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了解软件无线电基础知识

作者:Art Pini

投稿人:Digi-Key 北美编辑

从军事和航空航天到业余爱好者,软件无线电 (SDR) 的前景在于,只要使用一个硬件,用户就可以捕获、解调和访问广泛的无线电频率范围内的射频信号。扫描的宽度取决于硬件的射频前端,而可访问信号的数量和类型则取决于软件和基础处理能力。这两者取决于应用要求以及相关的成本和功率预算。对于军事和航空航天领域,成本可能高达数万美元。对于短波听众、业余无线电发烧友和 DIY 者来说,需要的是一种简单、低成本的方法,利用现成即用的台式计算机或笔记本电脑来获取无线电波。

本文首先会简单介绍 SDR,再介绍 Adafruit Industries 推出的基于 USB 的低成本 SDR 模块。该模块可以接收和解调多种信号,从简单的连续波 (CW) 摩尔斯电码到最复杂的数字调制形式。文中将向用户展示如何使用该模块和相关软件,以在计算机上添加无线电接收、无线电频谱和频谱分析功能。

什么是 SDR?

SDR 就是用数字技术取代传统无线电硬件,如混频器、调制器、解调器和相关模拟电路。SDR 可使用适当的模数转换器 (ADC) 直接将无线电信号数字化,因此可以在软件中实现所有这些功能。如此一来,相同的硬件就可以用于多种无线电模式,无论是 AM、FM、CW、单边带 (SSB) 还是双边带 (DSB)。结果是无线电变得极其灵活,经过快速重新配置后,便可处理不同的信令技术(图 1)。

传统模拟接收器(上)与基于 SDR 的接收器(下)的比较示意图图 1:传统模拟接收器(上)与基于 SDR 的接收器(下)比较。在 SDR 接收器中,ADC 之后的所有功能均采用可编程数字电路来实现,从而允许进行可编程的更改和更新。(图片来源:Digi-Key Electronics)

超外差接收器等传统无线电(图 1,上图)基于硬件,用模拟元器件来实现。SDR 接收器使用射频调谐器将目标频带下变频为 ADC 范围内的中频 (IF)。自此之后,所有电路都是数字电路。数字下变频器将信号频率转换为基带,从而执行低通滤波功能。数字信号处理器 (DSP) 执行解调、解码和相关任务。这些电路通常基于应用特定的 IC (ASIC)、现场可编程门阵列 (FPGA) 和可编程 DSP 器件。借助适当的软件,这些数字电路可提供一个非常灵活的无线电,能够接收广泛的调制类型。

低成本 SDR 硬件

Adafruit Industries 1497 是一款低成本的 SDR 接收器,覆盖 24 MHz 至 1.85 GHz 的频率范围,并且基于地面数字视频广播 (DVB-T) 编码的正交频分复用 (COFDM) 解调器和独立的调谐器 IC。

DVB 联盟是欧洲的一个数字地面电视广播传输标准组织。该系统使用 MPEG 传输流,通过 COFDM 或 OFDM 调制来传输压缩的数字音频、数字视频和其他数据。这些设备经编程改造可用于其他应用,对于想要收听和研究 VHF、UHF 和低微波频率无线电信号的业余爱好者和 DIY 者来说是理想的选择。

Adafruit SDR 在非常小的物理尺寸内实现了所有信号处理能力,大小只有 22.24 mm x 23.1 mm x 9.9 mm(图 2)。它通过 USB 端口与主机连接,而现成的 SDR 软件在计算机/笔记本电脑上提供用户界面。制造商在入门指南中推荐使用 Airspy 的 SDR Sharp (SDR#)。软件安装只需不到五分钟,并且有完善的文档说明。

Adafruit 1497 低成本 SDR 接收器图片图 2:1497 是一款低成本 SDR 接收器,其封装只有 25 美分硬币大小,并配备辅助天线和遥控器。该接收器可从 24 MHz 调至 1.85 GHz,并通过 USB 与主机连接。(图片来源:Adafruit Industries)

接收器上的天线通过 MCX 连接器进行连接。接收器上的 MCX 插孔可以接受天线电缆上的插头,或者随附的天线可以替换成用户提供的定制天线。

如果用户决定用其他天线替换随附的天线,则可以用 MCX 插头进行连接。同轴转接器可用于将 SDR 上的 MCX 输入连接器与更常用的 SMA 或 BNC 连接器配接。Amphenol RF 同时提供 MCX 插头转 SMA 插孔 (242127) 和 BNC 插孔转 MCX 插头 (242204) 接头,是较常见的连接器接口。

SDR 支持软件

SDR# 软件与接收器相连,并提供用户界面和视觉显示(图 3)。

Airspy SDR# 用户界面图片(点击放大)图 3:Airspy SDR# 用户界面从左侧的下拉菜单控制 SDR 接收器。频谱分析仪显示在顶部网格中,下方是频谱历史记录。(图片来源:Digi-Key Electronics)

SDR# 默认用户界面包含三个主要元素:

  • 左侧的栏包含 SDR 器件的控件。其中有十四个下拉菜单,控制 SDR 接收器的各个方面。主要控件用于无线电、音频和显示。
  • 顶部网格包含频谱分析仪显示。通过使用以分贝校准的对数刻度,在水平轴上绘制频率,在垂直轴上绘制信号功率。频谱分析仪是射频工程师用来测量和分析射频设备的主要测试工具。屏幕顶部的数字读数用于显示和控制频谱分析仪的中心频率。显示的最大频率范围是接收器的带宽,约为 2 MHz。显示屏右侧有一个水平缩放滑块控件。缩放允许显示画面围绕中心频率水平扩展。
  • 频谱分析仪显示画面下方是频谱历史记录,有时称为谱图,用于显示频谱随时间的变化。水平轴是频谱分析仪画面中显示的频率;垂直标尺是时间。图中包含显示日期和时间的时标。第三维是信号功率,由颜色表示。默认的色度从黑色(最低功率水平)到红色(最高功率水平)。显示控件下有各种样式和颜色映射。

图 3 中显示的信号是 105.1 MHz FM 广播电台的信号。这是一个宽带 FM 信号,带宽为 200 kHz。其是 SDR 接收器中提供的八个解调器之一。其他解调器支持窄带 FM、AM、上下 SSB、DSB、CW 以及原始同相和正交信号分量。这些选项位于显示屏左上角的无线电控件中。

信号频谱由中心频率附近的模拟信号组成。其承载模拟广播节目。在此信号外部是双子带,包含其他节目资料和数字信息。节目信息内容经过解码,并即时显示在频谱分析仪显示画面上方。除了频谱显示外,还可以通过主机计算机访问广播电台的音频组件以进行收听。

宽带 FM 的带宽较大,因为它要承载高保真立体声音乐。美国国家气象局等无线电服务仅承载语音,并使用窄带 FM(图 4)。

美国国家气象局 162.471 MHz 气象广播图片(点击放大)图 4:收听美国国家气象局 162.471 MHz 气象广播。该电台使用窄带 FM。(图片来源:Digi-Key Electronics)

由于节目内容仅是语音,因此仅使用 11.2 kHz 的带宽接收美国国家气象局电台。同样,也可提供音频节目资料以及频谱显示。SDR 接收器可将所有这些服务添加至主机。

频谱历史记录或谱图显示对于查看接收信号频谱随时间的变化很有用。一个简单的例子是查看连续波 (CW) 摩尔斯电码信号的变化(图 5)。

连续波摩尔斯电码信号的谱图图片(点击放大)图 5:连续波摩尔斯电码信号的谱图。(图片来源:Digi-Key Electronics)

连续波信号可打开和关闭射频载波(开关键控),以此对数据进行编码。在谱图显示画面上,按键被按下(以及载波正在传输时)的时间段由画面上的浅蓝灰色轨迹指示。在信号轨迹中可以看到表示测试的摩尔斯字符“V”(滴滴滴答)。请注意,软件会提供标有“CW shift”(CW 移位)的拍频振荡器 (BFO) 来做好接收 CW 信号的准备,这提供了一个用户控制音调,以听到代码传输。由于 CW 传输是窄带,因此接收器会将带宽减小到 300 Hz,如无线电控件下拉菜单中所示。若将接收器带宽保持为接收模式所需的最小值,可最大程度地减小通道中的噪声水平。

SDR 接收器的某些测量应用

在这个联系越来越紧密的世界里,有很多射频源需要进行检查和维护。一个例子是验证远程气象站发射器模块的更新周期(图 6)。

谱图显示了远程发射器 433.93 MHz 载波频率下的两个射频脉冲。谱图上的时间刻度表示 FM 脉冲间隔大约 50 秒。

远程气象站发射器 433.92 MHz 下的谱图图片(点击放大)图 6:433.92 MHz 下以脉冲形式发送数据的远程气象站发射器谱图。谱图以约 50 秒的间隔捕获并显示传输的脉冲。(图片来源:Digi-Key Electronics)

汽车遥控无钥匙进入 (RKE) 系统的工作频率为 315 或 433 MHz,具体取决于所使用车辆的位置和管制法规。在这种情况下,用户只需要拿着钥匙扣靠近天线,按下其中一个按钮,就可以看到使用的调制类型(图 7)。

RKE 钥匙的频谱在约 433.9 MHz 处显示双峰。此设备的数据编码采用频移键控 (FSK),其中载波在两个频率之间移动以指示数字 1 或 0。其他 RKE 钥匙使用幅移键控 (ASK),其中载波的幅度在两个电平之间偏移,与 CW 信号差别不大。

遥控无钥匙进入设备的谱图使用 433.9 MHz 载波的 FSK 图片(单击放大)图 7:遥控无钥匙进入设备的频谱使用 433.9 MHz 载波的 FSK 来对数字数据进行编码,以控制进入车辆。(图片来源:Digi-Key Electronics)

总结

Adafruit 1497 SDR 接收器为研究爱好者和专业人士打开了 VHF、UHF 和低微波频带的大千世界。该器件可以让用户使用计算机收听 FM、TV、业余无线电、民用频段、天气和短波广播。它还可以用作频谱分析仪,以验证各种便携式射频设备的运行情况。此外,1497 也可用于制造射电天文学的干涉仪——所有这些均成本低廉。

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关于此作者

Art Pini

Arthur (Art) Pini 是 Digi-Key Electronics 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验,曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣,在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。

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