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USB-Anschlüsse entstören


Gewöhnlich beschränkt sich das Entstören von USB-Anschlüssen auf Ferrithülsen, die Abstrahlungen unterdrücken sollen. Aber spätestens wenn man SDR-Hardware per USB an einen Tablet-Computer anschließen will, beginnen die Probleme.

Die USB-Schnittstelle ist heute wohl die beliebteste Möglichkeit, um SDR-Hardware mit dem Rechner zu verbinden – eine Strippe mit weit verbreiteten Anschlussmöglichkeiten ermöglicht Datenverbindung und Stromversorgung gleichzeitig. Seit es Tablet-Computer mit USB-to-Go-Anschlüssen und Apps wie SDRTouch gibt, drängt sich eine Möglichkeit auf: Zumindest für den Urlaub sollte man doch den Kurzwellenempfänger durch einen der USB-Dongles auf Basis eines DVB-T-Chips ersetzen können. Funcube Pro plus oder DX Patrol fallen einem da als Beispiele ein.

Störspektrum durch USB-Einstreuungen

Beim ersten derartigen Projekt, das ich fand [1], stieß ich auf ein bislang unbekanntes Problem: Tablet-Computer erzeugen anscheinend deutlich stärkere Störungen als Notebooks oder herkömmliche PCs. Meine ersten Gehversuche bestätigten das in unerwartetem Maß: Selbst mit einem Abschlusswiderstand am Empfängereingang zeigte das Spektrum indiskutabel starke Störungen, siehe rechts.

Die Störungen konnten nicht von der SDR-Hardware stammen, denn am Notebook ist Ruhe. Auch eine Mantelwellendrossel brachte keine Verbesserung. Wie kommen also die Störsignale in die SDR-Hardware? Dazu muss man bedenken, dass eine Mantelwellendrossel nur unsymmetrische Ströme unterdrückt. Anders ausgedrückt: Sie macht die Summe der durch sie hindurch fließenden Hochfrequenzströme möglichst klein und verhindert so, dass das USB-Kabel als Antenne wirkt.


Ferrithülse auf USB-Kabel

Ganz offensichtlich erzeugt der Tablet-Computer hochfrequente Ströme, die über das USB-Kabel zur SDR-Hardware fließen und dort Spannungsabfälle erzeugen. Im einfachsten Fall reicht die Leiterschleife von der 5V-Leitung über den Abblockkondensator zur Masseleitung, um Störsignale in den Empfängereingang einzukoppeln.

Eine Lösungsmöglichkeit bieten USB-Isolatoren wie [2]. Das entscheidende Problem dabei: Es gibt USB-Isolatoren nur bis Full-Speed USB, also bis 12 Mbit/s. Für eine USB-Soundkarte oder den Funcube reicht das. Die hier diskutierten SDR-Empfänger auf Basis eines DVB-T-Chips können ihre Möglichkeiten aber nur mit High-Speed, also 480 Mbit/s ausspielen. Also muss man versuchen, das USB-Kabel zu entstören.

Die Stromversorgungsleitungen kann man gut einzeln verdrosseln und da die symmetrischen HF-Ströme unterdrücken. Bei den Datenleitungen geht das nicht, denn sie tragen ja Nutzsignale im MHz-Bereich. Die Daten werden aber symmetrisch übertragen, so dass eine gemeinsame Stromdrossel nicht stört: Der USB-Empfänger wertet lediglich aus, ob die eine Datenleitung gerade positiver oder negativer ist als die andere. Beim Initialisieren einer USB-Verbindung gibt es zwar ein paar unsymmetrische Signale. Aber die sind so niederfrequent, dass das Verdrosseln der Datenleitungen nicht stört.

So weit die Theorie. Also zerlegte ich ein USB-Kabel und fügte die geplanten Drosseln ein. Nur ging mit diesem Kabel gar nichts. Im besten Fall kam die Meldung, dass mein USB-Gerät an einer schnelleren USB-Schnittstelle des PCs schneller arbeiten könne. Offensichtlich bin ich aber nicht der erste der feststellen musste, dass die USB-Schnittstelle der DVB-T-Chips recht empfindlich ist [3].

Eine einfache und billige Lösung ist, einen USB-2.0-Hub zwischenzuschalten. Diese Geräte gibt es schon für weniger als 10 EUR und in jedem Computerladen. Wegen die vielen Anschlussbuchsen sind sie meist wenig kompakt aufgebaut. Man kann mit ihnen also recht einfach und risikoarm experimentieren.

USB-Hub mit Entstörglied

Am besten wählt man ein Hub-Modell, das wahlweise aktiv oder passiv betrieben werden kann – also mit oder ohne eigenes Netzteil. Wenn das Netzteil dann auch noch mit 5 V (statt oft 6 V) spezifiziert ist, kann man als Stromversorgung auch eine USB-Powerbank einsetzen. Die zusätzliche Stromversorgung erhöht im einfachsten Fall die Betriebsdauer des Tablet-Computers. Manche USB-Geräte sind auch mit dem 100 mA nicht zufrieden, die ein passiver USB-Hub pro Ausgang liefern kann. Entsprechende Instabilitäten kann man dann mit der zusätzlichen Stromversorgung beseitigen.

Zum Schluss sei noch eine andere Störquelle erwähnt: Schließt man an den Empfängereingang einfach ein Stück Draht an, braucht man sich über den Störnebel nicht zu wundern. Wenn dieser Draht kurz ist gegen die Wellenlänge, ist er sehr hochohmig. Alle Verdrosselei erzeugt aber bestenfalls Impedanzen von ein paar 100 Ohm. SDR-Empfänger und Tablet-Computer werden also vollständig zur Erde der Drahtantenne und damit Teil von ihr.

Eine Möglichkeit ist, einen (kurzen) Dipol mit einem Balun an den Empfängereingang anzukoppeln. Vor allem bieten sich aber resonante Magnetantennen an. Magnetantennen eignen sich gut für den Betrieb in Räumen und liefern die Eingangsselektion, die solch ein USB-Stick-SDR nicht haben kann.

Literaturhinweise

[1] London Calling: Designing a portable SDR system
[2] ELV: USB-Isolator UI 100
[3] Warsow, Klaus (DG0KW): Breitbandempfänger von VLF bis UHF mit modernem DVB-T-Stick (2)
In: Funkamateur 6/2014, S. 626ff

Dieser Artikel erschien erstmals im Heft 5/2015 der cqDL auf Seite 26f.

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Alexander von Obert * http://www.dl4no.de/thema/usb-anschluesse-entstoeren.htm
Letzte Änderung: 21.08.15 (Zeitschriftenmanuskript für Website aufbereitet)


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