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Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP Empfänger nach DD4WH mit Fast Convolution


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Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Im Empfänger von Frank Dziock, (Rufzeichen DD4WH) werden verschiedene 
innovative DSP- Algorithmen verwendet, deshalb habe ich für meinen 
Beitrag dieses Forum gewählt.
Die Hardware besteht im Wesentlichen aus einem SI5351 DDS- Generator, 
einem Tayloe- Mischer und als Prozessor dient ein "Teensy3.6"- Modul.
Für die Umsetzung der HF in das Basisband habe ich eine Platine 
entworfen, bestückt mit FST3253 (Tayloe- Mischer), LT6321 (NF- 
Verstärker) und 74ALVC74 (Vorteiler 4:1) und mit PLatz für die SI5351- 
Baugruppe (von SV1AFN).

Frank hat die Software, die mit der Arduino- IDE übersetzt werden kann, 
hier offengelegt:
https://github.com/DD4WH/Teensy-ConvolutionSDR/

Mich persönlich interessieren ganz besonders die verschiedenen 
Algorithmen zur Signalverarbeitung.
Deshalb habe ich ein Exemplar aufgebaut und erfolgreich in Betrieb 
genommen.
Grüße aus dem Vogtland,
Wolfgang

: Bearbeitet durch User
Autor: Martin O. (ossi-2)
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Wie entwickelt man Software für das Teensy Board ?

Autor: Christoph db1uq K. (christoph_kessler)
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Da steht, das geht mit Zusatzsoftware zur Arduino-Entwicklungsumgebung
https://www.sparkfun.com/products/14057
"...or you can install the Teensyduino add-on for the Arduino IDE and 
write Arduino sketches for it"

Ich wundere mich immer noch, wie OM Tayloe ein seit Jahrzehnten 
bekanntes Schaltungsprinzip Anfang der Neunziger patentieren lassen 
konnte.

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Christoph db1uq K. schrieb:
> das geht mit Zusatzsoftware zur Arduino-Entwicklungsumgebung

... oder mit einer IDE eigener Wahl.
Also z.B. mit C und einer C- IDE, z.B. EmBitz, ...

Autor: Thomas U. (thomasu)
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Martin O. schrieb:
> Wie entwickelt man Software für das Teensy Board ?

Das ist recht easy! Sieh dir mal die Doku dazu an. Es gibt auch 
spezielle Libs von user für Messtechnikanwendungen und USB.

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Falls jemand keine Lust verspürt, die Software selber 
zusammenzustricken,
kann er meine übersetzte Datei ausprobieren:
Vielleicht hilft es, die fertig compilierte Datei zu verwenden. Sie ist 
hier:
http://wkiefer.de/x28/test/Teensy_Convolution.hex

Den Lader findet man hier:
https://www.pjrc.com/teensy/loader_win10.html

Meine HW- Verbindungen habe ich nochmals beschrieben:

http://wkiefer.de/x28/test/Teensy_DD4WH.xls

: Bearbeitet durch User
Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Nach dem Studium des Quellcodes würde ich folgende neue Struktur 
vorschlagen:
DD4WH Convolution SDR

1_Settings
1_1_Buttons_encoders
1_2_Zoom_factors
1_3_Sample_rates
1_4_Modulation
1_5_Frequency_bands
1_6_Constants
1_7_Display_constants
1_8_Menu_settings
1_9_Menu_text
1_10_Windowing
1_11_Filter_constants

2_Global_variables
2_1_FFT_structures
2_2_Arbitrary_variables

3_Receive_functions
3_1_General_functions
3_1_1_DC_rejection_and_mixer
3_1_2_Digital_convolution
3_1_3_Filter_design
3_1_3_Filters
3_1_4_WFM_demodulation
3_1_5_AM_demodulation
3_1_6_SSB_demodulation
3_2_Utilities
3_2_1_I_Q_balancer
3_2_2_AGC
3_2_3_Noise_blanker
3_2_4_Noise_reduction
3_2_5_SSB_autoTune

4_User_interface
4_1_User_input
4_2_Screen_output
4_2_1_Menu
4_2_2_Spectrum
4_2_3_Time_date

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Woher Hast Du Dein Display und woher die Si5351 Baugruppe?
Wird das Display mit 5V versorgt oder mit 3.3V?

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Hallo Martin,

Display (mit Touchscreen):

https://www.ebay.de/sch/i.html?_from=R40&_trksid=m570.l1313&_nkw=TJCTM24024-SPI+2%2C4%22+TFT+240&_sacat=0

SI5351A Modul:
Ebay-Artikel Nr. 152138743695

War beides bereits vorhanden.
Herzliche Grüße, Wolfgang

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ich finde die Liste der Verdrahtungen etwas verwirrend. In Spalte G 
fehlt die Überschrift, muss vermutlich "audio-shield" heissen. In der 
gr0ssen Tabelle wäre es meiner Meinung  nach besser, statt der Sterne 
die jeweiligen Bezeichnung des Pins darzustellen. In der ersten Spalte 
sollte dann stehen
GPIO1, GPIO2 , usw. Oder verstehe ich die Tabellen falsch?

Autor: Kalle (Gast)
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Hallo Wolfgang,

ein sehr interessantes Projekt! Kannst du eine Aussage treffen, bis zu 
welchen Frequenzen der Mischer aus dem Multiplexer-IC sinnvoll 
einsetzbar ist?

Und noch ein kleiner Hinweis:
DH1AKF W. schrieb:
> Die Hardware besteht im Wesentlichen aus einem SI5351 DDS- Generator,
Der SI5351 ist kein DDS-Generator.

Viele Grüße

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Martin O. schrieb:
> In der ersten Spalte
> sollte dann stehen
> GPIO1, GPIO2 , usw.

Nein, es sind die Anschlusspins der Teensy3.6 Baugruppe gemeint.

Kalle schrieb:
> bis zu
> welchen Frequenzen der Mischer aus dem Multiplexer-IC sinnvoll
> einsetzbar ist

... Da bin ich selber gespannt, ob man vielleicht die 3. Harmonische 
ausnutzen kann, um das 2 m- Band zu empfangen. Aber zunächst geht es mir 
darum,
- das Programm überschaubar zu strukturieren,
- die Bedienerführung zu verbessern und
- den vorhandenen Touch- Screen zu nutzen.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Gibt es eigentlich eine Bedienungsanleitung zu den diversen 
Bedienelementen?
Ich werde da nicht so recht schlau draus.

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Hallo Martin,
das Einzige, was ich finden konnte:
https://github.com/DD4WH/Teensy-ConvolutionSDR/wiki/Menu

Autor: Ludger (Gast)
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Hallo Wolfgang,

gibt es irgendwo eine kompilierte version OHNE eeprom_load() ?
Mein sdr scheint festzuhängen.

Ludger

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Liebe Funkfreunde,
ich habe mehrere Versionen des Programms zusammengestellt (mit Quarz 
25/27 MHz).
Wenn Sie das Programm zum ersten Mal starten, benötigen Sie
- die SD-Karte wird in das Hauptmodul (4 ... 8 GB und nicht in das 
Audiomodul) eingesetzt.
- Das Programm zum ersten Mal mit "...first_time.." verwenden.
Dann beginnt Teensy. Der Bildschirm zeigt bereits ein Bild.
Jetzt ausschalten und das Programm "... run..." benutzen.
Dann sollten die Tasten und Encoder funktionieren.
73 + 55, Wolfgang (DH1AKF)

http://wkiefer.bplaced.net/funk/TEENSY_RX/

Autor: Ludger (Gast)
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Hallo Wolfgang,

das ging ja schnell...

zwischen der "firsttime" und der "run" Version MUSS man die 
Einstellungen mit "save EEprom" sichern, sonst geht's nicht.

Ludger

Autor: Ludger (Gast)
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Hallo Wolfgang,

der SDR läuft soweit, aber es gibt das Problem das ich auf 57,5 kHz den 
Sender 139 kHz höre.
Das habe ich so nicht erwartet. Im Moment interessiert mich vor allem 
der VLF Bereich.
Als Antenne habe ich ein Mini Whip.

Ludger

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Es könnte sein, dass der Tayloe Mischer auf einer Oberwelle die 139kHz 
mischt. Welche Samplerate verwendest Du?

Autor: Ludger (Gast)
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Ich verwende die Hex-Datei, die Wolfgang online gestellt hat. Die 
Samplerate ist damit 96kHz. Es scheint wirklich 2. Oberwelle vom 
Oszillator zu sein, die sich da mischt.

Ludger

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Rechnerisch kommt es hin mit der 2. Oberschwingung: Der SDR stellt 
seinen LO auf 4*(fRX+fSample/4)=4(57.5kHz+96kHz/4)=4*81.5 kHz. Die 
zweite Oberschwingung des LO liegt bei 4*81.5kHz*2=4*163kHz, die 163kHz 
mischen sich mit 139kHz und ergeben wieder die Zwischenfrequenz 
163-139=24kHz.

Trotzdem kann da was nicht stimmen, denn der Rechteck des Tayloe 
Mischers hat normalerweise keine (oder sehr schwache) geradzahligen 
Oberschwingungen.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ich kann mit Samplerate 48kHz den Sender RTL (auf 234kH) auf 62kHz 
empfangen. Das entspricht der 3. Oberschwingung.

RTL auf 234 kHz müsstest Du ganztägig stark empfangen können. Dann noch 
die BBC auf 198 kHz.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ich hab mal versucht bei 48k Samplerate (=12k IF) zu sehen, auf welchen 
Frequenzen ich einen Sinus von 120k "Empfangen" kann. Das war an den 
Stellen 120kHz,54kHz,42kHz und 32kHz und eventuell noch mehr.

Autor: Ludger (Gast)
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Hallo Martin,

"Trotzdem kann da was nicht stimmen, denn der Rechteck des Tayloe
Mischers hat normalerweise keine (oder sehr schwache) geradzahligen
Oberschwingungen."

Das behauptet die Uni Twente auch, das Tayloe Mischer nur Probleme mit 
den ungeradzahligen Oberwellen haben.

https://www.pa3fwm.nl/technotes/tn17c.html

Welchen QSD, mit welchen Kapazitätswerten verwendest Du ?

Ludger

Autor: Martin O. (ossi-2)
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@ludger: Was bedeutet QSD ?
Mein Tayloe Mischer besteht aus nem 74AC74 mit CD4066 und dann relativ 
kleine Kondensatoren so dass ich vermutlich mindestens 100kHz Bandbreite 
habe.

Ich habe vorhin mal folgendes Experiment gemacht: Ich hab den 
FastConvolutionSDR auf 50kHz Empfangsfrequenz abgestimmt und dann einen 
durchstimmbaren Sinus auf den Eingang gegeben. Dann hab ich geschaut 
welche Frequenzen empfangen werden: das waren
50kHz,112kHz,136kHz,175kHz,198kHz,236kHz,260kHz,298kHz und eventuell 
noch weitere. Die Abstände zwischen den Empfangsfrequenzen sind 24kHz 
oder 38kHz oder 62kHz=38kHz+24kHz. Die 62kHz sind 50kHz+12kHz, die 38kHz 
sind 50kHz-12kHz Abtastrate war 48kHz, d.h. 12 kHz Zwischenfrequenz. Der 
SDR regelt aber irgendwie die Amplitude nach, so dass ich die 
Empfangsfeldstärken nicht wirklich messen konnte. Es gibt aber "dicke" 
Signale und schwächere Signale.

Autor: Ludger (Gast)
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QSD steht für Quadratur Sampling Decoder.

Mein Tayloe arbeitet mit einem FST3253, 74HC74 und einem OPA2356.
Die Schaltung habe ich schon mit verschiedenen Kondensatoren/Bandbreiten 
gesehen. Als ADC habe ich ich ein Teensy Audioboard. Der verwendete 
SGTL5000 hat wohl auch keinen Tiefpass, so das er höher frequente 
Anteile heruntersampled. Das ganze Konzept scheint auf VLF nicht so gut 
zu funktionieren.

Ludger

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Der SGTL5000 hat, denke ich, ein Anti-Aliasing Tiefpassfilter eingebaut, 
das sich mit der Abtastrate umschaltet. Zumindest in meinen Messungen 
sieht es so aus.

Mir ist noch völlig schleierhaft, warum mein (und Dein) Tayloe Mischer 
auf der zweiten Oberschwingung empfängt. Alle Messungen an meinem 
Mischer bestätigen das, auch Messungen am Tayloe ohne 
TeensyConvolutionRx. Ich hab den Tayloe mal mit SPICE simuliert, da 
empfängt er nicht auf der zweiten Oberwelle.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ich glaube ich weiss warum mein (Dein) Tayloe auf der zweiten Oberwelle 
empfängt. Zuerst mal habe ich den Tayloe ohne OpAmp betrieben. Dann 
"empfängt" er nicht auf der zweiten Oberwelle. Daraus folgt, dass 
vermutlich der OP entscheidend ist. Ich glaube dass bei niedrigen LO 
Frequenzen die Kondensatoren im Tyloe das HF-Signal  nicht genug 
abschwächen. Dann gelangt die HF in den OP und dieser gerät in die 
Begrenzung (das sieht man messtechnisch). Damit ist der OP im 
nichtlinearen Bereich und es können weitere Mischprodukte auftreten.

Autor: Ludger (Gast)
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also bei meiner Simulation taucht das Problem mit der 2. Oberwelle auch 
auf.
Vor den OP's und nach den OP's.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ich habe einen etwas anderen Mischer. Jeder Kanal (I und Q) wird von 
zwei
Rechtecken angesteuert die jeweils 180 Grad Phasenverschiebung aufweisen 
und 1:1 Tastverhältnis. Zwischen I und Q habe ich 90 Grad. Damit 
unterdrückt schon der Schaltermischer die zweite Oberwelle.

Dein Mischer arbeitet in der Schalteransteuerung ja mit 1:3 
Tstverhältnis. Kann sein dass dann nach dem Schalter bei 100kHz schon 
das NF Signal auftaucht. Dann müsste aber eigentlich der OP dafür 
sorgen, das das wieder verschwindet, da ja angeblich der Tayloe auf der 
zweiten Oberschwingung unempfindlich ist.

Wie prüfst Du in Spice, ob ein Signal empfangen wird?
Ich kann deine Simulation laufen lassen, werde aber nicht ganz schlau 
daraus.

Autor: Ludger (Gast)
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Ich prüfe in der Simulation mittels FFT wie stark der 24kHz pegel ist am 
Q Ausgang.
.param clock=326k  ;ist die 4*Lo für 57.5kHz
SINE(1.5V 10m 139k) ; Empfangsfrequenz 139k

Ich denke ich weiss wo der Hund begraben ist...
wir zerhacken hier z.B. mit 81.5k die 57.5k um 24kHz heraus zubekommen.
Das Resultat sieht dem entsprechend grausam aus.
Versucht man das mit 198k BBC4 oder 693k BBC5 kommt da schon was Sinus 
ähnliches raus, und die geraden Oberwellen sind schon mal mit >40dB 
abgeschwächt. Es bleiben nur die ungeraden Oberwellen , wie Twente es 
behauptet.
Geholfen hat :
http://www.waves.utoronto.ca/prof/svhum/ece422/labs/sdr/qsd.html

Die Simulation scheint demnach zu funktionieren.
Nur mein SDR hört nichts auf 693kHz, obwohl das Signal da ist, ich höre 
es mit meinem AOR 3000. Ich suche gerade den Unterschied zwischen 
Simulation und Realität.

Ludger

Autor: Ludger (Gast)
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Mittelwelle geht auch.. ein schlechter Übertrager im Eingang hat das 
Signal zu Stark gedämpft. Es ist schon erstaunlich wie gut das Teil 
funktioniert.
Nur VLF kann mann wohl vergessen.

Ludger

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ich glaube ich habe jetzt eine gute Demo (siehe Fileanhang) um zu 
verstehen was passiert. Die Simulation im Anhang stellt den lokalen 
Oszillatorauf 200/4=50kHz. Die Eingangsfrequenz stellt man entweder auf 
50.1kHz oder auf 100.1 kHz ein. Am Ausgang Out1 sieht man, was der 
Tayloe inkl. Opamp am Ausgang gibt als 100Hz Signal. Bei fInput=50.1kHz 
ist es 1.5 Volt gross,
bei fInput=100.1k ist es nur 6mV gross. Der simulierte Tayloe ist also 
für 100kHz ca 1 Tausendstel so empfindlich wie auf 50 kHz. Der 
Unterschied zum gebauten Tayloe ist, dass alle Widerstande um den Faktor 
100 größer sind (und C2par um den Faktor 100 kleiner).

Mit der Originaldimension arbeitet der OP nicht ordentlich als 
Subtrahierer, wel der invertierene Eingang eine Eingangsimpedanz von 
100Ohm hat, was das entsprechende Signal stark dämpft, wohingegen der 
nichtinvertierende Eingang hochohmig ist. Das kann man an den Ausgängen 
B1 und B2 sehen. Und daran liegt die schlechte Dämpfung bei 100.1 kHz.

Autor: Ludger (Gast)
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Hallo Martin,

ich habe Deine Simulation noch nicht komplett durchgearbeitet, aber dern 
realen Differenzverstärker durch einen Idealen ersetzt. Nun arbeitet der 
Tayloe wie in der Theorie - nur mit den ungeraden Oberwellen.
Das mit der ungleichen Belastung der Tayloe Ausgänge hatte ich auch 
schon gesehen, aber noch keine richtige Lösung gefunden. Ich hatte 
versucht die Belastung gleich zu machen, aber mit 100 Ohm ist die 
Belastung wohl zu groß.

Ludger

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Hallo Ludger,
Dein Ersatz des OpAmps durch eine gesteuerte Quelle ist eine gute Idee. 
Damit zeigt sich deutlich, dass die Subtrahierer-Schaltung die Ursache 
des Problems ist. Aber selbst wenn man das Problem für die zweite 
Oberwelle lösen kann, bleibt der Empfang auf den Stellen 3f,5f,7f usw. 
Und daran kann man nichts ändern.

Autor: Ludger (Gast)
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ja, die ungeraden Oberwellen bleiben, aber die 3.liegt schon mal ein 
Stück höher.

Ich habe den Tayloe jetzt mit 33n 2k2 220k und 10pF bestückt,damit ist 
die 2. schon mal weg. Für die anderen sitzt ein Cauer Tiefpass davor, 
der macht den Rest. Der ist mir aber noch nicht steil genug, ich muss 
noch bessere Berechnungstools finden.
Zur Zeit stört mein Solar Laderegler  27V 20A. Der setzt mir einen 
Träger von 40kHz mit -30 dBm.
Daneben gibt es noch starke Träger bei 16kHz + 48 kHz ,  das kann die 
Solaranlage sein, die liefert gerade 2,5kW.

Ludger

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Schön dass die Änderung am Tayloe eine Verbesserung gebracht hat. Dann 
hat unsere Nachforschung doch das richtige Resultat ergeben.

Wie gut funktioniert deine Miniwhip eigentlich im Kurzwellenbereich? Ich 
habe eine selbst gestrikte Miniwhip da habe ich den Eindruck, dass die 
auf Kurzwelle eher taub ist.

Autor: Ludger (Gast)
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Ja kann ich mal testen, welchen Kurzwellenbereich meinst Du ?
Oder welche Stationen, dann man vergleichen.

Ludger

Autor: Ludger (Gast)
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also meine Whip steht in Marl 70km unterhalb von Twente. Sie ca 50cm 
Draht und 2m Höhe im Garten.
Ich kann die Zeitzeichen auf 14.996 laut und deutlich , und auf 9.996 im 
Rauschen empfangen.
Die 14.996 höre ich nur mit dem AOR , aber nicht mit dem SDR.

Autor: Ludger (Gast)
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Das Problem mit demn 14.996 kHz liegt am 74HC74 der kommt nur bis 10 
MHz.
Der andere ist schon bestellt.
Ab morgen ist dann Zwangpause bis nach Ostern.

Ludger

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ich habe ne Software geschrieben die auf der fastconvolutionSDR Hardware 
läuft mit der man die EFR-Funkdienste auf 129.1kHz, 135.6kHz und 139kHz 
empfangen kann.
Wenns jemanden interessiert: PN an mich...

Autor: Hagen (Gast)
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Martin O. schrieb:
> Aber selbst wenn man das Problem für die zweite
> Oberwelle lösen kann, bleibt der Empfang auf den Stellen 3f,5f,7f usw.
> Und daran kann man nichts ändern.

Doch kann man, suche mal nach Walsh-Demodulator. Dieser kann auch diese 
Oberwellen unterdrücken. Mit den Nachteilen das dieser Demodulator mit 
immer höheren Abtastfrequenzen arbeiten muß, je besser man die 
Oberwellen unterdrücken möchte, und das die Anzahl an Schaltern 
ebenfalls immer weiter zunimmt.

Autor: Hagen (Gast)
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Im Anhang mal eine kleine Simulation. Die Schaltung mit dem OpAmp 
Addierer kann man aber auch anders aufbauen.

Autor: Hagen (Gast)
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Ändere in V6 die Frequenz auf 1/16u um einen Synchronen Demodulator zu 
simulieren und schau dir dann V(Out) per FFT an.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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In diesem Thread war neulich ein Gast namens Ludger aktiv. Wäre nett 
wenn derjenige sich nochmal melden könnte.

Autor: Ludger (Gast)
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Hallo Martin,

ich mach gerade Experimente mit dem ARM Radio von I2PHD. Allerdings wird 
dort
der interne ADC verwendet nur 12bit, da leidet natürlich die Dynamik.

Ludger

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Martin O. schrieb:
> Ich habe ne Software geschrieben die auf der fastconvolutionSDR Hardware
> läuft mit der man die EFR-Funkdienste auf 129.1kHz, 135.6kHz und 139kHz
> empfangen kann.

Ich habe das Programm von Martin erfolgreich getestet. Vielen Dank!
Bei mir im Vogtland ist der Sender Burg (139 kHz) am stärksten. Als 
Antenne verwende ich einen Ferritstab 20 cm mit Vorverstärker.
An der Hardware musste ich lediglich den Eingangsübertrager austauschen 
gegen einen mit tieferer Grenzfrequenz.

: Bearbeitet durch User
Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Nachdem mir Martin ein weiteres Programm für RTTY zukommen ließ, habe 
ich auch den Wetterdienst DDH47 auf 147,3 kHz fehlerfrei aufnehmen 
können, mit derselben Hardware.

: Bearbeitet durch User
Autor: Martin O. (ossi-2)
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Hallo Ludger,
wenn Du auch die Software für 139kHZ bzw. 147.3kHz haben möchtest, sag 
einfach Bescheid, dann sende ich sie Dir zu.

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