寬帶便攜式接收機(jī)的研究

汪庭霽，崔軍峰，楊文翰

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京　100037）

寬帶便攜式接收機(jī)的研究

汪庭霽，崔軍峰，楊文翰

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037）

隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展需要，傳統(tǒng)接收機(jī)體積龐大、不易攜帶的缺點(diǎn)越來(lái)越突出。本文選擇了某小型寬帶手持接收機(jī)進(jìn)行研究，該接收機(jī)能夠提供IQ數(shù)據(jù)輸出及計(jì)算機(jī)軟件控制選件，本文首先對(duì)該接收機(jī)的參數(shù)控制進(jìn)行了介紹，并對(duì)比了三款SDR（Software Defined Radio）軟件的功能與特點(diǎn)，最后說(shuō)明了正確獲取IQ數(shù)據(jù)的方法。

寬帶接收機(jī)；軟件無(wú)線電

1　引言

隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展及無(wú)線電設(shè)備的集成化程度越來(lái)越高，手持的高性能小型接收機(jī)愈加普及，業(yè)余無(wú)線電活動(dòng)發(fā)展迅速?；谶@方面的需求，我們選擇了某公司推出的一款小型寬帶手持接收機(jī)進(jìn)行研究。該型號(hào)接收機(jī)具有較寬的頻率接收范圍（0.05～1300MHz）；能夠輸出I/Q信號(hào)、音頻信號(hào)和10.7MHz鑒頻信號(hào)；在音頻輸出狀態(tài)下，能持續(xù)工作15小時(shí)，并具有遠(yuǎn)程控制功能，該接收機(jī)在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)各種無(wú)線電信號(hào)的解調(diào)與語(yǔ)音記錄，環(huán)境電磁頻譜的分析，設(shè)計(jì)制作各種無(wú)線電接收系統(tǒng)，例如對(duì)ACARS或者ADS-B信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，繪制飛機(jī)實(shí)時(shí)飛行軌跡，對(duì)AIS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，畫出船舶的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)位置等。

本文首先簡(jiǎn)述該接收機(jī)的基本性能，然后介紹相關(guān)控制軟件可調(diào)節(jié)的參數(shù)，并對(duì)比了三款不同的SDR控制軟件的功能與特點(diǎn)，最后研究了接收機(jī)提供的三種輸出信號(hào)特點(diǎn)，說(shuō)明了正確獲取IQ數(shù)據(jù)的方法。在此基礎(chǔ)上，無(wú)線電愛(ài)好者便可針對(duì)自己的需求進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)制作完成屬于自己的無(wú)線電接收系統(tǒng)。

2　接收機(jī)簡(jiǎn)介

某品牌的小型寬帶手持接收機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1　接收機(jī)的基本參數(shù)

接收機(jī)內(nèi)置11個(gè)可編輯的存儲(chǔ)頻道，每個(gè)頻道由100個(gè)存儲(chǔ)單元組成。每個(gè)存儲(chǔ)單元均可預(yù)先存儲(chǔ)好對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)，解調(diào)方式等參數(shù)，并可以自定義命名，通過(guò)ERW-8型號(hào)連接線，與電腦相連。在該公司官網(wǎng)上提供兩種基本免費(fèi)軟件下載：一種軟件為遠(yuǎn)程控制軟件，可以在電腦上通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤來(lái)操作；另一種為克隆軟件，可以在電腦上設(shè)置接收機(jī)的各種參數(shù)以及內(nèi)置的存儲(chǔ)頻道，然后通過(guò)寫入操作，將設(shè)置好的參數(shù)，同步到接收機(jī)上。同理也可以通過(guò)讀取操作，將接收機(jī)的參數(shù)讀取到電腦上，作為數(shù)據(jù)的備份。

3　控制軟件及SDR軟件介紹

3.1控制軟件

官方提供的基礎(chǔ)控制軟件解壓縮即可使用，支持Windows 7，Windows Vista，Windows XP和Windows 2000專業(yè)版操作系統(tǒng)。該軟件能夠控制的參數(shù)有主帶、子帶的輸入頻率、音量、靜噪門限、解調(diào)方式、輸出數(shù)據(jù)的類型及預(yù)制模式的選擇，具有圖形和表格兩種操作界面，分別如圖1和圖2所示，圖形操作界面中，相關(guān)的按鈕均可以點(diǎn)擊使用，把鼠標(biāo)放在功能按鈕附近時(shí)，會(huì)出現(xiàn)綠色的字母或箭頭提示操作，這些操作體現(xiàn)在界面中的惟一反饋就是頻率的變化，而不能顯示處于何種功能下，相比之下，表格操作界面更直觀，并且能夠更改更多的參數(shù)，方便使用。

電腦與接收機(jī)之間的連接需要ERW7或ERW8型號(hào)的連接線，并且要求提前安裝連接線驅(qū)動(dòng)程序。需要注意的是，該驅(qū)動(dòng)程序需要安裝兩邊才能正常使用。在打開軟件之后，在設(shè)置（Setting）中選擇正確的端口（COM），端口在設(shè)備管理器中查看，對(duì)應(yīng)的是USB Serial Port所示的端口。

圖1　圖形操作界面

圖2　表格操作界面

ERW-7和ERW-8型數(shù)據(jù)線二者的不同點(diǎn)在于，使用ERW-7型數(shù)據(jù)線僅能使用克隆功能軟件或其他軟件，而使用ERW-8型數(shù)據(jù)線可以同時(shí)使用克隆功能軟件和實(shí)時(shí)控制軟件。ERW-8型數(shù)據(jù)線一端是小型USB接口接到接收機(jī)的充電器上，另一端是USB接口連到電腦。

3.2SDR軟件

上面介紹的控制軟件功能比較簡(jiǎn)單，只能較好地實(shí)現(xiàn)接收機(jī)自帶的功能，沒(méi)有進(jìn)一步的延伸和開發(fā)，應(yīng)用更加復(fù)雜的功能需要借助其他的第三方軟件，下面就對(duì)比三種常見(jiàn)的軟件無(wú)線電控制軟件。

3.2.1KGSDR

KGSDR是較便捷的一款控制軟件，界面如圖3所示。

圖3　KGSDR界面

與其自帶的控制軟件相比，KGSDR功能更加強(qiáng)大，并且操作簡(jiǎn)單。它包括有信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量，頻率顯示，解調(diào)方式設(shè)置，音量，噪聲控制，錄音和頻譜圖。KGSDR是惟一一款支持該接收機(jī)IQ頻率偏置的SDR軟件，偏置的范圍為-24kHz至+24kHz。此外，KGSDR有兩種保存數(shù)據(jù)的方式，第一種是存為WAVE格式的音頻，點(diǎn)擊wave按鈕激活；第二種方式是raw文件，即未處理的原始數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊Raw File下方的Rec紅色按鈕激活。

綜上所述，KGSDR是一款簡(jiǎn)單便捷的控制軟件，功能上有所增加，操作簡(jiǎn)單。

3.2.2WINRAD

WINRAD是由Jeffrey Pawlan開發(fā)的一款開源SDR軟件，能夠接受并識(shí)別高達(dá)192kHz的IQ數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)的聲卡，可以選擇多種濾波器來(lái)改進(jìn)解調(diào)結(jié)果。此外，該軟件還支持?jǐn)U展的dll文件以識(shí)別不同類型的外部硬件接口輸入的數(shù)據(jù)，這使得后續(xù)開發(fā)的接收機(jī)也能工作在同一個(gè)平臺(tái)上。

WINRAD啟動(dòng)后即為全屏狀態(tài)，界面如圖4所示。將兩路IQ信號(hào)分別連接到聲卡的左右聲道上，如果沒(méi)有兩路的話，一路信號(hào)也可以，不過(guò)軟件的性能將會(huì)下降。然后在ShowOptions的下拉菜單中，選擇輸入信號(hào)硬件，是聲卡還是WAV文件，默認(rèn)是使用聲卡作為輸入，如果已經(jīng)添加了擴(kuò)展的dll文件，這里會(huì)增加新的選項(xiàng)。WINRAD軟件解調(diào)方式較KGSDR增加了ECSS和DRM兩種，同時(shí)也具有錄音功能。

圖4　WINRAD操作界面

WINRAD最大的優(yōu)點(diǎn)在于它是一個(gè)開源的軟件，能夠得到公開的源代碼，便于用戶在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的需要開發(fā)集成新的功能，源代碼的下載地址：http://www.sdradio.eu/weaksignals/ winrad/download_source.html。該軟件使用的編譯器是CodeGear RAD Studio 2007。具體的編程方法在Winrad_OpenSource_Part2文件夾中的Winrad-How-To.pdf有具體的說(shuō)明。其中常用參數(shù)的控制指令如表2所示：

表2　常用參數(shù)的控制指令

3.2.3HDSDR

HDSDR是一款免費(fèi)的SDR軟件，由Alberto di Bene基于WINRAD開發(fā)，操作界面如圖5所示。

圖5　HDSDR操作界面

與WINRAD相比，HDSDR界面明顯更加簡(jiǎn)介和直觀，并且增加了正常窗口模式，不需要保持工作在全屏狀態(tài)下；增大了瀑布圖和頻譜圖的顯示區(qū)域，相關(guān)的參數(shù)布置在其下方，便于尋找；要求的最低分辨率降低到640×480；增加了可視化功能的設(shè)定；增加了對(duì)接收機(jī)COM端口控制軟件的支持，使多用戶能同時(shí)控制電臺(tái)。

三種SDR軟件均能較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)的控制功能，其中KGSDR操作十分簡(jiǎn)單，但只能滿足最基本的要求；WINRAD功能強(qiáng)大，但界面不太友好，使用不是很方便；HDSDR功能更加強(qiáng)大，在WINRAD的基礎(chǔ)上進(jìn)一步做了開發(fā)，使用簡(jiǎn)單，是比較合適的控制軟件。但是這三者中只有WINRAD是開源軟件，其余二者是免費(fèi)軟件，如果需要特有的控制功能，WINRAD是最好的選擇。

4　接收機(jī)的輸出信號(hào)說(shuō)明

該接收機(jī)可以輸出三種不同類型的信號(hào)，分別為音頻信號(hào)，DET信號(hào)，IQ信號(hào)。這也是其區(qū)別于一般接收機(jī)的主要特點(diǎn)之一。當(dāng)接收機(jī)輸出調(diào)至DET輸出或IQ輸出時(shí)，需要通過(guò)一根3.5毫米的音頻線和計(jì)算機(jī)連接。如圖6所示，對(duì)于4節(jié)耳機(jī)線，從外到內(nèi)，第一節(jié)傳輸音頻信號(hào)；第二節(jié)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，包括克隆，DET信號(hào)，IQ信號(hào)；第三節(jié)是傳輸控制信號(hào)，最后一節(jié)為地線。

圖6　3.5毫米音頻線輸出接口說(shuō)明

4.1音頻輸出

音頻輸出是接收機(jī)最基本的輸出，也是接收機(jī)的默認(rèn)輸出模式。該型號(hào)接收機(jī)支持棒狀天線和耳機(jī)天線，可在設(shè)置菜單中驚醒切換，若連接音頻線后，可以通過(guò)操作系統(tǒng)自帶的錄音機(jī)軟件或是其他專業(yè)錄音軟件，將聲音存儲(chǔ)下來(lái)進(jìn)行分析。

4.2DET信號(hào)輸出

令該接收機(jī)輸出DET信號(hào)，可以在設(shè)置中進(jìn)行相關(guān)操作，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制軟件進(jìn)行更改。需要注意的是，當(dāng)接收機(jī)調(diào)整到DET輸出模式，將無(wú)音頻輸出，同時(shí)在接收機(jī)的顯示屏上也會(huì)顯示為DET模式。此時(shí)接收機(jī)輸出的便是10.7MHz的IF鑒頻信號(hào)。根據(jù)超外差式接收機(jī)的原理，接收機(jī)把接收到的高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)與本地振蕩器的混合，變換成頻率固定的中頻信號(hào)。頻譜從高頻轉(zhuǎn)移到中頻，并沒(méi)有改變信號(hào)上攜帶的信息。此時(shí)如果用錄音軟件錄制，仍然可以得到和輸出聲音時(shí)幾乎一樣的錄音效果。信號(hào)轉(zhuǎn)移到中頻后，可以再經(jīng)過(guò)解調(diào)、放大等最終輸出。

調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法之一便是利用鑒頻器。普通鑒頻器的原理是先將調(diào)頻信號(hào)變成調(diào)幅調(diào)頻信號(hào)，使得該調(diào)幅調(diào)頻信號(hào)的幅度比例于調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率，然后再利用調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)檢波器，恢復(fù)出原始信號(hào)。鑒頻器的原理如圖7所示：

圖7　鑒頻器原理圖

4.3IQ信號(hào)輸出

該接收機(jī)優(yōu)于一般接收機(jī)的最大特點(diǎn)為IQ信號(hào)輸出功能。IQ信號(hào)包含了接收信號(hào)的全部信息。當(dāng)把接收機(jī)調(diào)整到IQ輸出模式， IQ信息可以通過(guò)聲卡存入計(jì)算機(jī)，通過(guò)對(duì)IQ信號(hào)的處理，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)、定位、調(diào)制方式分析和電磁頻譜分析。

根據(jù)本章開始時(shí)提到的接口說(shuō)明，4節(jié)的音頻線只有第2節(jié)是用作IQ信號(hào)輸出。但是IQ信號(hào)應(yīng)該是由2路信號(hào)組成。聲卡本身不能信號(hào)分成兩路，如果只用了音頻線的第二節(jié)傳輸2路的IQ信號(hào)顯然是不可能的。因此，為了驗(yàn)證這個(gè)問(wèn)題，我們往接收機(jī)發(fā)送100MHz的單載波信號(hào)，調(diào)節(jié)接收機(jī)頻點(diǎn)，使用IQ模式輸出，然后使用一臺(tái)示波器（Tektronix TDS 784D）的CH1和CH2兩個(gè)通道測(cè)試3.5音頻線的第二節(jié)與其余各節(jié)的輸出信號(hào)。當(dāng)示波器的兩個(gè)探頭分別接到第一節(jié)和第二節(jié)時(shí)，結(jié)果如圖8所示：

圖8　示波器監(jiān)測(cè)下的IQ輸出

我們可以看到，第一節(jié)的信號(hào)與第二節(jié)傳輸?shù)男盘?hào)是正交的。這與IQ信號(hào)兩路是正交的這個(gè)特點(diǎn)相符。因此，我們判斷音頻線的第一節(jié)和第二節(jié)分別傳輸?shù)氖荌路與Q路的模擬信號(hào)，可以通過(guò)聲卡左右聲道的錄音對(duì)IQ信號(hào)進(jìn)行采集，分別兩路數(shù)字信號(hào)。

5　使用實(shí)例

本文所選擇的這款小型寬帶手持接收機(jī)在一些通信系統(tǒng)之中有很好的應(yīng)用，比如數(shù)字集群通信系統(tǒng)APCO P25。數(shù)字集群通信系統(tǒng)是一種新型的移動(dòng)通信系統(tǒng)，它除了能提供個(gè)人移動(dòng)通信服務(wù)外，還能實(shí)現(xiàn)個(gè)人與群體間的任意通信。APCO P25 （Association of Public-Safety Communications Officials Project25）是國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）制訂的七種集群通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之一，由美國(guó)國(guó)際公共安全通信協(xié)會(huì)（APCO），國(guó)家電信管理者協(xié)會(huì)（NASTD）和電信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIM）合作制定推行的，它采用了頻分復(fù)用技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于北美。

在APCO25數(shù)字集群通信系統(tǒng)中，如果使用傳統(tǒng)的模擬接收機(jī)，雖然可以將信號(hào)完整的接收，卻無(wú)法將其正確解調(diào)。因此，可以使用本文所介紹的接收機(jī)配合AOR公司的ARD25數(shù)字解碼器來(lái)進(jìn)行解調(diào)，將10.7MHz中頻信號(hào)接到ARD25的輸入端口，經(jīng)過(guò)ARD25處理該中頻信號(hào)，解調(diào)出接收的數(shù)字信號(hào)并用于后續(xù)使用，而APCO25數(shù)字集群通信系統(tǒng)在解調(diào)ACARS，ADS-B，AIS信號(hào)時(shí)發(fā)揮很好的作用，對(duì)于飛機(jī)和海事安全有重要意義。

圖9　APCO25解調(diào)過(guò)程原理圖

6　結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了小型寬帶手持接收機(jī)的特點(diǎn)和相關(guān)的控制軟件，然后對(duì)比了三款SDR軟件：KDSDR，WINRAD，HDSDR的特點(diǎn)。其中，KGSDR界面簡(jiǎn)單，可以滿足基本要求；WINRAD功能強(qiáng)大，并且是開源軟件，可以自主開發(fā)，但界面不太友好；HDSDR功能更加強(qiáng)大，在WINRAD的基礎(chǔ)上進(jìn)一步做了開發(fā)，是比較合適的控制軟件。最后對(duì)該接收機(jī)的三種不同的輸出信號(hào)進(jìn)行了分析和研究，給出了提取不同信號(hào)的方法?；谏鲜鰞?nèi)容，無(wú)線電愛(ài)好者可針對(duì)自己的需求對(duì)此接收機(jī)進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)制作屬于自己的無(wú)線電接收系統(tǒng)。

Research of Wide-band Portable Receiver

Wang Tingji， Cui Junfeng， Yang Wenhan
（State Radio Monitoring Center， Beijing， 100037）

With the requirement of radio technology developing， the weakness of traditional receivers is more and more serious. We choose a wide-band portable receiver to research， which can offer IQ data output and be controlled by computer software. At frst， we briefy introduce the basic parameter， then compare the function and characteristic of three different software. Finally， we give the correct way of getting IQ data.

Wide-band receiver； Software Defned Radio

10.3969/j.issn.1672-7274.2015.02.011

TN85文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）02-0060-05

汪庭霽，男，碩士研究生，現(xiàn)任職于國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，主要從事于無(wú)線電監(jiān)測(cè)相關(guān)工作。

崔軍峰，男，碩士研究生，現(xiàn)任職于國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，主要從事于無(wú)線電監(jiān)測(cè)相關(guān)工作。

楊文翰，男，博士研究生，現(xiàn)任職于國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心頻譜工程處，主要從事于無(wú)線電頻譜規(guī)劃、認(rèn)知無(wú)線電等方面的研究工作。

［1］周炯槃，龐沁華等.通信原理［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2008

［2］曾少華.新一代數(shù)字集群通信系統(tǒng)［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2004，5（5）:40-43