Vom Kristalldetektor zum Software Defined Radio

Die technische Entwicklung des Radioempfängers von den Anfängen bis heute

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1. Der Radioempfänger als technisches Problem

Ein Radioempfänger ist nicht einfach nur ein Audiogerät. Technisch betrachtet ist er ein hochselektives Mess- und Signalverarbeitungssystem. Am Antenneneingang kann das gewünschte Signal nur wenige Nanovolt bis Mikrovolt betragen, während nahegelegene unerwünschte Signale um viele Größenordnungen stärker sein können. Der Empfänger muss das gewünschte Signal auswählen, Störsignale unterdrücken, Frequenzfehler ausgleichen, Rauschen minimieren und am Ende entweder ein analoges Audiosignal oder einen digitalen Datenstrom zurückgewinnen.

Die grundlegenden Kenngrößen eines Empfängers sind über mehr als ein Jahrhundert erstaunlich konstant geblieben:

• Empfindlichkeit: das kleinste Eingangssignal, das noch sinnvoll empfangen werden kann.
• Rauschzahl: die Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch den Empfänger selbst.
• Selektivität: die Fähigkeit, Nachbarkanal- und Außerbandsignale zu unterdrücken.
• Dynamikbereich: der Bereich zwischen dem schwächsten noch nutzbaren Signal und dem stärksten Signal, das der Empfänger ohne Übersteuerung verarbeiten kann.
• Großsignalverhalten: die Fähigkeit, auch in Gegenwart starker lokaler Sender noch brauchbar zu bleiben.
• Phasenrauschen des Oszillators: besonders wichtig, wenn starke Nachbarsignale vorhanden sind.
• Intermodulationsverhalten: häufig beschrieben durch IP2, IP3, Blocking und reziprokes Mischen.

Eine nützliche Näherung für die kleinste nachweisbare Eingangsleistung ist:

P_min ≈ −174 dBm/Hz + 10 log₁₀(B) + NF + SNR_min

Dabei ist B die Empfängerbandbreite, NF die Rauschzahl und SNR_min das minimale Signal-Rausch-Verhältnis, das der Demodulator benötigt. Diese einfache Beziehung zeigt bereits eine der grundlegenden Wahrheiten des Empfängerentwurfs: Bandbreite, Rauschen und Modulationsverfahren bestimmen, was technisch möglich ist.

2. Die Anfänge: Detektorempfänger, Rückkopplung und Elektronenröhren

Die frühesten Radioempfänger waren noch keine „Radios“ im heutigen Sinn eines Unterhaltungsgeräts. Es handelte sich vor allem um Geräte für die drahtlose Telegrafie. Im Jahr 1909 erhielten Guglielmo Marconi und Karl Ferdinand Braun den Nobelpreis für Physik für ihre Beiträge zur Entwicklung der drahtlosen Telegrafie [1].

Frühe Empfänger verwendeten Kohärer, magnetische Detektoren und später Kristalldetektoren. Ein Kristalldetektor, zum Beispiel Bleiglanz mit einem feinen Drahtkontakt, wirkt als nichtlinearer Gleichrichter. Er kann amplitudenmodulierte Signale ohne externe Energieversorgung demodulieren. Eine wirkliche Verstärkung liefert er jedoch nicht; das macht ihn einfach, aber unempfindlich.

Der entscheidende technische Schritt war die Elektronenröhre.

Die von John Ambrose Fleming im Jahr 1904 erfundene Fleming-Röhre gilt allgemein als erste praktisch nutzbare thermionische Röhre beziehungsweise Elektronenröhre [2].

In der englischsprachigen Literatur wird Lee de Forests Audion von 1906 häufig als erste Triodenröhre genannt [3]. Fast parallel dazu entwickelte der österreichische Erfinder Robert von Lieben eine frühe Verstärkerröhre für die Fernsprech-Weitverkehrstechnik. Diese europäische Entwicklungslinie, die von Eugen Reisz und Siegmund Strauss weitergeführt wurde, wurde als Lieben-Röhre bekannt [4, 5].

Die Röhre machte Verstärkung, Schwingungserzeugung und Mischung möglich. Mit ihr entstanden mehrere wichtige Empfängerarchitekturen.

Geradeausempfänger / TRF-Empfänger
Bei einem Geradeausempfänger, englisch Tuned Radio Frequency Receiver oder TRF receiver, werden eine oder mehrere HF-Stufen direkt auf die Empfangsfrequenz abgestimmt. Die gesamte Selektivität entsteht also bei der Signalfrequenz selbst. Bei niedrigen Frequenzen ist das noch gut beherrschbar. Mit steigender Frequenz wird es jedoch zunehmend schwieriger, weil mehrere abgestimmte Kreise exakt gemeinsam nachgeführt werden müssen.

Audion, Rückkopplungsempfänger und das Meißner-Rückkopplungsprinzip
Der Rückkopplungsempfänger nutzt positive Rückkopplung, um einen Teil der Verluste im Schwingkreis auszugleichen. Dadurch verhält sich die Schaltung so, als hätte der Schwingkreis eine wesentlich höhere Güte: Die Verstärkung steigt, und die Bandbreite wird kleiner. Knapp unterhalb des Schwingungseinsatzes erreicht der Empfänger dadurch eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität. Wird die Rückkopplung weiter erhöht, beginnt der Empfänger selbst zu schwingen und kann durch die entstehende Überlagerungsschwingung auch zum Empfang von CW-Signalen verwendet werden.

In der englischsprachigen Radiogeschichte wird Edwin H. Armstrong häufig als zentrale Figur im Zusammenhang mit dem Rückkopplungsempfänger, dem Superheterodynempfänger und dem UKW-FM-Rundfunk dargestellt [6]. Diese Sichtweise ist jedoch etwas anglo-amerikanisch geprägt. In der europäischen und besonders in der deutschsprachigen technischen Tradition verdient auch Alexander Meißner ausdrücklich Erwähnung. Meißner arbeitete bei Telefunken, wandte 1913 positive Rückkopplung in Röhrenschaltungen an und entwickelte auf dieser Grundlage einen Hochfrequenzgenerator. Der induktiv gekoppelte Rückkopplungsoszillator ist in der deutschen Literatur bis heute als Meißner-Oszillator beziehungsweise Meißner-Rückkopplungsschaltung bekannt [7].

Diese Unterscheidung ist sinnvoll: Armstrong wird vor allem mit dem Rückkopplungsempfänger als Empfangsschaltung verbunden, während Meißner besonders für die gezielte Nutzung positiver Rückkopplung zur Erzeugung kontinuierlicher Hochfrequenzschwingungen wichtig ist. Beide Entwicklungen waren für die Funktechnik wesentlich, denn kontrollierte Rückkopplung ermöglichte nicht nur höhere Empfängerverstärkung und bessere Selektivität, sondern auch stabile lokale Oszillatoren und Sender.

Ein historisch wichtiges, in großer Stückzahl gebautes Beispiel eines Rückkopplungsempfängers ist der deutsche VE301 Volksempfänger, der 1933 eingeführt wurde [9, 10].

Superregenerativempfänger
Der Superregenerativempfänger ist eine Sonderform des Rückkopplungsempfängers, bei der die Rückkopplung periodisch unterbrochen wird. Mit sehr wenigen Bauteilen kann er eine hohe Empfindlichkeit erreichen. Seine Selektivität und sein Großsignalverhalten sind jedoch begrenzt, außerdem kann er selbst Störungen abstrahlen. Später wurde dieses Prinzip vor allem in einfachen Fernsteuerungen, Spielzeugen und preisgünstigen VHF-/UHF-Empfängern verwendet.

3. Der Superheterodynempfänger: die dominierende Architektur des 20. Jahrhunderts

Der Superheterodynempfänger wurde zur wichtigsten Empfängerarchitektur des 20. Jahrhunderts. Sein Prinzip ist die Frequenzumsetzung:

f_ZF = | f_HF − f_LO |

Das eingehende HF-Signal f_HF wird mit dem Signal eines lokalen Oszillators f_LO gemischt und in eine feste Zwischenfrequenz f_ZF umgesetzt. Diese Zwischenfrequenz kann anschließend mit festen, optimierten Schaltungen gefiltert und verstärkt werden. Das Engineering and Technology History Wiki beschreibt das Wesen des Superheterodynempfängers als Umsetzung eines Hochfrequenzsignals auf eine Zwischenfrequenz durch Überlagerung mit einem im Empfänger erzeugten Oszillatorsignal [11].

Der große Vorteil liegt in der Trennung von Abstimmung und Selektivität. Die HF-Eingangskreise müssen nur die Vorselektion und die Unterdrückung der Spiegelfrequenz übernehmen, während die eigentliche Kanalselektion bei einer festen Frequenz erfolgt.

Typische Zwischenfrequenzen wurden:

• AM-Rundfunkempfänger: etwa 455 kHz
• FM-Rundfunkempfänger: 10,7 MHz
• Fernseh- und professionelle Empfänger: oft mehrere ZF-Stufen
• Kurzwellen-Kommunikationsempfänger: häufig Doppel- oder Dreifachüberlagerung

Ein grundsätzliches Problem des Superheterodynempfängers ist die Spiegelfrequenz. Ein Mischer weiß nicht, welches von zwei Signalen dieselbe ZF-Differenz erzeugt hat. Daher kann auch ein Signal auf der Spiegelfrequenz auf dieselbe Zwischenfrequenz umgesetzt werden.

f_Spiegel = f_HF ± 2 f_ZF

Eine hohe erste Zwischenfrequenz verbessert die Spiegelfrequenzunterdrückung, weil die Spiegelfrequenz weiter vom Nutzsignal entfernt liegt und sich mit HF-Filtern leichter entfernen lässt. Eine niedrige Zwischenfrequenz erleichtert dagegen den Aufbau sehr schmaler und selektiver Filter. Aus diesem Grund verwendeten hochwertige Empfänger oft Doppel- oder Dreifachüberlagerung: eine hohe erste ZF zur Spiegelfrequenzunterdrückung, gefolgt von einer oder mehreren niedrigeren Zwischenfrequenzen für die schmale Selektion.

Ein klassischer hochwertiger Superhet enthält:

1. Antenneneingang und Impedanzanpassung
2. HF-Vorselektion
3. rauscharmen HF-Verstärker
4. Mischer
5. lokalen Oszillator
6. ZF-Filter
7. ZF-Verstärker mit AGC
8. Demodulator
9. Audio- oder Datenverarbeitungsstufe

Eine weitere wichtige Verbesserung war die automatische Verstärkungsregelung, AGC oder AVC. Sie verringert die Empfängerverstärkung bei starken Signalen und erhöht sie bei schwachen Signalen. Dadurch bleiben ZF-Pegel und Lautstärke über einen großen Eingangspegelbereich relativ konstant.

Die Erfindungsgeschichte des Superheterodynempfängers ist komplexer als die vereinfachte Aussage, er sei von Edwin H. Armstrong erfunden worden. Mehrere Ingenieure kamen während des Ersten Weltkriegs zu eng verwandten Ideen. Lucien Lévy meldete in Frankreich 1917 und 1918 Patente an, die wesentliche Teile des Superheterodynprinzips abdeckten. Armstrong entwickelte das Konzept unabhängig davon zu einem praktischen Empfänger weiter und meldete sein wichtiges US-Patent an, das 1920 erteilt wurde. In Deutschland entwarf auch Walter Schottky unabhängig ein ähnliches System und meldete 1918 ein deutsches Patent an.

Für einen technischen Artikel ist die sinnvollste Schlussfolgerung daher, den Superheterodynempfänger nicht als Werk eines einzigen Erfinders zu behandeln. Lévy ist wichtig für die Patentpriorität und die frühe Formulierung des Prinzips, Armstrong für die Reduktion des Systems auf einen praktischen und kommerziell einflussreichen Empfänger, und Schottky für die unabhängige deutsche Entwicklung. Der Superheterodynempfänger war daher weniger eine plötzliche Einzelerfindung als vielmehr das Ergebnis des Zusammenwirkens von Überlagerungstheorie, Röhrenoszillatoren, den Anforderungen der militärischen Kommunikation im Ersten Weltkrieg und dem Bedarf an besserer Selektivität und Verstärkung [11, 12, 13].

Die technische Überlegenheit des Superheterodynprinzips spiegelte sich sehr schnell auch in der Empfängerproduktion wider. Eine deutsche AEG-Übersicht aus dem Jahr 1940, Entwicklungstendenzen des Rundfunks von Dr. Lübeck, zeigt den raschen Marktwandel vom Geradeausempfänger zum Superhet. Bei Markenempfängern, die auf dem Inlandsmarkt verkauft wurden, stieg der Anteil der Superheterodynempfänger von 28,4 % im Jahr 1934/35 auf 66,4 % im Jahr 1938/39. Im Export war der Übergang noch deutlicher: Dort stieg der Superhet-Anteil im selben Zeitraum von 64,9 % auf über 94 %, während Geradeausempfänger bei den Exportmodellen fast verschwanden. Dies zeigt, dass der Superheterodynempfänger nicht nur eine theoretische Verbesserung war, sondern innerhalb weniger Jahre zur dominierenden praktischen Empfängerarchitektur wurde.

4. AM, FM, CW, SSB und spezialisierte Demodulatoren

Mit der zunehmenden Vielfalt der Modulationsverfahren wurden auch die Demodulatoren in den Empfängern spezieller.

AM / Hüllkurvendetektion
Bei der klassischen Amplitudenmodulation steckt die Information in der Hüllkurve des Trägers. Ein Diodendetektor und ein Tiefpassfilter reichen dafür aus. Das machte den AM-Rundfunk einfach, robust und kostengünstig.

CW und SSB
Morsetelegrafie und Einseitenband-Sprechfunk erfordern einen Schwebungsoszillator, also einen BFO, oder einen Produktdetektor. Der Empfänger multipliziert das ZF-Signal mit einem lokal erzeugten Träger. Frequenzgenauigkeit und Oszillatorstabilität sind dabei wesentlich kritischer als beim einfachen AM-Empfang.

FM
Bei der Frequenzmodulation steckt die Information in der Momentanfrequenz des Trägers. Der Empfänger benötigt eine Amplitudenbegrenzung und einen Frequenzdiskriminator, zum Beispiel einen Foster-Seeley-Diskriminator, einen Ratiodetektor, einen Quadraturdetektor oder einen PLL-Detektor. FM bietet eine ausgezeichnete Rauschunterdrückung, solange das Signal stark genug ist. Es gibt jedoch auch einen Schwelleneffekt: Unterhalb eines bestimmten Signal-Rausch-Verhältnisses bricht die Empfangsqualität rasch zusammen.

FM-Stereo und RDS
FM-Stereo wird nicht einfach als getrennte linke und rechte Tonspur übertragen. Das Multiplexsignal enthält L+R im Basisband, L−R um einen unterdrückten 38-kHz-Unterträger und einen 19-kHz-Pilotton, der zur Wiederherstellung des Stereo-Unterträgers verwendet wird. RDS nutzt einen 57-kHz-Unterträger, also die dritte Harmonische des 19-kHz-Pilottons [15]. Mit RDS wurde der Empfänger auch zu einem Datendecoder: Er verarbeitet Programmnamen, alternative Frequenzen, Verkehrsinformationen und Radiotext.

5. Von Elektronenröhren zu Transistoren und integrierten Empfänger-ICs

Die Erfindung des Transistors im Jahr 1947 veränderte den Aufbau von Radioempfängern grundlegend [16]. Röhrenradios waren groß, wurden warm, waren mechanisch empfindlich und benötigten Heizleistung. Transistoren ermöglichten tragbare Empfänger, Batteriebetrieb, geringere Leistungsaufnahme und schließlich eine weitgehende Integration der Schaltungen.

Die ersten Transistorradios waren nicht automatisch besser als gute Röhrenempfänger. Frühe Transistorschaltungen konnten unter höherem Rauschen, Temperaturdrift, begrenzter Verstärkung und mäßigem Großsignalverhalten leiden. Mit Siliziumtransistoren, Feldeffekttransistoren und integrierten Schaltungen wurden diese Schwächen jedoch nach und nach verringert. Empfänger wurden kleiner, billiger, zuverlässiger und in der Massenproduktion wesentlich besser reproduzierbar.

Wichtige Schritte in diesem Übergang waren:

• Ferritantennen für tragbare Mittelwellenempfänger
• Keramikfilter für preisgünstige ZF-Selektion
• Varicap-Abstimmung anstelle mechanischer Drehkondensatoren
• PLL-Synthesizer anstelle freilaufender VFOs
• Quarzreferenzen für Frequenzstabilität
• integrierte ZF-Verstärker mit AGC
• FM-Stereo-Decoder-ICs
• RDS-Demodulator-ICs
• mikrocontrollergesteuerte Abstimmung und Benutzeroberflächen

Die PLL-Synthese machte die Empfangsfrequenz digital reproduzierbar. Der lokale Oszillator war nicht mehr ein rein freilaufender Schwingkreis, sondern wurde über eine Phasenregelschleife an eine stabile Quarzreferenz angebunden. Dadurch wurden Senderspeicher, Suchlauf, digitale Frequenzanzeigen und stabilere Kommunikationsempfänger möglich. Gleichzeitig wurde das Phasenrauschen des Oszillators zu einer wichtigen Qualitätsgröße. Ein Empfänger mit schlechter Oszillatorreinheit kann in Gegenwart starker Nachbarsignale praktisch taub werden, selbst wenn seine statische Empfindlichkeit gut aussieht.

Typische Beispiele dieser IC-basierten Empfängergeneration sind ZF-Verstärker-ICs mit AGC, etwa der Motorola MC1350, FM-Stereo-Decoder-ICs wie die MC1310- oder LM1310-Familie, RDS-Demodulatoren wie der Philips SAA6579 oder der ST TDA7330B sowie PLL-Abstimm-Synthesizer wie der Philips SAA1057. Diese Bausteine zeigen, wie immer mehr Empfängerfunktionen von diskreten Transistorschaltungen in spezialisierte integrierte Schaltungen wanderten. Funktionen, die zuvor viele Einzelbauteile benötigten, konnten nun mit wenigen kompakten und klar definierten ICs realisiert werden.

Ein späteres und sehr kompaktes Beispiel dieser Entwicklung ist der Philips/NXP TEA5767 [17, 18]. Er ist kein DSP-Empfänger und kein SDR, aber ein gutes Beispiel für die späte Generation hochintegrierter analoger FM-Empfänger. Im Unterschied zu früheren spezialisierten ICs, die jeweils nur eine einzelne Empfängerfunktion übernahmen, etwa ZF-Verstärkung, Stereo-Decodierung oder PLL-Abstimmung, ist der TEA5767 im Wesentlichen ein vollständiger elektronisch abgestimmter FM-Stereoempfänger in einem einzigen Chip. Er enthält integrierte ZF-Selektion und FM-Demodulation und kann von einem Mikrocontroller über einen I²C- oder 3-Draht-Bus gesteuert werden. Bausteine wie der TEA5767 zeigen, wie aus dem klassischen FM-Empfänger ein kleines, digital gesteuertes Modul wurde: Der HF- und ZF-Signalweg blieb im Prinzip analog, aber Abstimmung, Suchlauf, Statusabfrage und Benutzeroberfläche wurden von digitaler Steuerlogik übernommen.

Ein typisches TEA5767-Modul unterscheidet sich in seiner Aufgabe daher nicht grundsätzlich von einem kleinen traditionellen FM-Radio. Seine Umsetzung ist jedoch radikal kompakter. Was früher abgestimmte Spulen, Drehkondensatoren, ZF-Filter, Diskriminatorschaltungen und einen separaten Stereo-Decoder erforderte, konnte nun auf ein kleines Modul mit einem Chip, einem Referenzquarz, wenigen externen Bauteilen und einer seriellen Steuerschnittstelle reduziert werden.

6. Hochwertige analoge Kommunikationsempfänger

Während Heim- und Rundfunkempfänger vor allem auf Bedienkomfort und Klangqualität optimiert wurden, standen bei Kommunikationsempfängern Selektivität, Frequenzstabilität und Großsignalverhalten im Vordergrund.

Typische Merkmale hochwertiger analoger Empfänger waren:

• mehrere HF-Vorselektionskreise
• Doppel- oder Dreifachüberlagerung
• Quarzfilter mit unterschiedlichen Bandbreiten
• mechanische Filter
• Produktdetektor für SSB und CW
• Notchfilter
• Störaustaster
• Passband-Tuning
• Preselektor
• schaltbarer Vorverstärker und Abschwächer
• Synchrondetektor für AM

Ein guter analoger Empfänger wurde daher nicht nur durch die Anzahl seiner aktiven Bauelemente bestimmt. Entscheidend waren Filterqualität, Oszillatorstabilität, mechanischer Aufbau, Abschirmung, Layout und HF-gerechter Aufbau. Besonders auf Kurzwelle kann das Großsignalverhalten wichtiger sein als die nominelle Empfindlichkeit. Ein Empfänger, der im Labor noch −130 dBm hörbar macht, aber in Gegenwart starker Rundfunksender übersteuert, ist weniger nützlich als ein etwas weniger empfindlicher, dafür aber robusterer Empfänger.

Diese Tradition analoger Kommunikationsempfänger ist wichtig, weil viele ihrer Entwurfsziele mit der Digitaltechnik nicht verschwunden sind. Vorselektion, Oszillatorqualität, Dynamikbereich, Intermodulationsverhalten und sorgfältig gewählte Bandbreiten bleiben auch bei modernen DSP- und SDR-Empfängern wesentlich. Die Umsetzung hat sich geändert, die HF-Probleme jedoch nicht.

7. DSP: Digitalisierung der Zwischenfrequenz

Bevor das vollständige SDR-Konzept allgemein üblich wurde, führten viele Empfänger digitale Signalverarbeitung auf der ZF- oder Audiostufe ein. Der HF-Teil blieb dabei oft konventionell aufgebaut: Preselektor, Mischer, Oszillator und Zwischenfrequenz. Danach übernahm ein digitaler Signalprozessor Funktionen, die zuvor mit analogen Schaltungen realisiert worden waren.

Typische DSP-Funktionen sind:

• ZF-Filterung
• Notchfilterung
• Demodulation
• AGC
• Rauschminderung
• automatische Trägernachführung
• Spektrumanzeige
• digitale Audiofilterung
• Messung der Signalqualität
• Abstimmhilfe und Suchlauffunktionen

Der Vorteil digitaler Filter liegt in ihrer Wiederholbarkeit. Ein digitales FIR- oder IIR-Filter altert nicht, driftet nicht und benötigt keinen mechanischen Abgleich. Sehr schmale CW-Filter, variable SSB-Bandbreiten und adaptive Notchfilter wurden dadurch auch in kompakten Geräten praktikabel.

Diese Entwicklung erschien auch in hochintegrierten Rundfunkempfänger-ICs. Ein repräsentatives Beispiel ist die Si4732-Familie von Silicon Laboratories, die Ende der 2000er Jahre eingeführt und später durch verwandte Varianten wie Si4735 und Si4737 ergänzt wurde [19]. Der Si4732 ist ein digitaler CMOS-AM/FM/KW/LW/RDS-Empfänger-IC. Er integriert die gesamte Rundfunkempfängerkette vom Antenneneingang bis zum digitalen Audioausgang und verwendet eine digitale Low-IF-Architektur. In solchen Bausteinen existieren der HF-Eingang und einige analoge Funktionen weiterhin, aber viele Empfängeraufgaben — Filterung, Demodulation, Messung der Signalqualität, Abstimmsteuerung und Audioverarbeitung — werden intern durch digitale Signalverarbeitung erledigt.

Das ist ein wichtiger architektonischer Übergang. Der TEA5767 steht noch für den kompakten, digital gesteuerten analogen FM-Empfänger. Die Si4732-/Si4735-Generation steht dagegen für den Schritt hin zum „Radio als internes DSP-System“. Der Benutzer sieht vielleicht weiterhin nur ein kleines Radiomodul, aber im Inneren des Chips wird der Empfänger nicht mehr hauptsächlich aus sichtbaren analogen Filter- und Detektorstufen aufgebaut. Stattdessen sind große Teile der Selektivität, Demodulation und Steuerlogik in digitaler Schaltungstechnik und Firmware realisiert.

Ein modernes Hobbybeispiel ist die ATS-20-Klasse kleiner Allbandempfänger. Diese Empfänger basieren häufig auf Si4732- oder verwandten Si47xx-Chips und kombinieren den Radio-IC mit einem Mikrocontroller, Display, Drehgeber und Firmware. Abhängig vom genauen Chip, der Firmware und den verwendeten Patches können solche Empfänger FM, Langwelle, Mittelwelle und Kurzwelle abdecken; manche Versionen bieten auch SSB-Empfang mit BFO-Steuerung [20, 21]. Technisch sind sie keine SDRs im offenen Sinn von I/Q-Samples, weil der Benutzer normalerweise keinen rohen Basisband-Datenstrom für beliebige Softwareverarbeitung erhält. Sie sind jedoch ausgezeichnete Beispiele dafür, wie weit sich der integrierte DSP-Empfänger-IC entwickelt hat: Ein sehr kleines und preiswertes Gerät kann Funktionen bieten, die früher einen wesentlich größeren analogen Kommunikationsempfänger erfordert hätten.

Ein DSP-Empfänger ist jedoch nicht automatisch ein vollständiges SDR. Bei vielen Empfängern bleibt die interne Struktur fest vorgegeben. Der Benutzer erhält Audio und vielleicht eine Spektrumanzeige, aber keinen allgemeinen Zugriff auf die I/Q-Basisbandsamples. Die eigentliche Transformation beginnt dort, wo das empfangene Signal zu einem digitalen Datenstrom wird und die Demodulationsart zu einer Softwarefunktion.

Diese Entwicklung bildet die Brücke zwischen dem klassischen analogen Empfänger und dem späteren Software Defined Radio. Im analogen Superhet ist der Signalweg durch Spulen, Filter, Mischer und Demodulatorschaltungen festgelegt. Im hochintegrierten FM-Radio-IC sind viele dieser Funktionen in einem einzigen Chip verborgen und digital gesteuert. Im DSP-Empfänger-IC werden Filterung und Demodulation zunehmend zu internen Algorithmen. Beim SDR folgt der nächste logische Schritt: Das empfangene Signal wird als digitale I/Q-Daten zugänglich gemacht, und der Demodulator selbst wird zu Software, die auf einem Prozessor, FPGA oder Computer läuft.

8. Software Defined Radio: Der Empfänger wird zum Rechenproblem

Software Defined Radio verlagert möglichst viele Empfängerfunktionen von analoger Hardware in Software. Der Begriff „Software Radio“ wurde Anfang der 1990er Jahre stark mit Joseph Mitola verbunden. Das Konzept beschreibt eine Funkplattform, bei der ein großer Teil der Sende- und Empfangsalgorithmen als Software auf einem Prozessor läuft [22].

Ein idealisiertes SDR besteht aus:

• Antenne
• analogem Frontend mit Filterung und Pegelregelung
• ADC
• digitaler Abwärtsumsetzung
• digitaler Filterung und Dezimation
• Software-Demodulation
• Audio-, Daten- oder Spektrumausgabe

Der mathematische Kern ist die komplexe Basisbanddarstellung. Das HF-Signal wird mit einem komplexen Oszillator multipliziert und tiefpassgefiltert:

z(t) = LPF{ x(t) · exp(−j 2π f_LO t) }

Das Ergebnis ist:

z(t) = I(t) + jQ(t)

Die beiden Komponenten I und Q enthalten Amplituden- und Phaseninformation. Mit derselben Hardware kann der Empfänger AM, FM, SSB, PSK, QAM, OFDM und viele andere Signalarten verarbeiten. Das Modulationsverfahren ist nicht mehr durch Spulen, Quarzfilter und Detektor-ICs festgelegt. Es wird durch Software definiert.

Open-Source-Frameworks beschleunigten diese Entwicklung. GNU Radio beschreibt sich selbst als freies und quelloffenes Software-Toolkit, das Signalverarbeitungsblöcke zur Implementierung von Software Radios bereitstellt [23]. Damit wurde das Experimentieren mit SDR für Funkamateure, Forscher, Studierende und Entwickler in der Industrie zugänglich.

9. Praktische SDR-Architekturen

In der Praxis gibt es mehrere SDR-Architekturen. Sie unterscheiden sich vor allem darin, wo das empfangene Signal umgesetzt wird, wo es digitalisiert wird und wie viel vom Empfänger tatsächlich in Software realisiert ist.

Soundkarten-SDR
Frühe Amateur-SDRs verwendeten häufig einen analogen Quadraturmischer, um das HF-Signal in I/Q-Audiosignale umzusetzen. Eine PC-Soundkarte digitalisierte anschließend die I- und Q-Kanäle. Die nutzbare Bandbreite war durch das Audiointerface begrenzt, typischerweise auf einige zehn Kilohertz. Filterung und Demodulation erfolgten aber bereits in Software. Das war ein wichtiger Schritt, weil damit die Grundidee des SDR in den Amateurfunk eingeführt wurde: Die Hardware erzeugte I/Q-Signale, während der Computer den Empfänger definierte.

Tunerbasierte SDRs
Preisgünstige USB-SDR-Empfänger verwenden einen Breitbandtuner, der ursprünglich für Fernseh- oder Konsumanwendungen entwickelt wurde. Der Tuner setzt VHF-/UHF-Signale auf eine niedrigere Zwischenfrequenz oder direkt in das I/Q-Basisband um. Dieses Signal wird anschließend digitalisiert und an den Computer übertragen. Solche Empfänger sind billig, breitbandig und hervorragend zum Experimentieren geeignet. Sie sind jedoch durch die Linearität des Tuners, die ADC-Auflösung, die Taktqualität und oft durch eine schwache Vorselektion begrenzt.

Das bekannteste Beispiel ist der RTL-SDR. Er entstand aus preisgünstigen DVB-T-USB-TV-Sticks mit dem Realtek-RTL2832U-Chip. Diese Geräte wurden als universelle SDR-Empfänger populär, weil der Chip rohe I/Q-Samples an den Host-Computer übertragen kann. Zusammen mit Open-Source-Treibern aus dem Osmocom-Projekt wurde aus einem Massenmarkt-TV-Empfänger ein extrem preisgünstiger Funkscanner und eine SDR-Plattform.

Technisch ist der RTL-SDR kein Hochleistungsempfänger. Die meisten Versionen haben einen begrenzten Dynamikbereich, nur mäßige Frequenzstabilität und lediglich einfache Frontend-Filterung. Historisch ist er jedoch sehr wichtig, weil er den SDR-Empfang fast jedem zugänglich machte. Mit einem einfachen USB-Stick und geeigneter Software konnten Benutzer plötzlich FM-Rundfunk, Flugfunk, ADS-B, AIS, Wettersatelliten, Radiosonden, DAB-Experimente und viele andere Signale empfangen und analysieren [26, 27].

Ein leistungsfähigeres Beispiel dieser allgemeinen Klasse externer USB-SDRs ist der SDRplay RSPdx. Auch er ist ein computergesteuerter SDR-Empfänger, bietet im Vergleich zu einem einfachen RTL-SDR-Stick jedoch einen besseren Dynamikbereich, umfangreichere Frontend-Filterung und flexiblere Antenneneingänge. SDRplay beschreibt den RSPdx als 14-Bit-Breitband-SDR mit einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 2 GHz, bis zu 10 MHz sichtbarem Spektrum und drei Antennenanschlüssen [28]. Geräte wie der RSPdx zeigen den Mittelweg zwischen sehr preisgünstigen tunerbasierten SDRs und hochwertigen Direktsamplern oder RFSoC-Systemen.

Direktsamplende SDRs
Bei direktsamplenden Empfängern, besonders im Kurzwellenbereich, wird das Antennensignal sehr früh in der Signalkette digitalisiert, meist nach Schutzschaltungen, Abschwächern und Bandpassfiltern. Digitale Oszillatoren, Mischer, Filter und Dezimatoren extrahieren anschließend den gewünschten Kanal.

Bekannte Beispiele direktsamplender SDRs sind der Icom IC-7300 und IC-7610, die FlexRadio-FLEX-6000-Serie, der Elecraft K4 sowie Empfänger wie der Microtelecom Perseus. Bei diesen Empfängern wird das HF-Signal schon sehr kurz nach dem Antenneneingang digital in einer FPGA- oder DSP-Kette verarbeitet. Der Icom IC-7300 ist ein besonders wichtiges Beispiel, weil er direktes HF-Sampling in einen vergleichsweise erschwinglichen Mainstream-Amateurfunktransceiver brachte.

Direktes Sampling bedeutet nicht, dass das analoge Frontend verschwunden ist. Im Gegenteil: Eingangsfilterung, Schutzschaltungen, Abschwächer, Vorverstärker und Taktqualität bleiben entscheidend. Ein direktsamplender Empfänger kann hervorragende Eigenschaften haben, aber nur dann, wenn der ADC nicht durch starke unerwünschte Signale übersteuert wird.

Direktes HF-Sampling und RFSoC-Plattformen
Moderne Hochgeschwindigkeits-ADCs können zunehmend breite HF-Bandbreiten direkt digitalisieren. Dadurch werden manche analoge Frequenzumsetzungsstufen reduziert oder ganz vermieden. Texas Instruments beschreibt direktes HF-Sampling als die Digitalisierung eines großen Teils des HF-Spektrums mit anschließender Übergabe an einen Signalprozessor [24]. AMD/Xilinx-RFSoC-Bausteine führen diesen Gedanken weiter, indem sie HF-Datenwandler, FPGA-Logik und Prozessorressourcen in einem Baustein integrieren [25].

RFSoC-Plattformen wie AMD/Xilinx ZCU111, ZCU208 oder ZCU216 sind keine typischen Rundfunk- oder Amateurfunkempfänger. Es handelt sich um flexible breitbandige Funk-Entwicklungssysteme für Forschung, Messtechnik, Radar, 5G, Instrumentierung und fortgeschrittene SDR-Entwicklung. Preis und Komplexität liegen weit außerhalb der üblichen Hobbyempfänger-Welt.

Ein etwas zugänglicheres Beispiel ist das Real Digital RFSoC 4x2 Board [29]. Es basiert auf einem Zynq-UltraScale+-RFSoC-Baustein und stellt mehrere ADC- und DAC-Kanäle mit Multi-Gigasample-Abtastraten auf einer Platine bereit. Zusammen mit dem RFSoC-PYNQ-Projekt kann es aus einer Python-/PYNQ-Umgebung verwendet werden und enthält sogar fertige Beispiele wie einen Spektrumanalysator. Trotzdem ist es vor allem für Universitäten und Forschungseinrichtungen gedacht, nicht als Konsumgerät oder gewöhnliches Hobby-SDR.

Damit ist RFSoC ein nützliches Beispiel dafür, wohin sich Empfängerarchitekturen entwickeln: Analoge Frequenzumsetzung wird reduziert, während Abtastung, digitale Abwärtsumsetzung, Filterung und Protokollverarbeitung in FPGA und Software wandern. Es ist aber noch kein direkter Ersatz für praktische Hobby-SDRs wie RTL-SDR, SDRplay, HackRF, ADALM-Pluto oder klassische direktsamplende Amateurfunktransceiver.

Vorteile und Grenzen
Die Vorteile von SDR-Architekturen sind erheblich:

• ein Empfänger kann viele Modulationsverfahren unterstützen
• Spektrum kann angezeigt und aufgezeichnet werden
• mehrere Kanäle können aus einem breiten digitalen Datenstrom extrahiert werden
• Softwareupdates können neue Betriebsarten hinzufügen
• Empfang, Messung und Analyse beginnen miteinander zu verschmelzen

Die Physik verschwindet dadurch jedoch nicht. Ein SDR ist nur so gut wie sein analoges Frontend. Starke Außerbandsignale können den ADC übersteuern. Quantisierungsrauschen, Taktjitter, Aliasingprodukte und begrenzter Dynamikbereich setzen reale Grenzen.

Für einen idealen ADC beträgt das theoretische Signal-Rausch-Verhältnis näherungsweise:

SNR_ADC ≈ 6.02 N + 1.76 dB

Dabei ist N die Anzahl der Bits. In der Praxis sind die effektive Anzahl nutzbarer Bits, der störungsfreie Dynamikbereich, die Reinheit des Taktsignals und das Übersteuerungsverhalten wichtiger als die nominelle ADC-Auflösung.

Taktjitter wird besonders bei hohen Eingangsfrequenzen kritisch:

SNR_jitter = −20 log₁₀(2π f_in σ_t)

Dabei ist σₜ der RMS-Taktjitter des ADC-Abtasttakts. Er beschreibt die kleine zufällige zeitliche Unsicherheit des Abtastzeitpunkts. Je höher die Eingangsfrequenz ist, desto stärker wird diese zeitliche Unsicherheit in Amplitudenrauschen umgesetzt. Deshalb hängen leistungsfähige SDRs nicht nur von Software ab, sondern auch von sorgfältigem Analogdesign, guter Filterung, sauberen Taktsignalen und einem geeigneten Antennensystem.

10. DAB and DAB+: digitaler Rundfunk als Empfängersystem

DAB ist nicht einfach „digitales FM“. Es handelt sich um ein völlig anderes Rundfunksystem. Es wird nicht ein einzelnes Programm pro HF-Kanal übertragen. Stattdessen wird ein Ensemble oder Multiplex ausgesendet, das mehrere Audioprogramme und Datendienste enthält. ETSI EN 300 401 definiert DAB als System für hochwertige digitale Audio-, Video- und Datendienste für mobilen, portablen und stationären Empfang in VHF-Frequenzbändern [30].

Technisch basiert DAB auf COFDM. Viele schmale Träger werden parallel übertragen. Jeder einzelne Träger hat eine vergleichsweise niedrige Symbolrate, wodurch das System robuster gegenüber Mehrwegeausbreitung wird. Entscheidend ist dabei das Schutzintervall: Echos, die innerhalb dieses Intervalls eintreffen, zerstören das OFDM-Symbol nicht sofort. Dadurch werden Gleichwellennetze möglich, bei denen mehrere Sender denselben Multiplex auf derselben Frequenz ausstrahlen.

Ein DAB-Empfänger muss daher wesentlich mehr Verarbeitung leisten als ein FM-Empfänger:

• den HF-Kanal auswählen
• das OFDM-Symboltiming erkennen
• Frequenzversatz korrigieren
• die Träger synchronisieren
• den Fast Information Channel decodieren
• den gewünschten Dienst innerhalb des Multiplex finden
• Deinterleaving und Fehlerkorrektur durchführen
• Audioframes rekonstruieren
• den Audiocodec decodieren

DAB+ ist die modernisierte Version. Der wichtigste Unterschied liegt in der Audiocodierung und im zusätzlichen Fehlerschutz. ETSI TS 102 563 definiert die Verwendung von HE-AAC v2 für DAB+ und beschreibt den erforderlichen Audiotransport sowie die Anforderungen an den Decoder [31]. Aus Sicht des Empfängers ist DAB+ daher nicht nur ein Radiodemodulator, sondern ein vollständiger digitaler Kommunikationsdecoder.

11. DRM, HD Radio und hybride Rundfunksysteme

Neben DAB/DAB+ existieren mehrere weitere digitale Rundfunksysteme.

DRM / Digital Radio Mondiale
DRM wurde für digitalen Rundfunk in bestehenden Rundfunkbändern entwickelt, besonders für Langwelle, Mittelwelle und Kurzwelle, aber auch für VHF als DRM+. Das System verwendet variable OFDM- und Codierungsparameter, sodass Robustheit und Bitrate an die Ausbreitungsbedingungen angepasst werden können. Die DRM-Organisation beschreibt variable OFDM- und Codierungsparameter als Möglichkeit, den besten Kompromiss zwischen Sendeleistung, Robustheit und Datenkapazität zu wählen [32]. Für Kurzwelle ist das wichtig, weil Fading, Mehrwegeausbreitung und Dopplereffekte dort stark ausgeprägt sein können.

HD Radio / NRSC-5
In Nordamerika ist HD Radio als NRSC-5 standardisiert. Es handelt sich um ein In-Band-On-Channel-System. Digitale Seitenbänder werden um das bestehende AM- oder FM-Signal herum übertragen. Ein Sender kann einen Hauptprogrammdienst, zusätzliche Programmdienste und erweiterte Datendienste ausstrahlen [33]. Ein Empfänger muss daher sowohl analoge als auch digitale Signalanteile verarbeiten und gegebenenfalls zwischen ihnen überblenden oder umschalten.

Hybrid Radio / RadioDNS
Ein modernes Autoradio ist zunehmend kein reiner HF-Empfänger mehr. Es kombiniert FM, DAB, DAB+, HD Radio oder DRM mit IP-Diensten. RadioDNS beschreibt Hybrid Radio als Kombination aus Rundfunk und Internetverbindung. Das Rundfunksignal bleibt der robuste und skalierbare Audioweg, während Logos, Metadaten, Programminformationen und manchmal alternative Streams über IP bereitgestellt werden [34].

Der Empfänger wird damit zu einem hybriden Rundfunk-/IP-Endgerät.

12. DMR und digitale Sprachempfänger

DMR steht für Digital Mobile Radio. Es ist kein Rundfunksystem, sondern ein digitaler Standard für professionellen Mobilfunk. Trotzdem ist DMR für die moderne Empfängertechnik sehr relevant, weil es zeigt, wie weit sich der Begriff „Radioempfänger“ von der einfachen Audiodemodulation entfernt hat.

DMR verwendet Zwei-Zeitschlitz-TDMA in einem 12,5-kHz-Kanal. Die DMR Association erklärt, dass ein einzelner 12,5-kHz-Kanal zwei gleichzeitige und unabhängige Gespräche unterstützen kann, indem der Kanal in zwei abwechselnde Zeitschlitze aufgeteilt wird [35].

Ein DMR-Empfänger muss:

• ein 4FSK-Signal demodulieren
• das Symboltiming zurückgewinnen
• Frequenzfehler korrigieren
• die Zeitschlitzstruktur erkennen
• Color Code, Talkgroup und Stations-IDs decodieren
• Vorwärtsfehlerkorrektur anwenden
• den Vocoder-Bitstrom decodieren
• Sprache rekonstruieren
• in Bündelfunksystemen Steuerkanalinformationen auswerten

Intern ist ein DMR-Empfänger daher wesentlich näher an einem kleinen digitalen Kommunikationsterminal als an einem klassischen FM-Empfänger.

Ähnliche Entwicklungen gibt es bei anderen digitalen Sprachsystemen:

• TETRA verwendet vier TDMA-Zeitschlitze in einem 25-kHz-HF-Kanal [36].
• P25 wird vor allem in Funknetzen der öffentlichen Sicherheit verwendet, besonders in Nordamerika.
• NXDN und dPMR verwenden schmalbandige FDMA-Konzepte.
• D-STAR ist ein digitaler Amateurfunkstandard für Sprache und Daten, der von der Japan Amateur Radio League veröffentlicht wurde [37].
• System Fusion, M17 und andere Amateurfunksysteme folgen ähnlichen digitalen Funkideen, jedoch mit unterschiedlichen technischen und lizenzrechtlichen Philosophien.

Digitale Sprachsysteme verändern auch die Wahrnehmung der Empfangsqualität. Analoges FM wird bei schwächer werdendem Signal allmählich verrauschter. Digitale Sprache bleibt dagegen sauber, bis Synchronisation und Fehlerkorrektur nicht mehr ausreichen. Dann entstehen Artefakte, Aussetzer oder vollständige Stille. Dieser „Cliff Effect“ ist charakteristisch für viele digitale Systeme.

13. Moderne Empfänger sind Protokollmaschinen

Bei einem klassischen analogen Radio war der größte Teil der Arbeit nach der Demodulation erledigt. Bei modernen Empfängern ist die Demodulation dagegen oft erst der Anfang.

Ein heutiger digitaler Empfänger kann folgende Ebenen enthalten:

• HF-Frontend
• ADC und digitales Frontend
• Synchronisation
• Kanalschätzung
• Entzerrung
• Demodulation
• Deinterleaving
• Fehlerkorrektur
• Framing
• Protokolldecodierung
• Codec-Verarbeitung
• Benutzeroberfläche oder Netzwerkschnittstelle

Das gilt für DAB, DRM, DMR, TETRA und P25, aber auch für WLAN, LTE und 5G.

Bei 5G NR empfängt der Empfänger nicht mehr „einen Sender“ im klassischen Sinn. Er empfängt ein Zeit-Frequenz-Ressourcengitter. Er muss den Funkkanal schätzen, Mehrwegeausbreitung entzerren, MIMO-Ebenen verarbeiten, QAM-Symbole demappen, LDPC- oder Polar-Codes decodieren, HARQ-Prozesse behandeln und schließlich IP-Daten bereitstellen.

Aus Sicht der Radiogeschichte ist die Linie dennoch durchgehend. Der Empfänger gewinnt weiterhin Information aus einem schwachen elektromagnetischen Signal zurück. Nur die interne Umsetzung hat sich verändert: vom abgestimmten Detektor zum hochintegrierten Signalverarbeitungscomputer.

14. Spektrumanzeige, Wasserfall und Aufzeichnung: ein neuer Blick auf Radio

Ein traditionelles Radio zeigt eine Frequenz an und erzeugt Ton. Ein SDR zeigt ein Spektrum. Dadurch verändert sich, wie Radio genutzt und verstanden wird.

Eine Wasserfallanzeige ist mehr als eine optische Spielerei. Sie ist ein Zeit-Frequenz-Messinstrument. Sie kann sichtbar machen:

• FM-Träger und RDS-Unterträger
• DAB-Blöcke als breite OFDM-Signale
• digitale Sprachkanäle
• ADS-B bei 1090 MHz
• AIS um 162 MHz
• Wetterradiosonden
• Satellitentelemetrie
• Kurzwellen-Fading
• lokale Störquellen
• Oberwellen von Schaltnetzteilen

Ein SDR kann außerdem eine ganze I/Q-Bandbreite aufzeichnen. Das ist technisch wichtig. Ein Signal kann später mit anderen Filtern, Demodulatoren oder anderer Software analysiert werden. Empfang wird reproduzierbar. Was früher ein einzelner Hörmoment war, wird zu einem Datensatz.

15. Grenzen moderner Empfänger

Auch mit digitaler Signalverarbeitung bleiben manche Grenzen unverändert.

Antenne und Standort
Kein ADC kann eine schlechte Antenne vollständig ausgleichen. Antennengewinn, Polarisation, Erdung, Mantelwellen, lokales Rauschen und die Qualität des Empfangsstandorts bleiben entscheidend.

Vorselektion
Ein breitbandiges SDR ohne Vorselektion kann durch starke FM-, DAB-, Mobilfunk- oder Rundfunksender übersteuert werden. Die gewünschte Frequenz kann im Spektrum sauber aussehen, während der ADC bereits durch Außerbandsignale in die Kompression getrieben wird.

Dynamikbereich
Ein 8-Bit-SDR kann äußerst nützlich sein, sein nutzbarer Dynamikbereich ist jedoch begrenzt. Hochwertigere Empfänger verwenden 12, 14 oder 16 Bit, aber Frontend-Design, Taktqualität und Filterung bestimmen weiterhin die reale Leistungsfähigkeit.

Taktqualität
Für schmale digitale Signale, Satellitenempfang, kohärente Mehrkanalempfänger und Messanwendungen ist die Frequenzreferenz kritisch. TCXO-, OCXO- oder GPSDO-Referenzen können erforderlich sein.

Softwarekomplexität
Ein analoger Empfänger lässt sich weitgehend aus seinem Schaltplan verstehen. Ein moderner Empfänger erfordert zusätzlich Firmware, FPGA-Design, Treiber, DSP-Algorithmen, Codecs und Protokollwissen. Die Fehlerbilder verschieben sich: Nicht nur Spulenabgleich und schlechte Lötstellen spielen eine Rolle, sondern auch Pufferüberläufe, USB-Latenz, Treiberprobleme und numerische Instabilität.

16. Künstliche Intelligenz und zukünftige Empfänger

Künstliche Intelligenz wird vermutlich weder die Antenne noch den rauscharmen Vorverstärker oder das analoge Frontend ersetzen. Die Physik bleibt bestehen. Wahrscheinlicher ist der Einsatz von KI in Bereichen, in denen klassische Algorithmen komplex, adaptiv oder von wechselnden Bedingungen abhängig sind.

Mögliche Anwendungen sind:

• automatische Modulationserkennung
• Klassifikation von Störungen
• adaptive Filterung
• Erkennung illegaler oder fehlerhafter Aussendungen
• Spektrumüberwachung
• automatische Senderidentifikation
• intelligente Squelch-Systeme
• neuronale Kanalentzerrung
• MIMO-Erkennung
• verbesserte Synchronisation und Demapping

Aktuelle Forschung zeigt bereits neuronale Empfänger für 5G-NR-MU-MIMO-Szenarien. In solchen Systemen können Kanalschätzung, Entzerrung und Demapping gemeinsam von einem neuronalen Netz durchgeführt werden [38]. Für Rundfunk- und Amateurfunkempfänger wird die kurzfristige Auswirkung vermutlich praktischer sein: bessere Rauschminderung, automatische Betriebsartenerkennung, Transkription, Signalklassifikation und Spektrumsuche.

Eine vorsichtige Prognose wäre: KI wird den Radioempfänger nicht ersetzen, aber Teile der digitalen Basisbandkette optimieren. Der Empfänger der Zukunft könnte ein gutes analoges Frontend, direkte Digitalisierung, klassische DSP-Verarbeitung und lernende Algorithmen kombinieren.

17. Fazit: Die Form ändert sich, die Aufgabe bleibt

Vom Kristalldetektor bis zum RFSoC hat sich fast alles verändert: Bauteile, Stabilität, Filter, Modulationsverfahren, Benutzeroberflächen und Protokolle. Die grundlegende Aufgabe ist jedoch gleich geblieben: Aus einem schwachen elektromagnetischen Signal muss Information zurückgewonnen werden.

Die historische Entwicklung lässt sich als schrittweise Verlagerung von Empfängerfunktionen betrachten:

• Detektorära: Demodulation durch Nichtlinearität
• Röhrenära: Verstärkung, Schwingungserzeugung und Mischung
• Superhet-Ära: feste Zwischenfrequenz und hochwertige Filter
• Transistorära: Miniaturisierung und Batteriebetrieb
• IC-Ära: Integration, PLL-Synthese und digitale Steuerung
• DSP-Ära: digitale Filter und Demodulatoren
• SDR-Ära: I/Q-Daten und softwaredefinierte Empfängerstrukturen
• Gegenwart: HF-Sampling, OFDM, FEC, Protokolle, IP-Integration und KI-Unterstützung

Das alte Radio war ein abgestimmter elektrischer Apparat. Das moderne Radio ist ein rekonfigurierbares Signalverarbeitungssystem. Aber selbst das fortschrittlichste SDR bleibt in einem wesentlichen Punkt ein Radioempfänger: Vor der Software kommt die Antenne.

Glossar der Abkürzungen und technischen Begriffe

ADC – Analogue-to-Digital Converter / Analog-Digital-Wandler
Wandelt ein analoges Spannungssignal in digitale Abtastwerte um. In SDR-Empfängern ist der ADC eine der kritischsten Komponenten, weil Auflösung, Abtastrate, Taktqualität und Übersteuerungsverhalten die Empfängerleistung stark beeinflussen.

AGC – Automatic Gain Control / automatische Verstärkungsregelung
Eine Regelschleife, die die Empfängerverstärkung abhängig von der Signalstärke automatisch anpasst. Sie verhindert Übersteuerung bei starken Signalen und verbessert die Nutzbarkeit bei schwachen Signalen.

AM – Amplitude Modulation / Amplitudenmodulation
Ein Modulationsverfahren, bei dem die Amplitude des Trägers entsprechend dem Audio- oder Informationssignal verändert wird. AM war das klassische Modulationsverfahren für Langwellen-, Mittelwellen- und Kurzwellenrundfunk.

AVC – Automatic Volume Control / automatische Lautstärke- oder Verstärkungsregelung
Älterer Begriff, der häufig bei Rundfunkempfängern für die automatische Verstärkungsregelung verwendet wurde. In vielen Zusammenhängen beschreiben AVC und AGC im Wesentlichen dieselbe Empfängerfunktion.

BFO – Beat Frequency Oscillator / Schwebungsoszillator
Ein Oszillator im Empfänger, der CW- oder SSB-Signale hörbar macht. Er liefert einen lokalen Träger, der mit dem empfangenen Signal gemischt wird.

COFDM – Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Ein digitales Modulationsverfahren mit vielen eng benachbarten orthogonalen Trägern und zusätzlicher Fehlerkorrektur. DAB und DAB+ verwenden COFDM.

CW – Continuous Wave
Eine Funkbetriebsart, die hauptsächlich für Morsetelegrafie verwendet wird. Der Sender sendet einen unmodulierten Träger, der ein- und ausgeschaltet wird. Der Empfänger benötigt einen BFO oder Produktdetektor, um das Signal hörbar zu machen.

DAB – Digital Audio Broadcasting
Ein digitales Rundfunksystem auf Basis von OFDM/COFDM. Mehrere Audioprogramme und Datendienste werden gemeinsam in einem Multiplex übertragen.

DAB+ – Digital Audio Broadcasting Plus
Eine verbesserte Version von DAB mit effizienterem Audiocodec, HE-AAC v2, und zusätzlichem Fehlerschutz. DAB+ ist in vielen Ländern die dominierende Form des digitalen terrestrischen Radios.

DAC – Digital-to-Analogue Converter / Digital-Analog-Wandler
Wandelt digitale Abtastwerte wieder in ein analoges Signal um. In Empfängern kann er für die Audioausgabe verwendet werden; in Sendern und Transceivern dient er zur Erzeugung von HF- oder ZF-Signalen.

dBm – Dezibel bezogen auf 1 Milliwatt
Eine logarithmische Leistungseinheit. 0 dBm entspricht 1 mW. Sehr schwache Funksignale werden häufig als negative dBm-Werte angegeben.

DMR – Digital Mobile Radio
Ein digitaler Sprach- und Datenfunkstandard, der hauptsächlich im professionellen Mobilfunk und auch von Funkamateuren verwendet wird. DMR nutzt Zwei-Zeitschlitz-TDMA in einem 12,5-kHz-Kanal.

DSP – Digital Signal Processing / Digital Signal Processor
Digitale Signalverarbeitung beziehungsweise digitaler Signalprozessor. In Empfängern kann DSP Filter, Demodulatoren, AGC, Rauschminderung, Spektrumanzeigen und viele andere Funktionen realisieren.

DRM – Digital Radio Mondiale
Ein digitales Rundfunksystem für Langwelle, Mittelwelle, Kurzwelle und VHF. Es verwendet OFDM und effiziente Audiocodierung.

ENOB – Effective Number of Bits / effektive Bitzahl
Ein praktisches Maß für die Leistungsfähigkeit eines ADCs. ENOB beschreibt die tatsächlich nutzbare Auflösung eines ADCs unter Berücksichtigung von Rauschen und Verzerrungen.

FEC – Forward Error Correction / Vorwärtsfehlerkorrektur
Ein Verfahren, bei dem dem übertragenen Signal redundante Information hinzugefügt wird, damit der Empfänger Übertragungsfehler korrigieren kann, ohne eine erneute Übertragung anzufordern.

FM – Frequency Modulation / Frequenzmodulation
Ein Modulationsverfahren, bei dem die Momentanfrequenz des Trägers entsprechend dem Audio- oder Informationssignal verändert wird. FM wird für VHF-Rundfunk und viele Sprachfunksysteme verwendet.

FPGA – Field Programmable Gate Array
Ein programmierbarer Logikbaustein, der häufig für schnelle digitale Signalverarbeitung eingesetzt wird. Viele moderne SDRs verwenden FPGAs für digitale Abwärtsumsetzung, Filterung und Datenverarbeitung.

GPSDO – GPS Disciplined Oscillator / GPS-disziplinierter Oszillator
Eine sehr stabile Frequenzreferenz, die durch GPS nachgeführt wird. Sie wird verwendet, wenn langfristige Frequenzgenauigkeit wichtig ist.

HD Radio – High Definition Radio / NRSC-5
Ein digitales Rundfunksystem, das hauptsächlich in Nordamerika verwendet wird. Es überträgt digitale Signale im oder nahe am bestehenden AM- oder FM-Rundfunkkanal.

HE-AAC – High Efficiency Advanced Audio Coding
Ein effizienter Audiocodec, der in mehreren digitalen Rundfunksystemen verwendet wird. DAB+ nutzt HE-AAC v2.

HF – High Frequency / Kurzwelle
Der Frequenzbereich von 3 MHz bis 30 MHz. In der internationalen Funktechnik wird dieser Bereich als HF bezeichnet; in der praktischen Radiotechnik entspricht er weitgehend der Kurzwelle. Nicht zu verwechseln mit dem deutschen allgemeinen Begriff „HF“ für Hochfrequenz.

IF / ZF – Intermediate Frequency / Zwischenfrequenz
Eine feste Frequenz innerhalb eines Superheterodynempfängers nach der Mischung. Filterung und Verstärkung lassen sich bei einer festen Zwischenfrequenz einfacher optimieren als direkt bei der empfangenen HF-Frequenz.

I/Q – In-phase and Quadrature components / Inphase- und Quadraturkomponenten
Die beiden Komponenten eines komplexen Basisbandsignals. I und Q enthalten gemeinsam Amplituden- und Phaseninformation und sind grundlegend für SDRs und moderne digitale Empfänger.

IP2 / IP3 – Second- and Third-Order Intercept Point
Kennwerte zur Beschreibung von Linearität und Intermodulationsverhalten eines Empfängers. Ein hoher IP3 weist meist auf gutes Großsignalverhalten hin.

LDPC – Low-Density Parity-Check Code
Ein leistungsfähiger Fehlerkorrekturcode, der in modernen digitalen Kommunikationssystemen verwendet wird, unter anderem bei 5G NR.

LF – Low Frequency / Langwelle
Der Frequenzbereich von 30 kHz bis 300 kHz. Er umfasst in einigen Regionen den Langwellenrundfunk.

LO – Local Oscillator / lokaler Oszillator
Ein Oszillator im Empfänger, der zur Frequenzumsetzung verwendet wird. In einem Superhet wird das LO-Signal mit dem eingehenden HF-Signal gemischt, um die Zwischenfrequenz zu erzeugen.

MIMO – Multiple Input Multiple Output
Eine Funktechnik, bei der mehrere Antennen auf Sender- und Empfängerseite verwendet werden, um Datenrate, Zuverlässigkeit oder beides zu verbessern. MIMO wird in WLAN, LTE und 5G eingesetzt.

MF – Medium Frequency / Mittelwelle
Der Frequenzbereich von 300 kHz bis 3 MHz. Er umfasst das traditionelle AM-Mittelwellenrundfunkband.

MPX – Multiplexsignal
Beim FM-Stereorundfunk enthält das MPX-Signal Mono-Audio, Stereo-Differenzinformation, Pilotton und häufig RDS-Daten.

NCO – Numerically Controlled Oscillator / numerisch gesteuerter Oszillator
Ein digital erzeugter Oszillator, der in SDRs für Mischung, Abstimmung und Frequenzumsetzung im digitalen Bereich verwendet wird.

NF – Noise Figure / Rauschzahl
Ein Maß dafür, wie viel zusätzliches Rauschen ein Empfänger oder Verstärker dem Signal hinzufügt. Eine niedrigere Rauschzahl bedeutet im Allgemeinen bessere Empfindlichkeit.

NRSC-5 – National Radio Systems Committee Standard 5
Der technische Standard hinter HD Radio als digitalem In-Band-On-Channel-Rundfunksystem.

OCXO – Oven-Controlled Crystal Oscillator / temperaturgeregelter Quarzoszillator
Ein sehr stabiler Quarzoszillator, der auf konstanter Temperatur gehalten wird. Er bietet eine bessere Stabilität als ein einfacher Quarzoszillator oder ein TCXO.

OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Ein digitales Modulationsverfahren, bei dem der Datenstrom auf viele eng benachbarte orthogonale Unterträger verteilt wird. OFDM wird unter anderem bei DAB, DRM, WLAN, LTE und 5G verwendet.

PLL – Phase-Locked Loop / Phasenregelschleife
Eine Regelschleife, die einen Oszillator an eine Referenzfrequenz bindet. PLLs werden in synthetisierten Empfängern häufig für stabile und genaue Abstimmung eingesetzt.

PSK – Phase Shift Keying / Phasenumtastung
Ein digitales Modulationsverfahren, bei dem Information durch Änderungen der Trägerphase dargestellt wird.

QAM – Quadrature Amplitude Modulation / Quadraturamplitudenmodulation
Ein digitales Modulationsverfahren, bei dem sowohl Amplitude als auch Phase verändert werden. QAM wird in modernen Kommunikationssystemen sehr häufig eingesetzt.

RF / HF – Radio Frequency / Hochfrequenz
Das hochfrequente elektrische Signal, das von der Antenne empfangen oder vor der Umsetzung auf ZF oder Basisband verarbeitet wird. Im deutschen Artikel wird dafür meist „HF“ verwendet.

RFSoC – Radio Frequency System on Chip
Ein integrierter Baustein, der HF-Datenwandler, digitale Signalverarbeitung und programmierbare Logik kombiniert. RFSoCs werden in fortgeschrittenen SDR- und Kommunikationssystemen eingesetzt.

RDS – Radio Data System
Ein digitaler Datendienst, der beim FM-Rundfunk auf einem 57-kHz-Unterträger übertragen wird. RDS überträgt Informationen wie Sendername, Programmtyp, alternative Frequenzen und Radiotext.

SDR – Software Defined Radio
Eine Funkarchitektur, bei der viele Empfänger- oder Senderfunktionen in Software statt in fest verdrahteter analoger Hardware realisiert werden. SDR arbeitet typischerweise mit digitalen I/Q-Samples.

SFDR – Spurious-Free Dynamic Range / störungsfreier Dynamikbereich
Das Verhältnis zwischen dem Nutzsignal und der größten unerwünschten Störlinie in einem Empfänger- oder ADC-System. SFDR ist ein wichtiger praktischer Dynamikbereichsparameter.

SNR – Signal-to-Noise Ratio / Signal-Rausch-Verhältnis
Das Verhältnis zwischen Nutzsignalleistung und Rauschleistung. Ein höheres SNR bedeutet meist besseren Empfang oder eine geringere Fehlerrate.

SSB – Single Sideband / Einseitenband
Eine Form der Amplitudenmodulation, bei der der Träger und ein Seitenband unterdrückt werden. SSB ist sehr bandbreiten- und leistungseffizient und wird häufig für Sprachkommunikation auf Kurzwelle verwendet.

TCXO – Temperature-Compensated Crystal Oscillator / temperaturkompensierter Quarzoszillator
Ein Quarzoszillator mit Temperaturkompensation. Er ist stabiler als ein einfacher Quarzoszillator, aber meist weniger stabil als ein OCXO oder GPSDO.

TDMA – Time Division Multiple Access / Zeitmultiplexzugriff
Ein Mehrfachzugriffsverfahren, bei dem mehrere Nutzer denselben HF-Kanal verwenden, aber in unterschiedlichen Zeitschlitzen senden. DMR und TETRA verwenden TDMA.

TETRA – Terrestrial Trunked Radio
Ein digitaler Bündelfunkstandard, der vor allem von Behörden, Verkehrsbetrieben und industriellen Anwendern genutzt wird. TETRA verwendet vier TDMA-Zeitschlitze in einem 25-kHz-Kanal.

TRF – Tuned Radio Frequency Receiver / Geradeausempfänger
Eine frühe Empfängerarchitektur, bei der die gesamte HF-Verstärkung und Filterung direkt auf der Empfangsfrequenz erfolgt.

UHF – Ultra High Frequency
Der Frequenzbereich von 300 MHz bis 3 GHz. Er umfasst viele Kommunikations-, Rundfunk-, Satelliten- und Radardienste.

VFO – Variable Frequency Oscillator / abstimmbarer Oszillator
Ein veränderbarer Oszillator, der in älteren Empfängern und Sendern verwendet wurde. In vielen modernen Geräten wurde er durch PLL- oder DDS-Synthesizer ersetzt.

VHF – Very High Frequency
Der Frequenzbereich von 30 MHz bis 300 MHz. Er umfasst FM-Rundfunk, DAB im Band III, Flugfunk, Seefunk und viele mobile Funkdienste.

Vocoder – Voice Coder / Sprachcoder
Ein Codec, der Sprache in einen digitalen Datenstrom mit niedriger Bitrate komprimiert und am Empfänger wieder rekonstruiert. Digitale Sprachsysteme wie DMR verwenden Vocoder.

xHE-AAC – Extended High Efficiency Advanced Audio Coding
Ein sehr effizienter moderner Audiocodec, der in einigen digitalen Rundfunk- und Streaming-Systemen verwendet wird, unter anderem bei DRM-Anwendungen.

Quellen und weiterführende Literatur

[1] NobelPrize.org – The Nobel Prize in Physics 1909, Marconi and Braun
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1909/summary/

[2] History of Information – John Ambrose Fleming Invents the Vacuum Tube, Beginning Electronics
https://historyofinformation.com/detail.php?id=561

[3] Britannica – Audion summary
https://www.britannica.com/summary/Audion

[4] Austrian Centre for Digital Humanities and Cultural Heritage – Robert von Lieben
https://www.biographien.ac.at/oebl/oebl_L/Lieben_Robert_1878_1913.xml

[5] Karl Skowronnek, „Zur Entwicklung der Elektronenverstärker-Röhre (Lieben-Röhre)“, in: Archiv für Geschichte der Mathematik, der Naturwissenschaften und der Technik, Band 13, Neue Folge IV (1930/31), herausgegeben von Julius Schuster. Berlin: Verlag von F. C. W. Vogel, 1931.

[6] Engineering and Technology History Wiki – Edwin H. Armstrong
https://ethw.org/Edwin_H._Armstrong

[7] Engineering and Technology History Wiki – Alexander Meissner
https://ethw.org/Alexander_Meissner

[8] Espacenet – Alexander Meißner, DE291604C, „Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungen“
https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/000546471/publication/DE291604C?q=pn%3DDE291604C

[9] Radiomuseum.org – VE301 Dyn W Volksempfänger, technische Daten
https://www.radiomuseum.org/r/gemeinsch_ve301dyn_w.html

[10] United States Holocaust Memorial Museum – German Radio: The People’s Receiver
https://exhibitions.ushmm.org/propaganda/german-radio-the-peoples-receiver

[11] Engineering and Technology History Wiki – Superheterodyne Receiver
https://ethw.org/Superheterodyne_Receiver

[12] IEEE Communications Society – Superheterodyne Patents and Applications; Armstrong and Schottky
https://www.comsoc.org/node/18901

[13] IEEE Communications Society – Superheterodyne Radio Patented; französische Patente von Lucien Lévy
https://www.comsoc.org/node/18896

[14] AEG / Dr. Lübeck – Entwicklungstendenzen des Rundfunks, 1940; Tabelle XXX: „Anteil der Superhet- und Geradeausempfänger am Inlands- und Auslandsabsatz“

[15] ETSI ETS 300 384 – VHF FM sound broadcasting transmitters; FM-Multiplex, Pilotton und RDS-Unterträger
https://www.etsi.org/deliver/etsi_i_ets/300300_300399/300384/01_60/ets_300384e01p.pdf

[16] Computer History Museum – 1947: Invention of the Point-Contact Transistor
https://www.computerhistory.org/siliconengine/invention-of-the-point-contact-transistor/

[17] NXP / Philips TEA5767 datasheet – Single-chip electronically tuned FM stereo radio
https://cdn.sparkfun.com/assets/4/5/f/a/d/TEA5767.pdf

[18] NXP application note – Low-voltage FM stereo radio with TEA5767/68
https://www.rockbox.org/wiki/pub/Main/DataSheets/application_note_tea5767-8.pdf

[19] Skyworks / Silicon Labs Si4732-A10 short datasheet – Broadcast AM/FM/SW/LW/RDS radio receiver
https://www.skyworksinc.com/-/media/Skyworks/SL/documents/public/data-shorts/Si4732-A10-short.pdf

[20] PU2CLR Si4735 Arduino Library – Steuerung von Si47xx-Empfängern und SSB-Patch-Unterstützung
https://github.com/pu2clr/SI4735

[21] PU2CLR Si4735 Wiki – Hinweise zur SSB-Patch-Unterstützung für Si47xx-Bausteine
https://github.com/pu2clr/SI4735/wiki

[22] IEEE Communications Society – Software Radio / Joseph Mitola
https://www.comsoc.org/node/19896

[23] GNU Radio – About GNU Radio
https://www.gnuradio.org/about/

[24] Texas Instruments – Direct RF Conversion: From Vision to Reality
https://www.ti.com/lit/slyy068

[25] AMD/Xilinx – An Adaptable Direct RF Sampling Solution
https://www.amd.com/content/dam/amd/en/documents/solutions/direct-rf-sampling-solution-white-paper.pdf

[26] Osmocom – rtl-sdr project; Realtek-RTL2832U-DVB-T-Sticks als preisgünstige SDR-Empfänger mit rohen I/Q-Samples
https://osmocom.org/projects/rtl-sdr/wiki

[27] RTL-SDR.com – About RTL-SDR; Überblick über RTL-SDR als preisgünstigen USB-SDR-Empfänger
https://www.rtl-sdr.com/about-rtl-sdr/

[28] SDRplay – RSPdx wideband 14-bit SDR receiver
https://www.sdrplay.com/rspdx/

[29] RFSoC-PYNQ – Real Digital RFSoC 4x2 overview
https://www.rfsoc-pynq.io/rfsoc_4x2_overview.html

[30] ETSI EN 300 401 – Radio Broadcasting Systems; Digital Audio Broadcasting
https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/300400_300499/300401/02.01.01_60/en_300401v020101p.pdf

[31] ETSI TS 102 563 – DAB+-Audiocodierung mit MPEG HE-AAC v2
https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/102500_102599/102563/02.01.01_60/ts_102563v020101p.pdf

[32] Digital Radio Mondiale – DRM Technology
https://www.drm.org/about-drm/drm-technology/

[33] NRSC-5-D – In-band/on-channel Digital Radio Broadcasting Standard
https://www.nrscstandards.org/standards-and-guidelines/documents/standards/nrsc-5-d/nrsc-5-d.pdf

[34] RadioDNS – Hybrid Radio Standards
https://radiodns.org/

[35] DMR Association – Überblick über den Digital-Mobile-Radio-Standard
https://www.dmrassociation.org/

[36] TCCA – TETRA ETSI standards and technical overview
https://tcca.info/tetra/for-tetra-specialist/etsi-standards/

[37] JARL – Digitalization Technology Standard for Amateur Radio / D-STAR
https://www.jarl.org/English/7_dstar/STD6_0_E.pdf

[38] NVIDIA Research – A Neural Receiver for 5G NR Multi-user MIMO
https://research.nvidia.com/publication/2023-12_neural-receiver-5g-nr-multi-user-mimo