über einen hochintegrierten und leistungsfähigen ARM-Dual-Core Cortex Prozessor (NXP LPC4320). Auf dem Board befindet sich ausserdem 1 MB Flash-ROM.

Die Software:
Derzeit (Herbst 2014) unterstützen „SDR-Radio“, „GNU Radi“‚ mit Osmocom und die Software „SDR“‚ (SDR Sharp) das HackRF Board. Durch die offene und lizenzfreie Softwarestruktur können sich jederzeit weitere Hersteller von Software dem Projekt anschliessen, mehrere SW-Autoren haben die auch bereits angekündigt. Aktuellste Informationen dazu findet man im Projekt-Wiki des Herstellers.

Ausführliche technische Informationen erhalten Sie auf der Webseite: https://greatscottgadgets.com/hackrf

Viele Funkamateure kennen SDR Konzepte wie das beliebte Softrock (http://wb5rvz.com/sdr/) oder das FiFi SDR (http://o28.sischa.net/fifisdr/). Wer nicht selbst bauen kann oder will findet mit kommerziellen Geräten wie den Transceivern von FlexRadio (http://www.flexradio.com/) oder den Geräten von ADAT (http://www.adat.ch/) auch fertige Transceiverlösungen der Spitzenklasse. Und sogar wer keinerlei Hardware bauen oder kaufen will, kann die Vorzüge von SDR nutzen, unter http://websdr.org/ findet man rund um die Welt verteilte SDR Empfänger mit Webschnittstelle, teils bis hinauf in den GHz Bereich.

HackRF

Das HackRF wurde im Rahmen einer Kickstarter Kampagne von Michael Ossmann ins Leben gerufen. Die Kampagne für das “HackRF jawbreaker”, auf deutsch “Zungenbrecher”, spülte innerhalb kurzer Zeit mehr als 600000 Dollar in die Kassen von Michael Ossmans Firma “Great Scott Gadgets” (https://greatscottgadgets.com/) und ebnete damit auch den Weg für das derzeit aktuelle HackRF One (https://greatscottgadgets.com/hackrf/).

Das HackRF One ist ein SDR Sender/Empfänger. Es kombiniert einen Transceiverbaustein mit einem externen Oszillator/Mischer. Der Transceiverbaustein von Maxim (MAX2837) überstreicht einen Frequenzbereich von 2.3 bis 2.7 GHz (ZF). Er unterstützt Kanalbreiten zwischen 1,75 und 28 MHz. Ein vorgeschalteter Mixer mit integriertem Synthesizer (RFFC5071/2) ist in der Lage, einen beliebigen Bereich zwischen 1 MHz und 6 GHz (HF) in den Bereich der ZF zu mischen.  Ein dem MAX2837 nachgeschalteter kombinierter Analog/Digital- und Digital/Analogwandler (MAX5864) arbeitet mit einer Sampelrate von bis zu 22 MS/s in Quadratur und ist damit in der Lage, ein bis zu 22 MHz breites Frequenzband in Echtzeit zu sampeln (ADC) oder zu erzeugen (DAC).

Damit wird es möglich, ein beliebiges 22 MHz breites Frequenzband aus dem Bereich zwischen 1 MHz und 6 GHz zu empfangen oder auszusenden! Das 10 MHz breite 70cm Amateurfunkband passt so z.B. zweimal komplett in den Sende- bzw Empfangsbereich, man kann das komplette 70cm Band in einem Rutsch beobachten oder “besenden”  und hat jeweils noch 5 MHz Luft nach unten und oben.

Der ADC/DAC wird durch einen leistungsfähigen ARM Prozessor gesteuert, der die Sampels per USB zum PC überträgt oder von dort empfängt. die 22MS/s in Quadratur passen dabei gerade noch in die Übertragungskapazität von USB 2.0. Der verwendete ARM Prozessor hat zudem noch ausreichend Reserven für weitere Anwendungen, die damit direkt auf dem HackRF laufen können.

Weitere auf dem HackRF vorhandene Hardware rundet das System ab, so findet man z.B. Pinheader für eigene Erweiterungen, einen CPLD und auch Takt Ein- und Ausgang zur Verbindung an externe Taktquellen und Senken.

Rad1o

Das Rad1o stammt aus dem Umfeld des CCC, der dieses anlässlich des CCCamp2015 entwarf und dort als sogenanntes “Badge” verteilen will. Das CCCamp2015 (Chaos Communication Camp) ist eine art Fieldday welchen der CCC (Chaos Computer Club) regelmäßig ausrichtet. Informationen zum CCCamp2015 findet man unter https://events.ccc.de/camp/2015/wiki/Main_Page.

Badges (auf deutsch Abzeichen oder auch Dienstmarke, Kennzeichen) haben auf Konferenzen eine lange Tradition. Überlicherweise handelt es sich um programmierbare elektronische Anzeigen für Namen oder Rufzeichen die zu jeder Eintrittskarte kostenlos hunzugegeben werden und an denen sich die Konferenzteilnehmer gegenseitig erkennen können.

Traditionell werden diese Badges immer komplexer, und so bekommt jeder Inhaber einer Eintrittskarte für das CCCamp2015 ein Rad1o.

Beim Rad1o handelt es sich um einen SDR Transceiver nach dem Konzept des HackRF. Der CCC gibt daher auch an, dass das Rad1o softwarekompatibel zum Hackrf ist. Schaut man sich die Unterschiede zwischen HackRF und Rad1o an, fällt sofort auf, dass das Rad1o über zusätzliche Peripherie verfügt. So sind neben einem Farbdisplay auch Bedienelemente, LEDs, Audio Ein- und Ausgänge, USB Ports und Bedtückungsmöglichkeiten für weitere Hardware (z.B. SD-Kartenleser) vorhanden. Eine 2.4 GHz Antenne ist in die Platine des Rad1o bereits integriert, eine Antennebuchse für Antennen für andere Frequenzbereiche kann aber nachbestückt werden. Das Rad1o verwendet einen anderen Mischer und einen anderen Oszillator als das HackRF. Dieser weist aber ähnliche Leistungsdaten wie der des HackRF auf, beide Geräte werden daher voraussichtlich nur minimal unterschiedliche HF Eigenschaften aufweisen. Der abgedeckte Frequenzbereich des Rad1o soll etwas kleiner sein, angegeben werden 50 MHz bis 4 GHz. Ob mehr geht, wird die Praxis zeigen, die verwendeten Bauteile erlauben in der Regel auch den Betrieb ausserhalb ihrer Spezifikation, mit kleinen Abstrichen.

Aktuelle Bilder des Rad1o zeigen eine auf dem Farbdisplay laufende Anwendung, das Rad1o macht also bereits Gebrauch von den Kapazitäten des ARM Prozessors, die beim HackRF noch weitestgehend ungenutzt sind.

Software

Für beide Gerätekonzepte existiert bereits eine Fülle an fertiger Software. SDR# und andere SDR Programme erkennen das HackRF und sollten wegen dessen Kompatibilität auch das Rad1o unterstützen. Der Anwender kann, je nach Software, ein 20 MHz breites Frequenzband auf einen Rutsch überschauen, z.B. das komplette UKW Rundfunkband. Das ist viel und braucht auch ordentlich Rechenleistung.

Richtig spannend wird es aber erst, wenn man anfängt, eigene Software zu schreiben, also den eigenen Sender oder Empfänger  in Software zu definieren. Das klingt sehr kompliziert, ist es aber nicht. Mit GNU Radio und GNU Radio Companion existiert ein komplettes Baukastensystem für den Entwurf von softwaredefinierten Sendern und Empfängern. Aus verschiedenen Funktionsblöcken kann der Anwender wie beim analogen Radiobasteln eigene Konzepte zusammenbauen, der Phantasie sind dabei keine Grenzen gesetzt. Darüber hinaus existiert zu beiden Geräten auch eine Softwarebibliothek mit deren Hilfe eigene Konzepte direkt in C/C++ umgesetzt werden können.

Beispiele für bereits umgesetzte Konzepte reichen von einfachen CW Transceivern bis hin zu kompletten GPS Emulatoren und Sendern für DVB oder DAB,

Michael Ossmann, einer der Köpfe hinter dem HackRF und mittlerweile auch Funkamateur mit eigenem Rufzeichen (AD0NR), bietet unter https://greatscottgadgets.com/sdr/ einen SDR Videoworkshop für Einsteiger in GNURadio an. Der Workshop ist an das HackRF angelehnt, funktioniert aber natürlich auch mit dem  Rad1o oder sogar den preiswerten RTLSDR Sticks. Softwarebasiertes Radiobasteln wird damit so einfach wie noch nie.

Eine schöne Webseite mit beispielhaft umgesetzten Projekten hat DL8RDS unter http://www.dl8rds.de/index.php/GNURadio_and_USRP2 erstellt. Die Beispiele beziehen sich zwar auf das USRP2 (ein weiteres kommerzielles SDR), lassen sich aber leicht für das HackRF/Rad1o abwandeln.

Hilfe beim Umgang mit GNURadio findet man übrigens auch in vielen Hackerspaces. Diese finden sich überall in Deutschland. In Erfurt z.B. in der Liebknechtstrasse (https://bytespeicher.org/). Hier finden regelmäßig SDR Workshops statt.

Quelle: https://www.hamspirit.de und http://www.wimo.com