基于RTL-SDR的軟件無線電接收機(jī)設(shè)計(jì)

石劍，蔣立平，王建新

（南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210094）

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)由于對(duì)硬件的要求比較高，已不能滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)多標(biāo)準(zhǔn)多體制的要求[1]。這時(shí)，一種新型的無線電應(yīng)用思想軟件無線電逐漸發(fā)展起來。根據(jù)定義[2]：軟件無線電是一種新型的無線電體系結(jié)構(gòu)，它通過硬件和軟件的結(jié)合使無線網(wǎng)絡(luò)和用戶終端具有可重配置能力。軟件無線電提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無線設(shè)備的有效而且相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的解決方案，可以通過軟件的更新實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的變化。

最早的軟件無線電平臺(tái)是由美軍研發(fā)的“易通話”系統(tǒng)[3]。其工作頻帶為 2 MHz～2 GHz，能夠兼容美軍15種以上的無線電平臺(tái)。之后軟件無線電得到迅速發(fā)展，但由于其設(shè)備價(jià)格高昂，一般的中小型企業(yè)和個(gè)人難以使用[4]。本文采用的RTL-SDR作為一款非常廉價(jià)的軟件無線電接收機(jī)設(shè)備，非常適合個(gè)人的學(xué)習(xí)和使用。

1 RTL-SDR的硬件結(jié)構(gòu)和功能

RTL-SDR是一個(gè)非常廉價(jià)的家用消費(fèi)檔次的USB接口的軟件無線電接收機(jī)。它由Realtek公司的RTL2832U芯片和一個(gè)R820T調(diào)諧器組成。它能夠接收周圍空間中25 MHz到1.75 GHz之內(nèi)的射頻信號(hào)，并將其下變頻到基帶，從USB接口輸出數(shù)字化的8位采樣信號(hào)。其結(jié)構(gòu)示意圖以及工作流程如圖1所示。

從圖1可以看到，該接收機(jī)在內(nèi)部共進(jìn)行了兩個(gè)流程：從RF到IF的模擬信號(hào)處理和從IF到基帶的數(shù)字信號(hào)處理。

RTL-SDR的壓控整蕩器（VCO）的振蕩頻率可以由RTL2832U的I2C接口控制。設(shè)其頻率為flo，則flo=fc-fif，其中，fif是中頻頻率，fc是待接收信號(hào)的載波頻率。例如，當(dāng)需要接收一個(gè)載波頻率在400 MHz的信號(hào)時(shí)，需要將其下變頻到基帶。由于R820T的中頻頻率fif=3.57 MHz，故VCO的振蕩頻率為flo=400-3.57=396.43 MHz，[cos2π(400e6)t]×[cos2π(396.43e6)t]=[cos2π(3.57e6)t+cos2π(796.43e6)t]?；祛l后796.43 MHz的高頻分量會(huì)被R820T的中頻段低通濾波器衰減掉，只有3.57 MHz的中頻分量會(huì)進(jìn)入下一步的處理階段。

圖1 RTL-SDR信號(hào)處理過程

信號(hào)到達(dá)中頻段后，其帶寬約為6 MHz，通過AGC動(dòng)態(tài)調(diào)整其幅度后，需要對(duì)其進(jìn)行采樣將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，采樣頻率為fadc=28.8 MHz，采樣位數(shù)為8位。

采樣后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)字正交下變頻變換為基帶信號(hào)。數(shù)字正交下變頻即將信號(hào)分為兩路，分別乘以與，用指數(shù)形式表示為。

為了進(jìn)一步降低軟件的計(jì)算壓力，減少數(shù)據(jù)量，須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行抽取，將其采樣頻率降低為約2.8 MHz（該采樣頻率可控）。最后，將這兩路IQ數(shù)字信號(hào)從USB接口輸出至計(jì)算機(jī)，由軟件來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理（DSP）。

2 接收機(jī)的軟件框架

為了方便使用，廠商已經(jīng)提供了RTL-SDR的驅(qū)動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫。將RTL-SDR連接到計(jì)算機(jī)后，安裝好驅(qū)動(dòng)程序，直接調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)就可以控制RTL-SDR的各種參數(shù)，如采樣頻率，中心頻率等。將采樣數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后，即可以通過軟件來進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)處理。

隨著技術(shù)的進(jìn)步、多核處理器的發(fā)展以及語言的支持，計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以非常方便快捷的進(jìn)行多線程編程[5]，這對(duì)軟件無線電來說具有非常重要的意義。軟件無線電最大的一個(gè)問題是需要實(shí)時(shí)處理，這就對(duì)軟件的算法和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提出了很高的要求。而多線程編程通過并行處理，使軟件的計(jì)算速度有了很大的提升。

本文所采用的軟件無線電接收機(jī)框架如圖2所示?？梢钥吹?，該框架總共分為4個(gè)流程，可以分別由4個(gè)獨(dú)立的線程完成。線程1負(fù)責(zé)將接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)放入緩存中，避免因后續(xù)處理速度慢而造成數(shù)據(jù)的覆蓋缺失。線程2負(fù)責(zé)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。線程3負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)并顯示。線程4負(fù)責(zé)對(duì)接收到的FM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并輸出。

圖2 接收機(jī)軟件處理框架

3 FM廣播解調(diào)接收

3.1 功率譜估計(jì)

FM廣播在世界上的大部分國家都有相同的標(biāo)準(zhǔn)，其頻率范圍為88～108 MHz，每個(gè)電臺(tái)的頻帶寬度為200 kHz。而RTL-SDR的采樣頻率為2 MHz以上，所以輸出到計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)中包含有多個(gè)FM無線電臺(tái)的信號(hào)，這可以通過實(shí)時(shí)的功率譜監(jiān)視窗口看到，如圖3所示。當(dāng)前設(shè)置的中心頻率為97.5 MHz，采樣頻率為 2.4 MHz。

所采用的功率譜估計(jì)算法需要兼顧準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，文中采用的算法為Welch法[6-7]，即加窗處理與時(shí)域平滑相結(jié)合的方法。先對(duì)信號(hào)進(jìn)行重疊的分段，為了減小方差，Welch建議有50%的數(shù)據(jù)重疊。然后對(duì)每一段信號(hào)進(jìn)行加窗處理，利用周期圖法求出每一段的功率譜估計(jì)。最后將所有的功率譜估計(jì)取平均得到最終的功率譜估計(jì)。Welch法可以很好的改善譜估計(jì)曲線的平滑性，并提高譜估計(jì)的分辨能力[8]。

圖3 功率譜估計(jì)顯示窗口

3.2 正交下變頻

無論是從功率譜估計(jì)顯示窗口（上方）還是時(shí)頻顯示窗口（下方）都可以看到，在當(dāng)前的頻帶范圍到即96.3 MHz到98.7 MHz內(nèi)，有兩個(gè)電臺(tái)正在進(jìn)行廣播，中心頻率分別是97.5 MHz和96.9 MHz。需要說明的是，這兩個(gè)中心頻率是通過計(jì)算得到的，RTL-SDR輸入到計(jì)算機(jī)的是基帶信號(hào)，所以這兩個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的為0 Hz和-0.6 MHz。當(dāng)選擇中心頻率為96.9 MHz的電臺(tái)時(shí)，需要將其基帶中心頻率搬移到0 Hz，即將接收到的信號(hào)乘以，其中，fb為信號(hào)的基帶中心頻率，在這里等于-0.6 MHz，fs為采樣頻率，等于2.4 MHz，n為接收到的數(shù)字復(fù)信號(hào)的下標(biāo)。

3.3 抽 取

采樣頻率為2.4 MHz，而FM電臺(tái)的頻帶寬度為200 kHz，為了不影響信號(hào)所攜帶的信息而盡可能地降低數(shù)據(jù)速率，需要進(jìn)行12倍抽取。抽取之前，需要進(jìn)行濾波來濾除其它電臺(tái)以及防止頻譜混疊[9]。本文的抽取結(jié)構(gòu)中，采用多個(gè)半帶濾波器級(jí)聯(lián)加FIR濾波器的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 抽取結(jié)構(gòu)

半帶濾波器的幅頻響應(yīng)如圖5（a）所示，而FIR濾波器的參數(shù)需要可控以滿足不同的抽取要求。利用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法[10]來生成FIR濾波器，理想低通濾波器的沖激響應(yīng)為，其為無限長(zhǎng)序列，且是非因果的，需要利用一個(gè)窗函數(shù)來截?cái)?，該窗函?shù)和濾波器階數(shù)可由軟件控制。圖5（b）為生成的用來進(jìn)行3倍抽取的FIR濾波器。

圖5 濾波器幅頻響應(yīng)

3.4 FM解調(diào)算法

調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式如下所示：sfm(t)=Accos(ωct+θfm(t))，如調(diào)制信號(hào)為單音信號(hào)si(t)=Aicos(2πfit)，則：

其中，Δf稱為最大頻偏，βfm稱為調(diào)頻指數(shù)。

FM廣播中規(guī)定最大頻偏Δf為75 kHz，最高調(diào)制頻率fi為15 kHz，故調(diào)頻指數(shù)βfm=5。由調(diào)頻指數(shù)可以看到FM廣播使用的是寬帶調(diào)頻（WFM），由卡森公式[11]BFM=2(βfm+1)fi可以計(jì)算得到FM信號(hào)的頻帶寬度為180 kHz。

FM解調(diào)有多種方法，文中采用如圖6所示解調(diào)方法[12]。設(shè)RTL-SDR接收到的信號(hào)為，其中ωΔ是由于本振與載波頻率不完全同步而殘留的頻偏。兩支路輸出分別為。兩路相乘取幅角后，輸出為sd(t)=-{[ωΔt-ωΔ(t-τ)]+[θfm(t)-θfm(t-τ)]}。當(dāng)τ非常小時(shí)，，若忽略由ωΔ產(chǎn)生的很小的直流分量，其正比于調(diào)制信號(hào)，可作為解調(diào)輸出。

圖6 FM解調(diào)示意圖

3.5 調(diào)頻立體聲

Edwin Armstrong在1934年就提出了頻分復(fù)用的概念[13]，1961年之后，開始在FM廣播中使用起來，出現(xiàn)了調(diào)頻立體聲[14]。FM調(diào)頻立體聲廣播頻譜分布如圖7所示，聲音分為左聲道L和右聲道R，頻率都在50 Hz～15 kHz。兩個(gè)聲道相加減形成和信號(hào)（L+R）和差信號(hào)（L-R），差信號(hào)由38 kHz的載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，然后和和信號(hào)相加作為FM調(diào)頻立體聲的基帶信號(hào)。

圖7 FM調(diào)頻立體聲頻譜結(jié)構(gòu)

調(diào)頻立體聲的解調(diào)首先需要提取出導(dǎo)頻，利用一個(gè)帶通濾波器即可。本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器如圖8所示，采樣頻率為200 kHz。提取出濾波后的導(dǎo)頻信號(hào)后，利用鎖相環(huán)將其相位同步[15]，提取出相位并翻倍后可得到38 kHz的載波信號(hào)，其用來解調(diào)差信號(hào)（L-R）。得到基帶的和信號(hào)和差信號(hào)后，由于其最高頻率為15 kHz，須對(duì)其進(jìn)行抽取，進(jìn)一步降低采樣速率。將解調(diào)得到的和信號(hào)和差信號(hào)相加除以2便得到左聲道，相減除以2便得到右聲道。

3.6 去加重

FM廣播中傳送的語音信號(hào)和音樂信號(hào)的能力一般主要集中在低頻端，在調(diào)制頻率高頻端的信號(hào)功率譜密度較小，而噪聲的功率譜密度卻比較大。為了改善解調(diào)得到的輸出信噪比，在FM調(diào)頻系統(tǒng)中一般都采用了預(yù)加重與去加重的措施[16]。預(yù)加重即在信號(hào)頻率大于某個(gè)固定頻率時(shí)，給其一個(gè)線性的增益。該固定頻率在美國地區(qū)為2 122.1 Hz，在亞洲和歐洲地區(qū)為3 183.1 Hz。去加重只需要在相應(yīng)頻率處給其一個(gè)相應(yīng)的衰減即可。

最后，將解調(diào)后的信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)的聲卡驅(qū)動(dòng)程序，即可以收聽到FM廣播。

圖8 導(dǎo)頻提取濾波器頻率特性

4 結(jié)束語

軟件無線電是未來通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，文中利用RTL-SDR軟件無線電接收機(jī)，在Windows環(huán)境下搭建了適用于該接收機(jī)的軟件框架，并以FM廣播信號(hào)為例，完成了FM廣播信號(hào)的接收與解調(diào)。軟件的可擴(kuò)展性可以賦予本系統(tǒng)更加完善的功能。為了使軟件更加智能化，可以處理更多的信號(hào)，本文擬將現(xiàn)有的調(diào)制方式的解調(diào)方法做成一個(gè)個(gè)的模塊，在接收到信號(hào)后，先對(duì)信號(hào)的調(diào)制方式進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別之后可自動(dòng)調(diào)用該調(diào)制方式的解調(diào)模塊完成信號(hào)的處理。

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