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9. Kurze Einführung in die SBSP
Die SBSP „Spectrum Based Signal Processing" ist ein neuartiges Prinzip bei der Verarbeitung von
Funksignalen. In der Messtechnik sowie im kommerziellen, Mil- und Space-Bereich ist dieses Prinzip lange
bekannt und wird für verschiedene Anwendungen eingesetzt, beispielsweise:
·
Spektrumanalysatoren
·
Digitale Telekommunikationsnetze
·
Sonargeräte
·
Radioastronomie
·
Breitbandige Funküberwachung
·
Sonargeräte
Weiterhin gibt es, auch im privaten Bereich, eine Anwendung beim sogenannten SDR „Software Defined
Receiver". Dabei übernimmt ein Vorsatzgerät den Empfang von HF-Signalen und gegebenenfalls die
Umsetzung in digitale Signale und deren Weiterleitung an einen PC, bzw. die Einspeisung der analogen
Signale in die Soundkarte des PC. Auf dem PC laufende Software übernimmt dann die Funktion des
Receivers durch „Simulation" der üblichen analogen Verarbeitungsstufen als Programmablauf auf einem
(oder mehreren) leistungsfähigen Prozessoren.
All diese Anwendungen haben (mit seltenen Ausnahmen) folgende Eigenschaften gemeinsam:
·
Verwendung des FFT-Algorithmus zur Transformation der Zeit-basierten Daten („Oszillogramm") in
Frequenz-basierte Daten („Spektrogramm").
·
Verwendung der Spektrogramme nur für Messungen und visuelle Darstellungen.
·
Keine Verwendung der Spektrogramme zur direkten Verarbeitung der aufmodulierten
Informationen (Filterung, Demodulation, Audiogenerierung).
Letzteres trifft nicht zu für spezielle Modulationsverfahren (z. B. digitale Sprachübertragung in
Telekommunikationsnetzen), die speziell für den Gebrauch des FFT-Algorithmus entwickelt wurden.
Alle anderen üblichen „analogen" Modulationsarten wie AM, SSB oder FM werden nicht Spektrum-basiert
verarbeitet. Die Gründe sind, unter anderen:
·
Hoher Aufwand für gleichzeitige Anwendung bei Messung / Bilddarstellung und Signalverarbeitung.
·
Fehlende Software (Programme zur Nachahmung der analogen Prinzipien sind frei verfügbar,
eigene Softwareentwicklung für SBSP ist kompliziert, aufwendig und teuer).
·
NICHTEIGNUNG des FFT-Algorithmus für gute Ergebnisse.
Da die FFT ansonsten überall benutzt wird, soll kurz auf die letzte Aussage eingegangen werden. Als
„FFT" wird eine für die digitale Ausführung in getakteten Systemen („Prozessor") optimierte binäre
Rechenvorschrift („Algorithmus") bezeichnet, welche den mathematischen Prozess der Fourier-
Transformation eines Signals bestimmter Länge (Zeitdauer) ausführt. Die Ausführung dieser „analogen"
(aus einer theoretisch unendlichen Vielzahl von Signalzuständen bestehenden) Transformation auf Basis
diskreter (endliche Menge) digitaler Abtastungen des Signals (den Samples aus dem ADC) führt zu
wesentlichen Einschränkungen bei den erzielbaren Ergebnissen.
Das ist ähnlich(!) dem bekannten Nyquist-Theorem zu verstehen: Ein Signal kann nur eindeutig
(re)produziert werden, wenn seine Bandbreite kleiner als die Hälfte der Abtastfrequenz ist. Für die FFT
könnte man sagen: Man kann aus einer bestimmten Anzahl von Abtastungen (Samples) nur ein
eindeutiges Spektrum berechnen, dessen Auflösung höchstens den Kehrwert der Signaldauer (Zahl der
Abtastungen mal Abtastperiode) erreicht. Um z. B. ein Spektrum mit einer Auflösung von 1 Hz zu erhalten
(der Abstand der Spektrallinien, also die kleinstmögliche Trennbarkeit zweier Frequenzen), ist eine
Signaldauer von min. 1 s notwendig. Oder anders: Bei 1 Hz Auflösung kann man nur einmal pro Sekunde
ein eindeutiges Spektrum erhalten.
Zusätzlich gibt es bei der FFT noch weitere Einschränkungen (störende Artefakte) wie Nebenresonanzen
oder Pegelfehler der Spektrallinien („Lattenzauneffekt"). Das alles macht die FFT unbrauchbar zur direkten
Signalverarbeitung analoger Modulationen. Versuche haben gezeigt, dass für eine brauchbare
Signalqualität Auflösungen der Spektren von min. 10 Hz erforderlich sind. Geübte Ohren können selbst bei
höheren Frequenzen noch 1 Hz Unterschied hören. Andererseits erfordert eine (scheinbar) fortlaufende
Klangerzeugung eine Spektrenrate von min. 50 S/s (Spektren pro Sekunde). Das lässt sich gut mit der
Bildverarbeitung vergleichen. Auch dort sieht das Auge Einzelbilder erst etwa ab 50 Hz als fortlaufende
AUSGABE
DATUM
2.09.01
22.12.2018
K & M
NAME
RDR51_BA_V209.PDF
B. Reuter
Burkhard Reuter
Seite 54
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