当前位置: 主页 > 全球高清电视棒 >

说说RTL-SDR PART II如何玩转电视棒?

  软件定义无线电(SDR)回顾:正式的术语定义是指下图所示的整个通信系统。包括天线(Antenna)、射频前端(RF Front End)、数字信号处理(DSP)、系统软件(Software)。SDR是一种模拟信号处理部分被数字信号处理所替代的通信系统。通过软件替换硬件,将模数/数模转换放置在信号流程的最前端,处理相应的数字信号来实现系统。因为软件比硬件更容易改变,所以可以实现灵活通用的系统。理论上可以将模数/数模转换直接放置到天线接口实现系统最大的灵活性,但这并不实际。通常SDR系统如下图:

  但是在后续章节中,小哥将继续“错误的”用它来称呼包含射频前端和数字信号处理的硬件,也就是我们最感兴趣的部分。一种广泛使用的SDR硬件使用了Realtek公司的RTL2832U芯片来实现DSP部分,所以这种设备被称为RTL-SDR。

  市场上有各种通用的SDR,但是都非常昂贵(接收机500块以上,收发一体2000块以上)。小哥这里介绍的是基于RTL2832U芯片的DVB-T电视棒(万能淘宝在50块左右,小哥手头就是这个,全套的图片如下)。它本来是用来接收DVB-T电视信号的,但是Osmocom的大神黑了它的驱动程序,使它变成了一个宽带SDR接收机。

  小哥的全套包括一个带MCX天线接头的电视棒、一个鞭状天线、一个遥控器、一个驱动光盘。因为小哥要用它来进行飞机追踪,所以对小哥来说,有用的只有其中的电视棒,然后小哥自己做了两个使用了SMA接头的天线,所以小哥把电视棒的射频接头焊成了SMA接头。所以小哥最终的套装如下:

  上图左侧为两条小哥做的用来接收飞机ADSB信号的天线。飞机在飞行的过程会使用应答机在1090MHz的频率上自动飞机的各种状态信息,其中包括飞机的速度、、识别信号等等,的速率大约为每秒一次。以后有机会小哥会专门说说ADSB!现在说回小哥做的天线,左边一条为串行整列天线,右边一条为J形杆状天线。小哥的一个感受是做天线的时候波长匹配是最重要的,然后就是天线的极化方式,最后就是焊接的功底啦!小哥爬到房顶上,使用右边的天线KM远处的飞机如下图:

  RTL-SDR棒基于超外差接收机架构(一种常用接收机设计,在宽频带内处理并隔离其他信号,并对信号进行放大)。超外差接收机的典型例子是常规的AM/FM收音机,用户通过调谐到相应载波频率来选择频道。

  来自天线的接收信号解调之前先进行滤波,使用频率选择性足够好的滤波器滤除其他信号和带外噪声。为达到上述目的,滤波器的中心频率需要可调谐,这实现起来很麻烦。超外差架构解决了这个问题,首先将射频转换为一个预先设定的固定中频,在该固定中频部分可以进行更精细的信号滤波和放大(参见下图中的典型设置)。

  下变频通过与本振(LO)产生的正弦波混频实现。当用户选择要调谐的频率fc时,本振产生fLO=fc-fIF或fLO=fc+fIF的正弦波(fLO=fc-fIF为低侧注入,fLO=fc+fIF为高侧注入,高侧注入时得到的信号频谱将在频率上反转)。这种混频的副作用是在fc和fc±2fIF(分别对应于低/高侧注入)的信号在和本振混频之后都进入了中频。其中第一个为目标频率,另一个就是所谓的镜像频率。

  因此在该镜像频率处滤除信号的初始射频滤波器很重要,该滤波器通常具有可变的中心频率,调谐与本振联动。另一个接收机射频部分常见部件是低噪声放大器(LNA)。

  传统上中频信号的处理部分是模拟的,但随着集成电的普及以及设备对微处理器的使用(如手机),对中频进行数字化处理变成了一种趋势。这种情况下,超外差架构的优势就出来了,它将不易采样的高频通带信号(高频采样需要非常高的采样率)下变频到了易于采样的低频通带信号。

  在RTL-SDR棒中,信号在模拟滤波和放大之后,在低中频上进行采样,并进行进一步的数字处理。 RTL-SDR棒中包含了两个非常重要的集成电(IC),实现了超外差接收机的相应功能:

  RTL2832U解码器:对信号进行采样以及数字处理,比如“十抽一”降采样,同时处理USB控制。

  现有SDR棒使用的调谐器主要有两个系列,一个是已停产的Elonics E4000,另一个是Raphael Micro的R820T/R820T2,其中R820T就是我们要讨论的重点,R820T2在其基础上提高了灵敏度。

  网上流出了R820T的芯片资料,因此我们可以得知很多其内部的工作原理。还有一个R820T2的寄存器说件,详细说明了可以从外部进行设置的调谐器的内部参数。基于芯片资料得出的框图如下:

  来自天线接口的接收信号首先通过低噪声放大器(LNA)放大,然后通过带通滤波器和镜像滤波器进行滤波。芯片资料给出的镜像达到了65dBc。

  一个基于部分锁相环电的频率合成器用来产生本振信号,该本振信号用来与滤波后的信号进行下变频混频,以得到一个低中频信号。用户通过改变频率合成器的参数可以直接控制本振的频率。不管是低端还是高端注入,这实际上都间接地设置了中频频率。R820T典型的中频值是3.57MHz和4.57MHz,但实际上具体选用哪个中频取决于所使用的驱动程序(受合成器和中频滤波器参数)。

  芯片内部的频率合成器可产生的频率范围决定了RTL-SDR能够进行调谐的频率范围。芯片资料中给出的R820T的调谐频率范围是[42MHz,1002MHz],分辨率为1Hz,但是经RTL-SDR社区测定的实际调谐范围是[24MHz,1766MHz],该范围也得到了普遍的认可。

  最后中频信号再次经滤波并进行可变增益放大器(VGA)放大。中频滤波器通常比射频滤波器选择性好,这也是超外差架构的优势。在R820T中,由一个低通和一个高通滤波器组成,它们的最低带宽可以调到300kHz。但是通常其带宽“标准值”为6MHz、7MHz或8MHz,因为这是DVB-T信号使用的标准带宽。

  调谐器内部3个地方的增益可通过外部来控制:低噪放、混频器和可变增益放大器。虽然资料没有给出相应设定的精确数值关系,但仍可以进行人为的设定。也可以通过自动增益控制来进行自动设定以达到最优信噪比(SNR)。低噪放和混频器输出端都有一个功率检测器来控制它们相应的增益。可变增益放大器的自动增益控制通过来自调谐器输入端的模拟信号来实现,该信号来自于RTL2832U的功率检测器。

  与调谐器不同,网上并没有免费的芯片资料(需要签署不披露协议NDA才能获得相关资料)。已知的芯片内部细节都是RTL-SDR社区通过逆向工程得出的。

  从Realtek公司对中可以看出该芯片是一种高性能DVB-T解码芯片(额外支持FM和DAB)。所以它的内部包含一个模数转换器(用来采样调谐器输出的中频信号)、专用DSP(用来解码DVB-T信号)和USB控制器(用来支持USB2.0接口)。作为SDR使用时利用了芯片中的“调试”模式,直接通过USB输出复数表示基带信号的数字化采样。

  首先,对调谐器输出的信号使用28.8MHz的采样率进行8位的模数采样。如果中频滤波器的选择性足够好,可以消除带外所有的强信号,那么在需要的低中频上就不会发生明显的混叠。

  数字下变频器(DDC)负责将数字信号下变频到基带的复数形式。基带复数形式的获取过程类似于模拟信号的情况:与正弦波复数混频将会周期性的把中频信号下变频到基带信号。然后对该信号进行低通滤波和降采样,以避开被搬移到高频的无用频谱,因为有用信号已经被在一个低频带宽内。外部配置参数会告知DDC相应的中频频率以及频谱是否被反转了(如果调谐器是从高侧注入的)。

  最后使用抽取(通过使用FIR低通滤波器和降采样实现)技术将信号的采样率降低到[225kHz,300kHz]∪[0.9MHz,3.2MHz]之间。不过普遍认可的芯片不丢弃采样信号的最高安全采样率为2.56MHz(采样仍可能被USB丢弃)。这种抽取通常设定带宽上的采样信号上限(除非用于采样的中频滤波器带宽设定特意低于奈奎斯特频率)。

  一个简化的RTL-SDR模型是很有用的。模型不需要描述非常准确的硬件工作情况,也可以隐藏一些复杂性:

  实际上RTL-SDR为我们提供了一个数字化基带复数形式表示的信号,支持我们想调谐的任何频率。消除了超外差架构带来的复杂性,RTL-SDR的功能可以归结为:

  对指定采样率(主要来自RTL2832U内部的抽取滤波器),滤波器带宽从300kHz(设定调谐器内部中频滤波器)到奈奎斯特频率可调。


    阅读本文的用户还阅读了这些文章:
------分隔线----------------------------
栏目列表