軟體定義無線電(SDR)工作原理及三個方向的應用:軍用、業餘、家用

軟體定義無線電(SDR)工作原理及三個方向的應用：軍用、業餘、家用

佚名 發表於 2017-11-21 18:27:15

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

基本的SDR系統可能由包括配有音效卡或其它模數轉換器、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，而不是用專用的硬體。這種設計生產了一種完全基於所使用的軟體、可以接收和傳輸廣泛不同的無線電協議（有時稱為波形）的收音機。

在軍事和手機服務中軟體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議。

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

軟體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射機在相同的位置用相同的頻率發射而幹擾很小，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幹擾引起的錯誤。

軟體定義天線自適應地"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幹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並把這些信息傳達給其它合作的電臺，以便發射機通過選擇未使用的頻率能避免相互幹擾。

動態發射機功率調整，基於來自接收機的信息，按最低所需降低發射功率，減少遠近的問題，並減少對其它的幹擾。

每添加電臺總容量增加並減少在任何一個節點上所要求的功率的無線網狀網絡。每個節點只發射足夠大聲的信息跳到那個方向最近的節點，減少了遠近問題並減少幹擾到其它的。

工作原理

理想的接收機方案應是給天線附加一個模擬-數字轉換器。數位訊號處理器會讀轉換器，數位訊號處理器的軟體然後把來自轉換器的數據流變換成應用程式需要的任何其它形式。

理想的發射機是類似的。數位訊號處理器將生成數字的流。這些將會發送給連接到無線電天線的數字-模擬轉換器。

由於技術的實際限制理想的計劃不是完全可以實現的。在兩個方向上的主要問題是在同一時刻數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，並不依靠像幹擾和電磁共振物理過程的輔助。

接收機結構

大多數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，然後由模數轉換器採樣。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轉換器採樣（後放大的）。

實用的模數轉換器缺少檢出亞毫伏、納瓦功率的無線電信號動態範圍。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（這是典型的），這些與放大器動態範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。真正的軟體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

聯合戰術無線電系統（JTRS）原先是美國軍方計劃的下一代戰場行動中使用的語音和數據電臺。

2011年10月美國國防部副部長取消聯合戰術無線電系統項目，指出：

我們的評估是JTRS GMR 發展計劃的產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。

業餘和家用

典型的業餘軟體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於正交採樣檢波器和正交採樣激勵器。

這種系列的軟體無線電接收機性能與利用的模擬-數字轉換器（Adc）的動態範圍直接有關。射頻信號向下轉換到音頻頻段，由高性能音頻ADC採樣。第一代軟體無線電接收機使用PC的音效卡提供ADC功能。較新的軟體定義無線電使用嵌入式高性能模數轉換器，提供更高的動態範圍和更抗噪聲和射頻幹擾。

PC使用特定於無線電硬體的軟體快速執行數位訊號處理(DSP) 操作。幾個軟體無線電努力使用開放源SDR 庫DttSP。

SDR軟體執行所有的解調、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餘調製：摩爾斯電碼、單邊帶調製、頻率調製、調幅和各式各樣的數字模式，如無線電電傳、慢掃描電視和數據包無線電。業餘愛好者也實驗新調製方法：例如夢（DREAM）開源項目解碼用於全球範圍數字電臺（DRM）的COFDM 技術。

有廣泛的業餘無線電愛好者和家用的硬體解決方案。有專業級的收發機解決方案，例如，ZS-1或Flex接收機，自製的PicAStar收發機，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。

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

HPSDR (高性能軟體定義無線電)項目使用一個16位135MSPS模數轉換器在0到55MHz範圍提供傳統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範圍內。通過提供的一個USB2.0接口接口到PC，也可以使用乙太網。該項目是模塊化的並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。激勵器在同一範圍內提供1/2W的RF或使用鏡像或別名進入甚高頻和超高頻範圍。

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

2、業餘試驗

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數位電視接口，使用原因如簡介所示，我們把它當作一個SDR接收機。可以在網上購得或在商店購得，幾十元或一二百元左右，一定要買晶片是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數位電視接口

根據資料，目前使用這一款接收機的比較多。相應的SDR軟體也較多，根據介紹選了反映比較好的兩款軟體，一個是HDSDR，另一個是SDRSHARP，後者是開源的，前者是免費軟體不開源。選兩個應用的原因是看一看效果如何。

第一個應用軟體HDSDR的網址在，版本2.63下載下來。

第二個應用軟體SDRSHARP的網址在，可從頁面下載連結頁下載。

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數位電視接口用DLL，DLL在 https://github.com/josemariaaraujo/ExtIO_RTL/raw/master/Release/ExtIO_RTL.dll

將DLL複製在安裝HDSDR的路徑內。

安裝USB驅動工具，這個工具的網址在，最好用專用USB驅動安裝工具安裝。

然後只點擊HDSDR執行文件。如果前一步USB驅動安裝正確的話，HDSDR啟動會問用哪個DLL的。

啟動後選擇一種模式並設定參數，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硬體耦合和本地中心頻率定格

通過應用軟體，可以在調頻範圍內收聽到廣播以及進行各種操作，參數比較多，設定比較麻煩的，專業人士可能會很好使用的。

2）SDRSHARP

安裝已經下載的SDRSHARP後啟動，因為已經安裝過了DVB-T USB數位電視接口的驅動，因此啟動SDRSHARP後，選好前端的USB類型定好中心頻率，運行後界面如下：

SDRSHARP的調頻畫面

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

用經濟的手段獲得近似專業的效果，應該說是現代技術帶來的好處。如果不用這個工具的話，要達到這個目的，一般比較難的。按照軟體無線電的要求，確實利用了計算機作為主要的數位訊號處理器，而且可以靈活的進行軟體處理。

兩個軟體確實都可以運行，第一個精細的，專業性強，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，動態容易卡的，停下來改變頻率再運行，卡的現象會少些。

3）可以利用DVB-T USB數位電視接口結合免費軟體組構掃頻儀的。

參考資料，除了DVB-T USB數位電視接口硬體外，再按照一定步驟安裝以下幾個軟體，可以組構一個一般的掃頻儀，這些軟體是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後掃描到的內容。

還有許多業餘SDR的應用。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴