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Der FUNcube-Dongle (FCD), ein ultra-kompakter SDR-Empfänger für Frequen-zen oberhalb 64 MHz, ist ein Kind derAMSAT-UK [1]. Im Jahr 2009 starteteman dort das in der der CubeSat-Klasseangesiedelte Satellitenprojekt FUNcube[2]. Wenn alles planmäßig verläuft, wirddieser Satellit Ende 2012 in eine Erdum-laufbahn gelangen. Er hat die Standard-maße der CubeSats von 10 cm ¥ 10 cm ¥10 cm und eine Masse von weniger als 1 kg.

Er soll einen UHF/VHF-Lineartrans pon -der, eine Bake und ein Experiment in einesonnensynchrone niedrige Umlaufbahnvon etwa 600 km bis 700 km Höhe, ein sogenannter Low-Earth-Orbit (LEO), tra-gen.Bei dem Experiment geht es um einenwerkstofftechnischen Versuch, bei dem dieStrahlungsabsorption verschiedener Ober-flächen (z. B. Schwarz und Silber) mit -einander verglichen werden. Physikalischist dieser Versuch dem sogenannten Leslie-Würfel ähnlich. Die Messwerte des Expe-riments werden von der Telemetriebakegesendet, und es ist angedacht, dass Schü-ler und Studenten diese empfangen undauswerten. Ein weiterer Bestandteil des Projekts istdie sogenannte Fitter Message, eine Kurz-nachricht, die zum Satelliten hochgeladenund periodisch gesendet werden kann. DerBegriff Fitter ist das Twitter des FUNcu-be. Neun verschiedene Fitter lassen sichspeichern. Ein wesentliches Merkmal desSatelliten ist das Fehlen eines On-Board-Computers im engeren Sinne. Stattdessenfindet ein Mikrocontroller Verwendung.

Die Satellitensteuerung soll mit einfachenBefehlen erfolgen. Um eine maximaleEnergieeffizienz und eine hohe Zuverläs-sigkeit zu erreichen, ist die Konstruktionso einfach wie möglich gehalten. Es sindzwei solcher Satelliten geplant. Der FUNcube-Dongle ist das „Bodenseg-ment“ des Gesamtprojekts FUNcube. Esist erklärtes Ziel, den Empfang des Satel-liten einer breiteren Öffentlichkeit zu er-möglichen, die über die Gemeinschaft gut

ausgerüsteter Funkamateure hinausgeht.Der pädagogische Ansatz besteht darin,junge Menschen für Raumfahrt, Funk-technik, Physik und Elektronik zu begeis -tern.Hinter dem Projekt FCD steht HowardLong, G6LVB, der in AMSAT-Kreisen keinUnbekannter ist. Von ihm stammen bereitsandere Hardwareentwicklungen, wie zum

Beispiel der LVB-Tracker, eine Antennen-steuerung für Satellitenfunk. G6LVB ent-wickelte in seinem Shack den FUNcube-Dongle, bestückte dort die Leiterplattender ersten Serien, brannte die Firmware,baute sie in das Gehäuse und organisierteden Versand. Die ersten Exemplare wur-den zu Weihnachten 2010 online angebo-ten und waren binnen Sekunden verkauft.Inzwischen erfolgt eine professionelleFertigung der Dongles und verschiedeneeuropäische Funktechnikhändler, u. a. [7],übernehmen den Vertrieb.

� HardwareEs gibt eine Basis- und eine Pro-Version.Erstere soll gegen geringe Kosten an Bil-dungseinrichtungen abgegeben werden, da -mit diese am FUNcube-Projekt mitarbei-ten können. In dieser Version sind lediglichdie benötigten Frequenzen freigeschaltet.Ein Upgrade von Base nach Pro ist nurbeim Hersteller möglich. Im Folgendengeht es um die Pro-Version.Der FUNcube-Dongle kommt in einerkleinen Plastikbox daher. Ein Beipackzet-tel erklärt, wo man die nötige Softwareund eventuell Hilfe bekommen kann. DieInbetriebnahme ist relativ einfach. Hilfe-stellung leistet insbesondere die yahoofuncube group [3]. Dort gibt es auch Linkszur benötigten Software, Manuals und Be-schreibungen. Es empfiehlt sich, den FUNcube-Donglenicht direkt an den USB-Anschluss zu ste-cken, sondern ein kurzes Verbindungskabelzu nutzen, um mechanische Spannungen

Der FUNcube-Dongle – ein SDR-Empfänger besonderer ArtANDREAS BILSING – DL2LUX

Es ist nicht erstaunlich, dass der FUNcube-Dongle nach seiner Ankündi-gung bereits für Aufregung sorgte. Ein SDR-Empfänger für 64 MHz bis1700 MHz in der Größe eines USB-Speichersticks zum Preis von unter150 € ist ein attraktives Angebot. Nicht nur die AMSAT-Gemeinde hat fürdiesen Empfänger Verwendung gefunden. Hardware-Ergänzungen und er-weiterte Software ermöglichen interessante Anwendungen.

Cube-Sat

Internet

Telemetrie-Datenbank

Computer (empfängtSprechfunk, Bilderund Daten)

Bild 2: Das Konzept FUNcube-Satellit und FUNcube-Dongle – Empfang von Telemetrieund Informationen aus dem Erdorbit als Teil eines globalen Kooperationskonzepts

Tabelle 1: Daten des FCD

Frequenzbereich 64 MHz…1,7 GHz Bandbreite 80 kHzQuadratur-Abtastrate 96 kHzEmpfindlichkeit 0,15 µV (12 dB

SINAD NBFM @ 145/435 MHz)

Abmessungen 86 mm ¥ 23 mm ¥14 mm ohne Stecker

Preis etwa 140 €

Bild 1: Der FCD (u.) bestehtaus einem zweitei -ligen Kunststoff -gehäuse, das die Leiterplatte mit sämt-lichen Bauelemententrägt. In der Bildmitteist der KW-Konverterzu sehen, der als vor-bestückter Bausatzgeliefert wird.

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von der Verbindung fernzuhalten. Gleichesgilt für den Anschluss einer Antenne an dieSMA-Buchse, vor allem bei Verwendungvon BNC- oder N-Adaptern.

� BlockschaltbildDas Blockschaltbild in Bild 3 zeigt die we-sentlichen Bestandteile des FCD. Nachdem Antenneneingang folgen ein rausch-

armer Eingangsverstärker (Low Noise Am-plifier – LNA) und ein sogenannter Sili-zium-Tuner E4000. Er verfügt über eineninternen LNA. Der zusätzliche externedient zur Verbesserung der Empfindlich-keit. Dieser CMOS-Tuner ist im Gegensatzzum herkömmlichen Can-Tuner nicht in ei-nem Blechgehäuse untergebracht, sondernauf einem Silizium-Chip integriert. Bild 4 gibt einen Hinweis auf dessen inne-re Struktur. Die Anwendungssoftware desFUNcube-Dongles ermöglicht die Auswahlverschiedener Parameter jeder einzelnenStufe, dadurch ist das Blockschaltbild zu-gleich Bestandteil der Windows-Frontend-Software FCHid.exe zur Parametrierung. Dem LNA des E4000 folgt ein Bandpass-filter, welches softwaremäßig abstimmbarist. Das gefilterte Signal gelangt dann zuzwei identischen Mischern, die die benö-tigten I/Q-Signale erzeugen. Der Lokalos-zillator (LO) erzeugt um 90° versetzte Aus-gangssignale für die beiden Mischer.Der FCD ist ein Direktmischer (engl. ZeroIF), sodass der LO auf der Empfangsfre-quenz schwingen muss. Dieser LO, eben-falls Bestandteil des E4000, verwendet ei-nen externen Quarz oszillator als Referenz,welcher wiederum eine PLL und einenFrequenzsynthesizer ansteuert. Vom Aus-gang des Mischers gelangt das Signal überein Tiefpassfilter und einen geregeltenVerstärker zum Ausgang des E4000. Dort steht ein analoges Ausgangssignal(I/Q) zur Verfügung, welches vom Audio-Codec (Soundkartenschaltkreis) übernom-

men, digitalisiert und an den PIC weiter-geleitet wird. Der Audio-Codec arbeitetmit einer Abtastrate von 96 kHz und digi-talisiert das I/Q-Signal zu einem linkemund einem rechtem Audiosignal. Ein PICsteuert den E4000 und leitet den I/Q-Da-tenstrom zum USB-Interface. Dieser PICenthält die Firmware zur Steuerung undParametrierung des gesamten FCD.

Der Empfänger hat eine offene Eingangs-stufe ohne jede Filterung. Daher kann derEmpfang von sehr schwachen Signalen inder unmittelbaren Nähe starker Signale(Mobiltelefone, FM-Sender) beeinträch-tigt werden.

� FirmwareDer FUNcube-Dongle wird üblicherweisemit einer Basic-Firmware ausgeliefert, diefür den Test beim Hersteller optimiert ist.Die Firmware auf dem letzten Stand zu hal-ten und ein Update durchzuführen ist dieAufgabe des Anwenders. Dadurch erspartsich der Hersteller, wechselnde Zwischen-versionen auszuliefern. Der Update-Pro-zess ist ausführlich in englischer Sprachebeschrieben und mit vielen Screenshotsversehen [4]. Dadurch ist dieser Vorgangsehr einfach durchzuführen und dürfte

keine Probleme bereiten. Allerdings ist zubeachten, dass der Prozess nicht unterbro-chen werden darf. Stellen Sie also vor demStart sicher, dass die USB-Verbindungenfunktionieren und der Rechner nicht zu-fällig gleichzeitig durch eine andere An-wendung herunterfährt!

� SDR-ProgrammeUm den vom SDR-Empfänger geliefertendigitalen Datenstrom hörbar zu machen,benötigt man eine entsprechende Soft-ware. Tabelle 2 enthält eine unvollständi-ge Auswahl. Sämtliche dieser Programmesind in der Lage, die I/Q-Signale vonSDR-Empfängern zu verarbeiten. Jedochverfügt nicht jedes Programm über einezum FCD passende Frequenzsteuerung.Für erste Versuche lässt sich SpectraVuevon Moetronix verwenden, jedoch ist dasbereits vorgestellte FCHid.exe zur Fre -quenz einstellung erforderlich. Diese Kon-figuration funktioniert zwar stabil, aberdie Bedienung ist umständlich. Wenn mansich bei der Frequenzeingabe vertippt, danngerät der FUNcube-Dongle „auf Abwege“.Wesentlich bequemer ist es, eine Softwarezu verwenden, die vollständigen Zugriffauf sämtliche Parameter des FCD ermög-licht. Entweder ist dieser Zugriff auf dieHardware vollständig integriert oder es istein Software-Interface, wie es G0MJW(ExtIO_FCD_G0MJW.dll) auf [3] zur Ver-fügung stellt, zu verwenden.Eine Möglichkeit ist die Software HDSDRvon DG0JBJ. Hierbei sollte die besagteDLL im selben Verzeichnis liegen wieHDSDR. Bild 5 zeigt HDSDR im Einsatz.Bedingt durch das Direktmischprinzipkommt es wegen des Gleichspannungsan-teils auf der Mittenfrequenz zu einer Im-pulsspitze. Diese Spitze lässt sich soft-waremäßig unterdrücken. Dazu entferntman die Antenne, sodass diese Spitze klarzu sehen ist, und wechselt in den ExpertMode (Bild 6). Durch sorgfältigen Ab-gleich der Regler DC-Offset (%) ist eineVerringerung der Impulsspitze erreichbar,bis diese etwa 10 dB über dem Rauschen

LNASilizium-

TunerE4000

Analog-

I/Q I/Q

I2S-CodecTLV320AIC3104

PIC24FJ32GB002

I2C-Codec-KonfigurationI2C-Tuner-Abstimmung

USB PhyisochronerI/Q-Daten-

strom

USB-Abstimmung

ComputerSprechfunk-demodulator,Telemetrie-

DecoderBGA2717

Bild 4: Screenshot der FCD-Frequenzsteuerungs-Software FCHid.exe.Neben der Frequenz -einstellung lässt sichanhand vom Signal-schema des E4000der FUNcube-Donglekonfigurieren.

Bild 3: Blockschaltbild des FCD

Bild 5:Screenshot von

HDSDR beim Baken -empfang im 2-m-

Band; hier wird dieLeipziger Bake

DB0LBV empfangen.

Fotos und Screen -shots: DL2LUX

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liegt. Die Spiegelfrequenzunterdrückungerfolgt durch die Beobachtung eines Trä-gersignals und die Einstellung von Pha-senwinkel und Verstärkung mit dem Reg -ler Phase Correction (%). Die letzte Einstellung betrifft die Frequenz-genauigkeit. Für eine genaue Frequenzan-

zeige ist es nötig, evtl. Frequenzabweichun-gen zu korrigieren. Dazu empfängt man ei-nen Sender bekannter Frequenz, liest dieAnzeige ab, errechnet die Differenz zwi-schen wirklicher und angezeigter Frequenz,teilt diese durch die wirkliche Frequenz,multipliziert diesen Wert mit 1000000 underhält die Abweichung in Parts per Million(ppm). Diesen Wert trägt man in das FeldError (ppm) ein und speichert das Setup. Mit diesen Einstellungen und einer ordent-lichen Antenne lassen sich Signale vonVHF bis SHF beobachten. Damit dabei dieverbleibende Impulsspitze des Gleichspan-nungsanteils beim Empfang nicht in derMitte des Empfangskanals liegt, kann mandas Nutzsignal mit der Maus im Spektrum-diagramm um wenige Kilohertz verschie-ben.

� SatellitenempfangHierbei gilt es, die auftretende Doppler-verschiebung des Empfangssignals zukompensieren. Mike Rupprecht, DK3WN,entwickelte dafür das Programm Satcon-trol_FCD [5]. Diese Software ist für dieArbeit mit HDSDR vorgesehen, steuertdie Empfangsfrequenz und nimmt dabeieine Dopplerkorrektur vor. Das Programmbenötigt, wie jede Bahnverfolgungs(Tra-cking-)Software aktuelle Keplerelemente,den eigenen Standort, die genaue Zeit undInformationen über die Frequenz des Sa-telliten. Wichtig ist, dass die ExtIO_FCD_G0MJW.dll im selben Verzeichnis wie die-

ses Programm liegt. Die Windows-Soft-ware FCHid.exe ist dann überflüssig. Alternativ kann die Software SDR-Radiovon HB9DRV zum Einsatz kommen. Beidiesem umfangreichen Programm ist derFCD bereits integriert und hat einen eige-nen Bereich auf dem Bildschirm. Die Ins -

tallation von SDR-Radio für den FCD istausführlich in einem Handbuch (UsingThe FUNcube Dongle 1.0.pdf) beschrie-ben, das auf der Webseite von HB9DRVveröffentlicht ist. SDR-Radio unterstütztden Satellitenempfang mit einem eigenenTracking-Programm zur Dopplerkorrekturund Antennennachführung.

� BakenDer Empfangsbereich des FCD über-streicht gleich vier Amateurfunkbändermit Bakenbereichen: 4 m, 2 m, 70 cm und23 cm. Diese Bereiche dienen der Beob-achtung der Ausbreitungsbedingungen.Bemerkenswert ist, dass auf dem 4-m-Band in einigen europäischen Ländern(HA, I, OK) bereits Baken betrieben wer-den [8], [9]. Lokale Baken eigenen sich gutfür den Funktionstest. So gelang es, die Baken von DB0LBV mit dem FUNcube-Dongle zu empfangen (Bild 5).Eine „Bake“ der besonderen Art ist dieMilchstraße. Sie strahlt elektromagneti-sche Wellen auch im Spektralbereich derRadiowellen aus. Dr. David Morgan be-schreibt in [6] den Aufbau eines Radio -

teleskops unter Verwendung eines FCD.Er resümiert, dass mit 3-m-Spiegel, Vor-verstärker, FUNcube-Dongle und Compu-ter einige für die Radioastronomie reser-vierten Frequenzbereiche zu empfangensind. Auf diese Weise lässt sich der Radio-himmel auf 1420,4 MHz beobachten unddie galaktische Ebene nachweisen.

� KW-KonverterFür VHF und höhere Frequenzen entwi-ckelt, war KW-Empfang mit dem Gerät bis-her nicht möglich. Abhilfe schafft ein Kon-verter, wie ihn WiMo [7] als SMD-vor be -stückten Bausatz für 69 € anbietet. Diesererschließt den Frequenzbereich von 0…52MHz. Einfach direkt vor den FCD in dieAntennenzuleitung eingeschleift (Bild 1)erfolgt die Stromversorgung ab V 2.0 wahl -weise über USB oder vom FCD aus.Der Konverter setzt die Empfangssignaleauf eine um 106,250 MHz höhere Frequenzum. Damit ist der Konverter mit jeder Soft-ware für den FCD verwendbar. MancheProgramme wie z. B. HDSDR (Bild 6) er-lauben die Einstellung eines konstantenOffsets, sodass die Empfangsfrequenz auchim Konverterbetrieb korrekt abzulesen ist.Für gute Großsignalfestigkeit verfügt derKonverter über ein eingangsseitiges Tief-passfilter sowie eine einstellbare UKW-Bandsperre (FM broadcasting trap).

Literatur und Bezugsquellen

[1] www.uk.amsat.org/[2] www.funcubedongle.com[3] http://uk.groups.yahoo.com/group/funcube[4] NN: The FUNcube-Dongle Firmware Update, Ver-

sion 2.0; FCDFirmwareUpdateGuide.pdf;www.funcubedongle.com/?page_id=313ÆDownloads

[5] www.dk3wn.info/satcontrol_fcd.shtml[6] www.dmradas.co.uk[7] WiMo Antennen und Elektronik GmbH, Am Gäx-

wald 14, 76873 Herxheim, Tel. (0 72 76) 9 66 80,www.wimo.com

[8] www.70mhz.org[9] Gerlach, H., DL2SAX: Versuchsfunkbetrieb auf

dem 4-m-Band in Deutschland. FUNKAMATEUR60 (2011) H. 11, S. 1152–1154

Tabelle 2: Auswahl an für den FUNcube-Dongle nutzbaren SDR-Programmen

Software Autor Betriebs- FUNcube- Link

system Dongle-SteuerungHDSDR DG0JBJ Windows ja www.hdsdr.deWRPlus S. Sfregola Windows ja www.wrplus.altervista.org/SpectraVue AE4JY Windows nein www.moetronix.comSDR-Radio HB9DRV Windows ja http://sdr-radio.comWinrad I2PHD Windows ja www.winrad.org/KGKSDR M0KGK Windows nein www.m0kgk.co.uk/sdr/DSP Radio DL2SDR Mac OS X ja http://dl2sdr.homepage.t-online.de/Quisk SDR N2ADR Linux nein http://james.ahlstrom.name/quisk/Pebble N1DDY Windows ja http://sites.google.com/site/pebblesdr/

Tabelle 3: Beispiel zur Berechnung der Frequenzabweichung

DB0LBV Sollfrequenz 144 434,000 kHz Anzeige 144 431,100 kHzDifferenz 2,900 kHzFehler 20,078 ppmEinzugeben 20 ppm

Bild 6: Ähnlich der FCHID-Software lassen sichdie Einstellungen mitder Konfigurations-Software ExtIO vonG0MJW vornehmen.ExtIO ist eine DLL,die mit dem Front -end-ProgrammHDSDR zusammen-arbeitet.

Bild 7: Die Offset-Frequenz, die Frequenzab-weichung (Fehler), die Reduzierung der DC-Impulsspitze und die Spiegelfrequenzunter-drückung lassen sich mit der Konfigurations-Software ExtIO von G0MJW einstellen.

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