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Angetestet: SDR-Frontend HackRF

Das Open-Source-USB-Modul für Software-Defined-Radio-Anwendungen wurde ausgeliefert – unsere Autorin Friederike Maier konnte ein Exemplar aus der ersten Charge des HackRF selbst ausprobieren.

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HackRF mit WLAN-Antenne

Die ersten Exemplare des über Kickstarter finanzierten SDR-Frontend HackRF für Frequenzen von 10 MHz bis 6 GHz sind ausgeliefert worden. Beliefert wurden zumindest schon diejenigen, die die Entwicklung direkt über Kickstarter unterstützt haben. Alle anderen können das Modul im Onlinehandel zwar schon bestellen (etwa bei Passion Radio oder WiMo), allerdings gehen dem Hersteller Great Scott Gadgets öfter mal die Geräte aus.

Wer bei Kickstarter investiert hat, bekam das Gerät mit einer Teleskopantenne geliefert. Die ebenfalls von Great Scott Gadgets entwickelte Antenne ist auf eine Länge von 20–88 cm einstellbar. Damit ist sie laut Hersteller auf Frequenzen zwischen 75 MHz und 1 GHz angepasst. Dabei gilt stets: je kleiner die Antenne, desto höher die Frequenz. Für Signale um 75 MHz sollte die Antenne also vollständig ausgefahren sein, für Signale bei 1 GHz ganz eingefahren. Das Frontend unterstützt Frequenzen von 10 MHz bis 6 GHz. Für höhere Frequenzen eignen sich zum Beispiel WLAN-Antennen für 2,4 GHz. Bei den Anschlüssen muss man aufpassen: WLAN-Antennen haben oft RP-SMA-Anschlüsse, für den SMA-Anschluss des HackRF benötigt man dann noch einen Adapter.

Die Installation unter Ubuntu 14.04 klappt am einfachsten über die Repositories von gqrx:

sudo add-apt-repository ppa:gqrx/releases

oder für die aktuellste, dafür eventuell nicht ganz so stabile Version von gqrx:

sudo add-apt-repository ppa:gqrx/snapshots
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install gqrx gnuradio gr-osmosdr hackrf

Alles (!), was bisher an GNU-radio installiert war, muss vorher deinstalliert werden, ansonsten gibt es inkompatibles Versionschaos.

OFDM-Signal des Vodafone-LTE-Downlink im 800-MHz-Band mit gqrx und der mitgelieferten Teleskopantenne

Zum Anschauen des Spektrums eignet sich das Programm gqrx hervorragend. Falls das HackRF nicht direkt vom Programm erkannt wird, trägt man als "Device string" hackrf=0 ein. Bei zu hohen Sample-Raten bekommt der USB-2-Anschluss die Daten nicht mehr schnell genug wegtransportiert – 16 MSPS funktionieren noch gut. Die Bandbreite stellt man auf 16 MHz oder kleiner, je nachdem, ob das gesamte Spektrum oder nur das Signal in der Mitte interessant ist. Ist der Empfangsfilter zu breit eingestellt, erscheinen am Rand des Spektrums Alias-Effekte. Das Signal erscheint einmal dupliziert, verschwindet aber im Gegensatz zu dem echten Signal, wenn man es in die Mitte des Fensters schiebt.

Das HackRF hat im Empfangsmodus drei verschiedene Möglichkeiten, die Verstärkung (bei gqrx rechts unter "Input controls") einzustellen. Der RF Gain schaltet einen LNA (rauscharmen Verstärker) mit 14 dB Verstärkung zu. Der IF Gain verstärkt das Zwischenfrequenzsignal von 0–62 dB und der BB Gain das Basisbandsignal von 0–47 dB. Für den Anfang bietet sich die Wahl von Werten in der Mitte an.

Unter Windows läuft das HackRF mit SDR# (SDRSharp). Für die Installation des richtigen Treibers schließt man das HackRF an, startet dann das Programm Zadig, das mit im SDR#-Installationsordner liegt, und installiert den Windows-USB-Treiber. Anschließend stellt man in SDR# die Sample-Rate und die Verstärkung über das Zahnradsymbol in der Leiste oben ein.

OFDM-Signal des Vodafone-LTE-Downlink im 800-MHz-Band mit SDR#

Dank der ordentlichen Bandbreite kann man sich zum Beispiel LTE-Signale anschauen. Die rechteckigen Mehrträger-Signale (OFDM) sind knapp 10 MHz breit. Auf dem Land wird hauptsächlich das 800-MHz-Band verwendet; Vodafone hat auch in vielen Städten erstmal die 800 MHz ausgebaut (Downlink: 801–811 MHz). In den Ballungsräumen wird zusätzlich das 2,6-GHz-Band ausgebaut.

UMTS-Signale bei 2,15 GHz


Im 2,1-GHz-Band kann man sich UMTS-Signale anschauen; das klappt mit einer WLAN-Antenne noch ganz gut. Die 5 MHz breiten W-CDMA-Signale sind etwas runder als OFDM.

WLAN-Signale sieht man bei 2,4 GHz. Aufgrund der großen Bandbreite und der nicht kontinuierlichen Aussendung sieht man das Signal am besten bei der Darstellung als Wasserfalldiagramm und wenn man zusätzlich eine datenintensive Anwendung startet.

Das HackRF kann mit einer Ausgangsleistung von etwa 10 mW senden – im Halbduplexbetrieb, also abwechselnd zum Empfang. Hierzu nutzt man am besten den mit GNU-Radio installierten Companion GRC. Hier lassen sich einzelne Funktionsblöcke per Mausklick miteinander verbinden. Unter "Sources" und "Sinks" gibt es "osmocom Sink" und "osmocom Source", die das HackRF unterstützen. Hier muss man als "Device argument" wieder hackrf=0 eintragen. Danach sind der Fantasie keine Grenzen mehr gesetzt. Rechtlich gibt es allerdings die Einschränkung, dass es verboten ist, fremde Signale abzuhören. Auch das Senden ohne Lizenz ist verboten, für wenige Bereiche reicht eine Amateurfunklizenz.

Für den praktischen Betrieb beschränkt die 8-Bit-Auflösung des AD- und des DA-Wandlers die Dynamik. Für viele Anwendungen dürfte diese aber bei gutem Signalpegel noch ausreichen. Preislich bewegt sich das HackRF mit derzeit 299 Euro am unteren Ende des Felds der aktuell erhältlichen SDR-Tranceiver-Boards. Die günstigsten Boards von Ettus Research gibt es ab etwa 600 Euro, dafür in Full-Duplex und mit USB 3.0.

So sieht der Start eines HD-Online-Videos über WLAN im Kanal 8 aus.

Das ebenfalls mit Kickstarter-Hilfe entwickelte BladeRF bekommt man in den USA für 420 Dollar, es bietet ebenfalls USB 3.0, eignet sich allerding nur für Frequenzen zwischen 300 MHz und 3,8 Ghz. Wer nur etwas empfangen, aber nicht senden möchte, kommt am günstigsten mit einen DAB/DVB-T Stick mit RTL-SDR-Chip für etwa15 Euro weg. Diese geben die IQ-Daten über einem Frequenzbereich von etwa 20 MHz–2 GHz aus, die maximale Bandbreite ist allerdings auf rund 1,5 MHz beschränkt. Breitbandiger könnte es demnächst mit Airspy werden. Die Hersteller versprechen 10 MHz Bandbreite zwischen 24 MHz und 1,7 GHz.

Michael Ossmann, der Entwickler des HackRF, bietet online auch einen Videokurs (auf Englisch) rund um SDR an. Von Digital Signal Processing über Dezibel bis zu komplexen Zahlen soll der Kurs Anfängern einen Überblick zu SDR mit GNU-radio und HackRF verschaffen. Bisher gibt es sechs Folgen, weitere Kapitel sind versprochen. (Friederike Maier) / (pek)