Wideband-Spectrum mit Funcube Dongle für GnuRadio

Wideband-Spectrum mit Funcube Dongle
für GnuRadio
Michael Hartje, DK5HH, Bremen, Germany
15. Juli 2012
Der FunCube Dongle (FCD) [2] ist ein USB-Stick für den Empfang zwischen
60 MHz und 1,7 GHz. Eine Vielzahl von SDR-Programmen [5] und auch GnuRadio
[3] erlaubt in einfacher Weise den Empfang in einem Spektrum von 96 kHz. Mit der
hier vorgeschlagenen Python-Prozedur wird das automatische Durchstimmen und die
Darstellung der Empfangssignale als Spektrum ermöglicht. Es basiert auf [4].
1 Installation
1. Installation von GnuRadio Version 3.5.3 oder neuer auf einem Linux. Alternativ kann
eine ältere Version von GnuRadio verwendet werden, in die zusätzlich nachträglich die
Bibliotheks-Routinen für FCD eincompiliert worden sind.
2. Installation Gnuplot und python-gnuplot für die Verbindung zwischen Python und Gnuplot.
3. Anschluss von FunCube-Dongle - wird als Sondkarte hw:1 angesprochen, dies kann über
Aufrufparameter gegebenenfalls geändert werden.
4. die Parameter DC-I-Oset, DC-Q-Oset, IQ-phase-Balance und IQ-gain-Balance sowie die
Frequency-corr. (in ppm) sind für den verwendeten FCD zu erproben und auch im Python-
Skript einzustellen. Ein falscher Wert für diese Parameter führt zu Empfang von Spiegelfrequenzen
und einem zusätzlichen Signal in der Mitte des Empfangsbereichs (96 kHz). Die
Messergebnisse werden dadurch beeinträchtigt.
2 Benutzung
Derzeit ist eine Nutzung nur unter Linux möglich. Da aber bereits GnuRadio für Windows
als vorcompilierte Version zur Verfügung steht, ist es möglicherweise auch unter Windows zu
verwenden. Wer es ausprobiert meldet mir (DK5HH) dies bitte zurück.
2.1 erster Aufruf
python fcd−wideband−spectrum . py
gibt eine Liste aller Parameter und einer kurzen Hinweis auf die Funktionsweise und Benutzung.
Dies hilft zur Orientierung, ist jedoch nicht unbedingt notwendig.
2.2 normaler Aufruf
python fcd−wideband−spectrum . py 144000000 146000000
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3 Funktionsweise der Prozedur
erlaubt einen Plot der Frequenzen von 144-146 MHz.
2.3 Aufrufparameter
zusätzliche Aufrufparameter werden bei Bedarf zusätzlich zu den beiden Frequenzgrenzen angegeben:
args beschreibt die Hardwareadresse des genutzten FunCube Dongle als Soundkartenadresse
des Systems
samp_rate ist beim FCD auf 96 kSample/s vorgegeben
gain Stellt die Verstärkung des Low Noise Ampliers (LNA) Vorverstärkers ein (in dB)
tune-delay Verzögerungszeit nach Einstellen der neuen Frequenz beim Durchlaufen des gewählten
Frequenzbereichs
dwell-delay Verweilzeit auf der jeweiligen eingestellten Mittenfrequenz; dient dazu, die in den
Puern noch bendlichen Abtastwerte der letzten Frequenzeinstellung für die neue Frequenz
ausreichend sicher zu ersetzen.
t-size gibt vor, mit wie vielen FFT-Bins (Frequenzpunkte) die Frequenztransformation vorgenommen
wird. Diese Zahl ist vorher als zeitliche Abstastpunkte vom FCD mit 96 kSample/s
zu liefern.
show-disp Zeigt während der Messung die gerade gemessene Mittenfrequenz sowie Mittel- und
Maximalwert zusätzlich auf StandardOUT an.
num-tests gibt die Zahl der Wiederholungen von gesamten Durchläufen durch das gewählte
Frequenzband an
3 Funktionsweise der Prozedur
Für einen zu untersuchenden Frequenzbereich von min_freq bis max_freq wird dieser in kleinen
Schritten durchlaufen. Die Schrittweite ∆f step beträgt
∆f step = 3 4 f samp_rate = 3 96 kHz = 72 kHz (1)
4
Sie führt zur Überlappung der einzelnen Messabschnitte. Mit einer Samplerate von 96 kHz
wird die Frequenz für jede Messung um 72 kHz versetzt.
Es werden im einzelnen nun t_len = 256 Abastwerte mit einer Abtastrate von 96 kHz
aufgenommen und in den Frequenzbereich transformiert. Vor dieser Fouriertransformation wird
ein Blackman-Harris-Fenster auf die zeitliche Messung angewendet, um somit ein möglichst fehlerfreies
Signal im Frequenzbereich zu erhalten und Fehler durch eine Rechteckfensterung zu
verringern. Es enstehen nach der Transformation 256 Frequenzpunkte - sogenannte Bins. Diese
haben einen Frequenzabstand
∆f bin = f samp_rate
fft len
=
96 kHz
256
= 375 Hz (2)
und beinhalten nun die Signalleistung in diesem Frequenzband von ∆f bin Breite.
Aus dem errechneten Spektrum mit 256 Werten wird der Mittelwert des Betrages und das
Maximum aller FFT-Bins als logarithmischer Wert ermittelt. Bezugsgröÿe (0 dB) ist ein Sinussignal
mit voller Aussteuerung nach Behandlung mit der Fensterfunktion. Es wird die Leistung
dargestellt.
Die Werte werden mit dem mittelsten Wert des aktuell gerade gemessenen Frequenzbandes
von 96 kHz in eine Zeile geschrieben. (3 aufeinander folgende Zeilen hier dargestellt)
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3 Funktionsweise der Prozedur
# Frequenz/Hz Mittelwert /dB Maximalwert/dB
85108000.0 −61.0323811229 −52.6974319553
85180000.0 −60.5301315731 −51.3511142129
85252000.0 −60.6840445172 −52.3867772847
Nach dem vollständigen Durchlauf von der kleinsten bis zur gröÿten Frequenz werden alle
Messwerte, die während der Messung in die Datei fcd-measure-power.dat geschrieben worden
sind auf die Datei fcd-measure-plot.dat umkopiert. Damit wird es möglich, schon während der
nächsten Messung dieser neue Datei zu plotten. Das geschieht mittels Gnuplot und dem Skript
plot-wideband-spectrum.gp. (Wenn wir die Messdatei noch weiter auswerten wollen, ist jetzt
Zeit, diese Datei zu kopieren oder umzubenennen).
Die Prozedur ist der im Gnuradio verfügbaren Prozedur usrp_spectrum_sense.py ähnlich.
Die Funktionsweise dieser Prozedur ist in dem Beitrag [1] weiter beschrieben.
An dieser Stelle soll auf die Parameter für Gnuplot nicht weiter eingegangen sondern auf die
Programmhilfe zu Gnuplot verwiesen werden. Mit den gewählten Parametern entsteht ein Plot,
der die Messpunkte mit Linien verbindet. Insbesondere bei einer hohen Anzahl von Messpunkten
(mehr als 300) kann ein solcher Übergang von einer Darstellung mit Punkten und den verbindenden
Linien hin zu einer Darstellung mit verbindenden Linien ohne explizit ausgezeichnete
Messpunkte die Darstellung verbessern.
Abbildung 1: Beispiel für einen Plot der Mittelwerte von 66 bis 122 MHz in Bremen
Das Bild 1 zeigt einen Frequenzausschnitt der Mittelwerte im Frequenzbereich zwischen 66 und
122 MHz. dabei wurde eine Innenantenne mit einem Draht von 30 cm Länge (nicht resonant im
dargestellten Frequenzbereich) in Bremen verwendet. Deutlich sichtbar sind gröÿere Amplituden
auf den Frequenzen der lokalen UKW-Stationen, aber auch im Bereich von 115 bis 122 MHz
Teile des lokalen Flugfunks (bei relativ geringem Abstand des Messortes zum Flughafen).
Durch Änderung der Parameter im Plot-Skript kann Mittelwert und Maximum gemeinsam
dargestellt werden.
Der deutlich unterschiedliche Amplitudenwert von Mittelwert und Maximum (zwischen 10
und 20 dB) im Frequenzbereich von 88-108 MHz entsteht durch die Modulation der in diesem
Frequenzbereich bendlichen Sender sowie dadurch, dass bei einer Samplerate von 96 kHz das
3

4 Listings
Abbildung 2: Beispiel für einen Plot von 65 bis 120 MHz mit Mittelwert und Maximum der
Leistungen
Aufnehmen von 256 Abtastwerten bereits einen Zeitraum von
1
∆t = 256 · = 2, 67 ms (3)
96 kHz
in Anspruch nimmt. Da auch die Frequenzverstimmung der jeweiligen Mittenfrequenz von
einem zum Nachbarwert über Parameter eingestellt eine zusätzliche Zeit von etwa 20 ms, zusammengesetzt
aus dwell-delay = 10 ms und tune-delay = 10 ms, in Anspruch nimmt, hat sich
bei breitbandig modulierten Signalen deren Amplitude bereits wieder verändert.
Ein Ausschnitt im folgenden Bild zeigt
Im Bild 3 ist deutlich das Absinken des Mittelwertes (rot) im Bereich von 1,0 bis 1,2 GHz
zu erkennen. In diesem Bereich hat der Tuner keinen Empfang, da der Local-Oszillator in diesem
Bereich nicht ordentlich synchronisert. Glücklicherweise ist in dem für den Amateurfunk
interessanten Bereich oberhalb 1,200 GHz wieder Empfang möglich.
Auch ist zu erkennen, das der Mittelwert mit der Frequenz nicht konstant ist. An den Stellen
218, 330, 430 und 670 MHz schaltet intern der FCD um, so dass anschlieÿend mit steigender
Frequenz ein höherer Rauschpegel entsteht, der aber mit weiter steigender Frequenz abnimmt.
Eine weitere Untersuchung ist bisher nicht durchgeführt worden.
Die vielen aus dem Rauschpegel herausragenden Spitzen sind zumindest im Bereich um 100
MHz, und im Bereich von 930 bis 960 MHz eindeutig auf einen Direktempfang von Sendern
mit dem oenem Antenneingang zurückzuführen. Es handelt sich um eine Einstrahlung in das
nicht schirmende Plastikgehäuse des FCD. Da aber selbst im Mobilfunkbereich bei 950 MHz
die entstehenden Amplituden nicht besonders hoch sind, kann im praktischen betrieb durch den
Parameter gain eine Anpassung an die geforderten Empndlichkeiten erfolgen.
4 Listings
4.1 Gnuplot-Steuerdatei
Aufruf innerhalb der Prozedur
4

4 Listings
Abbildung 3: Frequenzgang von 65-1700 MHz mit oenem Antenneneingang - dargestellt ist der
Mittelwert (rot, unten) und der jeweilige Maximalwert eines Spektralausschnittes
von 96 kHz (grün) (22000 Messpunkte)
Diese Datei beinhaltet die Steuerbefehle für Gnuplot. Die Beduetung ist über die Hilfefunktion
des Programms nachzuschlagen. Mit dem Zeichen # beginnt eine Kommentarzeile. Diese
werden auch genutzt, um 'derzeit' nicht aktivierte Programmteile zu deaktivieren
##
## gnuplot−commands f o r fcd−wideband−spectrum . py
s e t autoscale
unset l o g s c a l e
unset l a b e l
s e t x t i c auto
s e t y t i c auto
s e t format x "%.1 s %c"
s e t t i t l e "Wideband Spectrum Analyzer f o r FunCube−Dongle"
s e t x l a b e l "Frequenz / Hz −−−>"
s e t y l a b e l " Leistung / dB −−−>"
s e t term wxt
s e t grid
#s e t term pdf
#s e t out " fcd−measure−plot . pdf "
#plot " fcd−measure−plot . dat " using 1:2 t i t l e ' Mittelwert ' w lp ps 1
#s e t out
#s e t term wxt
plot " fcd−measure−plot . dat" u 1:2 t ' Mittelwert ' with l i n e s
# , ' ' u 1:3 t "Maxwert" with points
4.2 Python-Prozedur
Die notwendige Python-Prozedur ist als separate Datei verfügbar.
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5 Quellenverzeichnis
5 Quellenverzeichnis
Literatur
[1] Firas, A.: Some usrp-spectrum-sense.py explanations. Forum Gnu Radio. http://www.
ruby-forum.com/topic/174437. Version: 12 2008
[2] n.n.: FUNcube Dongle. http://www.funcubedongle.com/
[3] n.n.: www.gnuradio.org. http://www.gnuradio.org
[4] Ortega, S.: Wideband Spectrum Analyser. Forum Gnu Radio. http://www.ruby-forum.
com/topic/169964. Version: 11 2008
[5] Sonore, Editeur: Ham Radio Software from F6CTE. http://f6cte.free.fr/index_
anglais.htm. Version: 3 2011. F6CTE
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