軟件定義無線電和業(yè)余試驗

1 簡介

        軟件定義無線電 (SDR) 是一種無線電通信系統(tǒng),，通常以硬件(例如混頻器、濾波器,、放大器,、調制器和解調器、檢波器等)組件實施的東西現(xiàn)在通過個人計算機或嵌入式系統(tǒng)上的軟件來實現(xiàn),。雖然軟件定義無線電 (SDR)不是新的概念,，但其涉及的許多快速的數(shù)字電子發(fā)展能力過去只在理論上是可能的。

        基本的SDR系統(tǒng)可能由包括配有聲卡或其它模數(shù)轉換器,、前面有某種形式的射頻前端的個人電腦組成,。大量的信號被交給通用處理器處理，而不是用專用的硬件,。這種設計生產(chǎn)了一種完全基于所使用的軟件,、可以接收和傳輸廣泛不同的無線電協(xié)議（有時稱為波形）的收音機。

        在軍事和手機服務中軟件無線電具有重大的實用性,，這兩個都要求實時提供各式各樣變化的無線電協(xié)議,。

        長遠來看，提倡者像SDRForum（現(xiàn)在的無線創(chuàng)新論壇）預計軟件定義無線電將成為無線電通信中的主導技術,。軟件定義無線電與軟件定義天線一同是認知無線電的使成者,。

        軟件定義無線電有足夠的靈活性避免以前種類無線電設計師的'有限的頻譜'假設，以一種或多種方式,，包括：

        擴頻和超寬帶技術允許幾臺發(fā)射機在相同的位置用相同的頻率發(fā)射而干擾很小,，通常結合有一個或多個錯誤檢測和校正技術來修復所有由該干擾引起的錯誤。

        軟件定義天線自適應地'鎖定到'定向信號,，以便接收機可以更好地拒絕來自其它方向的干擾使其能夠檢測微弱的傳輸,。

        認知無線電技術：每個電臺檢測使用中的頻譜并把這些信息傳達給其它合作的電臺，以便發(fā)射機通過選擇未使用的頻率能避免相互干擾,。

        動態(tài)發(fā)射機功率調整,，基于來自接收機的信息，按最低所需降低發(fā)射功率,，減少遠近的問題,，并減少對其它的干擾。

        每添加電臺總容量增加并減少在任何一個節(jié)點上所要求的功率的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡,。每個節(jié)點只發(fā)射足夠大聲的信息跳到那個方向最近的節(jié)點,，減少了遠近問題并減少干擾到其它的。

工作原則

        理想的接收機方案應是給天線附加一個模擬-數(shù)字轉換器,。數(shù)字信號處理器會讀轉換器,，數(shù)字信號處理器的軟件然后把來自轉換器的數(shù)據(jù)流變換成應用程序需要的任何其它形式,。

        理想的發(fā)射機是類似的。數(shù)字信號處理器將生成數(shù)字的流,。這些將會發(fā)送給連接到無線電天線的數(shù)字-模擬轉換器,。

        由于技術的實際限制理想的計劃不是完全可以實現(xiàn)的。在兩個方向上的主要問題是在同一時刻數(shù)字和模擬域之間以足夠高的速度和足夠高的精度轉換的難度,，并不依靠像干擾和電磁共振物理過程的輔助,。

接收機結構

        大多數(shù)接收機使用變頻振蕩器、混頻器和濾波器來調諧所需的信號到常用中頻或基帶,，然后由模數(shù)轉換器采樣,。然而，在某些應用中沒有必要把信號調諧到中頻,，射頻率信號直接由模數(shù)轉換器采樣（后放大的）,。

        實用的模數(shù)轉換器缺少檢出亞毫伏、納瓦功率的無線電信號動態(tài)范圍,。因此在轉換步驟前必須低噪聲放大器,，此設備引入了自己的問題。例如,，如果雜亂信號出現(xiàn)（這是典型的）,，這些與放大器動態(tài)范圍之內的所需信號競爭。它們可能會引入所需信號的失真,，或者可能完全封鎖它們,。標準的解決方案是在天線和放大器之間使用帶通濾波器，但這些減少無線電的靈活性,。真正的軟件無線電往往有兩個或三個不同的帶寬轉入和轉出的模擬通道濾波器,。

軍用

        聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)（JTRS）原先是美國軍方計劃的下一代戰(zhàn)場行動中使用的語音和數(shù)據(jù)電臺。

        略

        2011年10月美國國防部副部長取消聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)項目,，指出：

        我們的評估是JTRS GMR 發(fā)展計劃的產(chǎn)品不大可能以合理的成本滿足服務需求的,，畢竟可能不符合某些要求。因此終止是必要的,。

        項目的資金被允許在 2012年3月到期,。

業(yè)余和家用

        典型的業(yè)余軟件無線電使用直接轉換接收機。與更遙遠的過去直接轉換接收機不同的是,，使用的混頻器技術基于正交采樣檢波器和正交采樣激勵器,。

        這種系列的軟件無線電接收機性能與利用的模擬-數(shù)字轉換器（Adc）的動態(tài)范圍直接有關。射頻信號向下轉換到音頻頻段,，由高性能音頻ADC采樣,。第一代軟件無線電接收機使用PC的聲卡提供ADC功能。較新的軟件定義無線電使用嵌入式高性能模數(shù)轉換器，提供更高的動態(tài)范圍和更抗噪聲和射頻干擾,。

        PC使用特定于無線電硬件的軟件快速執(zhí)行數(shù)字信號處理(DSP) 操作,。幾個軟件無線電努力使用開放源SDR 庫DttSP。

        SDR軟件執(zhí)行所有的解調,、濾波（無線電頻率和音頻頻率）、信號增強（均衡和雙耳提交）,。用途包括每個常見的業(yè)余調制：摩爾斯電碼,、單邊帶調制、頻率調制,、調幅和各式各樣的數(shù)字模式,，如無線電電傳、慢掃描電視和數(shù)據(jù)包無線電,。業(yè)余愛好者也實驗新調制方法：例如夢（DREAM）開源項目解碼用于全球范圍數(shù)字電臺（DRM）的COFDM 技術,。

        有廣泛的業(yè)余無線電愛好者和家用的硬件解決方案。有專業(yè)級的收發(fā)機解決方案,，例如,， ZS-1或Flex接收機，自制的PicAStar收發(fā)機,，軟巖SDR工具包和初學者解決方案,，例如短波的FiFi SDR。

       一些常見的帶有Realtek RTL2832U控制器的DVB-T USB閃盤和Elonics E4000 或Rafael Micro R820t高頻頭可以作為一個寬帶SDR接收機使用,。

        主要使用通用軟件無線電外設（USRP）的GNU無線電,，使用一個USB 2.0 接口、FPGA和一整套高速的模-數(shù)和數(shù)-模轉換器,、結合可重構的免費軟件,。其采樣和合成帶寬是PC聲卡的一千倍，使它能寬帶操作,。

        HPSDR (高性能軟件定義無線電)項目使用一個16位135MSPS模數(shù)轉換器在0到55MHz范圍提供傳統(tǒng)的模擬高頻無線電的性能,。接收機使用混頻器鏡像或別名響應也運作在甚高頻和超高頻范圍內。通過提供的一個USB2.0接口接口到PC,，也可以使用以太網(wǎng),。該項目是模塊化的并包括一個插其它的板的底板。這允許試驗新的技術和設備而無需更換整個板集的,。激勵器在同一范圍內提供1/2W的RF或使用鏡像或別名進入甚高頻和超高頻范圍,。

        WebSDR是由彼得-特捷克·德·波爾（Pieter.Tjerk de Boer）發(fā)起的通過瀏覽器訪問全球范圍內覆蓋完整短波范圍的多個SDR的項目。最近他分析了使用接收機系統(tǒng)耦合的啁啾發(fā)射機信號,。

2 業(yè)余試驗

        按照介紹和參考資料,，筆者試了一下成本最低的RealtekRTL2832U控制器的DVB-T USB數(shù)字電視接口，使用原因如簡介所示，我們把它當作一個SDR接收機,?？梢栽诰W(wǎng)上購得或在商店購得，幾十元或一二百元左右,，一定要買芯片是RealtekRTL2832U的,。這個SDR接收機如圖所示。

                                     接在計算機上的Realtek RTL2832U控制器的DVB-T USB數(shù)字電視接口

        根據(jù)資料,，目前使用這一款接收機的比較多,。相應的SDR軟件也較多，根據(jù)介紹選了反映比較好的兩款軟件,，一個是HDSDR,，另一個是SDRSHARP，后者是開源的(可能已不開源),，前者是免費軟件不開源,。選兩個應用的原因是看一看效果如何。

        第一個應用軟件HDSDR的 網(wǎng)址在http://www./,，版本2.63下載下來,。

        第二個應用軟件SDRSHARP的 網(wǎng)址在http:///，可從頁面下載鏈接頁下載,。

        下面分別看一下兩個應用：

1）HDSDR：

        安裝HDSDR,，記住路徑。

        下載DVB-T USB數(shù)字電視接口用DLL,，DLL在https://github.com/josemariaaraujo/ExtIO_RTL/raw/master/Release/ExtIO_RTL.dll

        將DLL復制在安裝HDSDR的路徑內,。

        安裝USB驅動工具，這個工具的網(wǎng)址在http:///projects/libwdi/files/zadig/,，最好用專用USB驅動安裝工具安裝,。

        然后只點擊HDSDR執(zhí)行文件。如果前一步USB驅動安裝正確的話,，HDSDR啟動會問用哪個DLL的,。

        啟動后選擇一種模式并設定參數(shù)，就可以進行各個頻段內的收聽實驗了,。畫面如圖所示,。

                                  HDSDR調頻收聽

                                                            RTL設定

                                                                                  SDR硬件耦合和本地中心頻率定格

        通過應用軟件，可以在調頻范圍內收聽到廣播以及進行各種操作,，參數(shù)比較多,，設定比較麻煩的，專業(yè)人士可能會很好使用的,。

2）SDRSHARP

        安裝已經(jīng)下載的SDRSHARP后啟動,，因為已經(jīng)安裝過了DVB-T USB數(shù)字電視接口的驅動,，因此啟動SDRSHARP后，選好前端的USB類型定好中心頻率,，運行后界面如下：

                                                                                               SDRSHARP的調頻畫面

        這個界面參數(shù)少一些,，似乎聲音效果好一些，但沒有前一個細微,，然后觀察了各種制式下的頻率,。以及各種濾波效果，許多復雜的FFT運算都包含在內部了,，應用者方便多了,。

        用經(jīng)濟的手段獲得近似專業(yè)的效果，應該說是現(xiàn)代技術帶來的好處,。如果不用這個工具的話，要達到這個目的,，一般比較難的,。按照軟件無線電的要求，確實利用了計算機作為主要的數(shù)字信號處理器,，而且可以靈活的進行軟件處理,。

        兩個軟件確實都可以運行，第一個精細的,，專業(yè)性強,，第二個雖比第一個簡單一些，但第二個是特別專用的,。但使用時都容易卡住的,，特別是變頻時，動態(tài)容易卡的,，停下來改變頻率再運行,，卡的現(xiàn)象會少些。

3）可以利用DVB-T USB數(shù)字電視接口結合免費軟件組構掃頻儀的,。

        參考資料,，除了DVB-T USB數(shù)字電視接口硬件外，再按照一定步驟安裝以下幾個軟件,，可以組構一個一般的掃頻儀,，這些軟件是SDRSharp 、rtlsdr.dll,、Zadig,、UniTrunker、VirtualAudio Cable,、Digital Speech Decoder(DSD),、Cygwin和MicrosoftVisual C++ 2010 Runtime,。但組構比較麻煩。

        其結果如下圖：

                                                                                   SDR掃頻結果

        圖下面黑色的部分是組構好后掃描到的內容,。

        還有許多業(yè)余SDR的應用,。

        本文技術介紹部分參考見WIKI的頁面。

        本文僅做參考,。