改造RTL2832U電路試制全頻段無線電接收機

張博，張揚，周明銘，蔣未名，李戰(zhàn)初，金瑩，孫昊昉

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧沈陽，110027）

1 項目研究背景

模擬無線電技術發(fā)展至今已趨于成熟，伴隨當前數(shù)字化浪潮，無線電技術已進入從模擬向數(shù)字技術過渡階段。但在模擬信號無線電接收機市場上，如ICOM（艾可慕）、YAESU（八重洲）、KENWOOD（建伍）和AOR等日本傳統(tǒng)廠商仍在不斷推出“純硬件電路”技術的新產品，憑借著在設備精確度、可靠性等方面上的技術積累，以及多年的廣告宣傳，占據(jù)了較高市場份額。但上述品牌產品價格較高，并且功能單一、便攜性差，因此全頻接收機市場仍有進入空間。

2 可行性研究

原有的RTL2832U芯片只具備接受地面視頻無線廣播（Digital Video Broadcasting - Terrestrial，DVB-T）和配套的運算解碼、音視頻輸出等功能，芯片內置了模擬數(shù)字轉換等部分軟件定義無線電（Software Defined Radio，SDR）功能。本項目計劃將RTL2832U芯片的頻率接受范圍從傳統(tǒng)模擬電視頻段（48.5-72.5MHz、167-223MHz、470-566MHz、606-958MHz）擴展至常用無線電通信的全頻段范圍（0.15～1766MHz,覆蓋MF、HF、VHF、UHF等常用無線電頻段），并提供多種模式信號的接收能力。

除傳統(tǒng)民用無線電接收設備的AM、FM（NFW和WFM）廣播接收功能之外，本項目計劃拓展常用無線電信號接收功能，如等幅電報（continuous wave，CW）、 單 邊 帶（single sideband，SSB）等，并拓展模擬電視伴音、航跡信息、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、宇宙微波背景輻射等接收功能，以求在單一設備上實現(xiàn)多種接收功能，增加產品的功能和適用性。

3 主要原理

3.1 SDR原理

采用軟件定義無線電原理[1]的接收機如圖1所示。右側為軟件定義無線電（SDR）硬件芯片部分接收示意圖，接收設備的低噪聲放大器（lownoise amplifier）負責分離天線接收的信號和噪聲，將無線信號放大，與晶振產生的基帶信號調制，以模擬制式下變頻（down converter，DC）至中頻，再經(jīng)過低通濾波器（low pass filter，LQF），去除信號的載頻。

圖1 SDR接收原理圖

經(jīng)過一次變頻后的中頻模擬信號，進入模擬數(shù)字轉換器（analog to digital converter，ADC），對其進行采樣、量化、編碼，轉為二進制數(shù)字信號。再將數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理模塊，進行數(shù)字模式的下變頻處理（digital down converter，DCC）,將信號從中頻變頻至基帶，可降低后續(xù)處理器的運算負載。

在SDR接收設備中，模擬制式的無線信號經(jīng)過模擬和數(shù)字兩次下變頻處理后，變?yōu)檫m合CPU處理的數(shù)字模式的基帶信號（如圖2所示），再通過USB總線傳輸至計算機，由操作系統(tǒng)傳輸至SDR程序，經(jīng)CPU處理后以音頻或各種頻率圖的形式呈現(xiàn)，如圖1左半部分所示。以上為SDR接收機的信號接收全過程。

圖2 二次下變頻原理示意圖

3.2 RTL2832U芯片特點

據(jù)瑞昱（realtek）廠家提供的RTL2832U芯片數(shù)據(jù)手冊,該芯片設計目標是提供DVB-T的碼分正交頻分復用模式（coded orthogonal frequency division multiplexing，COFDM）信號的解調功能，可以處理在VHF（30～300MHz）和UHF（300～3000MHz）頻段傳輸?shù)臄?shù)字廣播電視信號，各地DVB-T的頻率范圍與傳統(tǒng)模擬電視頻率范圍基本一致。

RTL2832U芯片可以匹配36.167MHz的中頻調諧器、4.57MHz的低中頻調諧器，也可以在28.8MHz晶振的配合下零中頻接收。除COFDM信號之外，還具備模擬無線電的頻率調制（FM）、數(shù)字無線電廣播（(digital audio broadcasting，DAB）等接收功能，集成了高階模擬數(shù)字轉換器（advanced ADC）。芯片支持全速或半速USB2.0接口，可設計成類似優(yōu)盤的USB電視棒設備、迷你卡（MiniCard）等外形，也可以通過USB接口連接嵌入式設備。

雖然RTL2832U芯片是一枚DVB-T數(shù)字電視接收芯片，但前述芯片特點，特別是頻率支持范圍、FM模式、零中頻、ADC、USB接口、數(shù)字電路算法等特征，為本項目試制基于軟件定義無線電的全頻段接收機提供了硬件基礎。

4 主要技術改造與實現(xiàn)

4.1 采用RTL2832U芯片成品情況

基于RTL2832U芯片電視棒的頻率接收范圍，主要受電視棒中調諧器芯片的限制，目前市場上與RTL2832U芯片搭配的主要調諧器種類，如表1所示。

表1 采用RTL2832U芯片電視棒產品

采用E4000調諧器的為早期產品，靈敏度相對較差，在當前市場上已很少見，該調諧器的特點是采用零中頻模式（直接變頻至基帶），同時使用I、Q雙通道輸出調諧后信號。采用FC0012調諧器的產品價格最為便宜，大約在30～40元左右，但其接收頻率范圍較窄。R820T調諧器上市較晚，其接收效果相對出色，是當前市場上的主流產品，在購物網(wǎng)站售價大約50～60元，R820T調諧器屬于二次變頻超外差接收結構[2]，工作在4.5 MHz的低中頻模式，僅在I通道輸出信號。

上述分析表明，RTL2832U+R820T電視棒未使用Q通道，具備改造的硬件電路條件，且價格也具有一定競爭力，因此本項目改造對象擬選擇該種電視棒成品。

4.2 RTL2832U+R820T芯片電視棒改造技術路線

該成品電視棒板載了28.8 MHz的晶振，故可開啟RTL2832U芯片的零中頻模式。本項目計劃將天線傳來的信號繞過R820T調諧器，從Q通道直接接入RTL2832U芯片，由芯片實現(xiàn)自動增益控制和模擬數(shù)字轉換，再將數(shù)字信號通過USB總線傳入x86體系PC機做后續(xù)處理。這樣既可以實現(xiàn)全頻接收功能，也能繼續(xù)保留RTL2832U+R820T電視棒的DVB-T功能。

上述方案需要將圖1中由SDR設備完成的部分數(shù)字信號處理功能交由PC機實現(xiàn)，因此上述信號處理工作可能會增加處理器負擔，對軟硬件選用提出了要求。

4.3 RTL2832U+R820T芯片電視棒改造實例

本項目從市場上購買的RTL2832U+R820T芯片電視棒內部電路板如圖3所示，圖3(a)為改造前電路板，圖3(b)為RTL2832U和R820T芯片附近放大圖，圖3(c)為改造后的走線。

圖3 RTL2832U+R820T芯片電視棒電路版及改造圖

查詢RTL2832U芯片數(shù)據(jù)手冊可知，該芯片的第1、2引腳分別為I通道正極和負極，第4、5引腳分別為Q通道正極和負極，本次改造涉及的部分引腳如圖4所示。在電路板上以白色“△”符號標出了RTL2832U芯片的1號引腳，如圖3(b)和圖4所示。

圖4 ?RTL2832U芯片引腳圖（局部）

通過分析測試芯片引腳和電路板布線，發(fā)現(xiàn)線路板上預留了與RTL2832U芯片的Q通道正極相連的通孔焊盤，如圖3(b)上部箭頭所示。圖3(a)中箭頭所示為板載MCX接口天線的內接頭觸點，從此處接出飛線，并串接一個470 pF濾波電容，再將飛線接入電路板上Q通道正極相連的焊盤，可實現(xiàn)將模擬無線電信號引入RTL2832U芯片的Q通道，飛線改造如圖3(c)所示。此種改造可保留電視棒I通道上的DVB-T接收功能。

為提升整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本項目在RTL2832U、R820T芯片、場效應管上加裝了散熱片。

4.4 效果測試

本項目對改造后RTL2832U+R820T芯片電視棒在windows系統(tǒng)下完成了初步測試，實驗中使用SDRSharp（v1.0.0.1337版）軟件，并配合windows版的Zadig（v2.2.689版驅）驅動，采樣率設為2.4 MS/s，并設置為強制從Q通道直接采樣。結果表明該設備具備0.15～1766MHz范圍內常用業(yè)余、免照、公共廣播頻點的接收功能，可解調常見AM、WFM、FM、CW、SSB模擬信號，基本覆蓋了預定的波段范圍和調制模式，接收頻譜圖如圖5所示。此外，在特定硬件天線和軟件的配合下，也具備接受航跡信息[3]和氣象傳真信息[4]的功能。

圖5 接收頻譜圖

5 討論與展望

測試表明，RTL2832U+R820T芯片改造后的接收音質與傳統(tǒng)AM制式無線廣播音質相仿，低于調頻（FM）立體聲廣播音質，推測與芯片的采樣率有關。RTL2832U芯片有8 bit采樣精度，理論采樣率為3.2 MS/s。本項目測試表明，只能在少數(shù)采用鈺創(chuàng)（Etron）EJ168/EJ188/EJ198芯片的USB3.0主控上才能實現(xiàn)上述理論采樣率，而x86體系常見的英特爾（intel）、威盛（VIA）、瑞薩（renesas）等USB2.0或3.0主控芯片上的實際采樣率只能達到2.4 MS/s，推測與USB主控的傳輸算法有關。如果換用其他24 bit的SDR芯片，雖可提升采樣精度，但會帶來成本的大幅提升。

由于本項目的改造是通過飛線將無線射頻信號直通RTL2832U芯片的模擬數(shù)字轉換器，繞過了SDR接收設備的模擬信號處理模塊（參圖1），這導致接收到的信號存在較強的干擾（參圖5）。因此，擬在接收電路中增加0.1-2000 MHz的低噪聲放大器，成本大約20元，以完善圖1所示的模擬信號處理模塊的功能。遠期可以加入相關濾波電路以降低干擾。

本項目的改造，將位于接受設備中的部分數(shù)字信號處理功能交由x86處理器完成，理論上增加了PC機的計算負擔，但實測表明此類運算不會大幅增加PC機負載，屬于可接受的范圍。

實驗表明，在接收時是否開啟自動增益控制功能，不會明顯影響接收效果和靈敏度，推測原因在于RTL2832U芯片模擬數(shù)字轉換的采樣精度（8 bit）較小，自動增益控制能起作用的動態(tài)范圍較小。

本項目的現(xiàn)階段改造實驗是在windows系統(tǒng)下進行的，驗證了通過改造RTL2832U+R820T芯片電視棒來搭建全頻段接收機的理論思路和技術路線。下一步的主要研究將轉移至linux系統(tǒng)下，一方面可避免windows過大、不必要的系統(tǒng)開銷，另外也可充分利用現(xiàn)有的各類SDR開源軟件資源[2,5]，便于系統(tǒng)軟硬件集成。亦可進一步遷移至基于ARM體系平臺的linux系統(tǒng)下，進一步降低整體硬件體積和成本，提升該全頻段無線電信號接收機的競爭優(yōu)勢。

6 結論

本項目在市售RTL2832U+R820T芯片電視棒基礎上，利用芯片內置的模擬數(shù)字轉換、自動增益控制、I通道和Q通道直接采樣等功能，以飛線的形式將模擬無線電信號引入RTL2832U并轉為數(shù)字信號，交由x86平臺進行后續(xù)處理，完成了SDR全頻段接收機的試制任務。經(jīng)測試，該接收機達到了項目的預定目標，且具備一定的成本優(yōu)勢。此外，該全頻接收機存在進一步提升性能、降低成本、擴展用途、提高便攜性的優(yōu)化潛力，具有良好的市場前景。