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學習軟體定義無線電的基礎知識

作者:Art Pini

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

從軍事、航太用途到業餘愛好者,軟體定義無線電 (SDR) 讓使用者有望使用一個硬體,便能在廣泛的無線射頻範圍內捕捉、解調並取得 RF 訊號。範圍有多廣,要視硬體的 RF 前端而定,而可存取的訊號數及訊號類型,需視軟體及基本的處理能力而定。這兩者取決於應用要求以及相關的成本和功率預算。對於軍事和航太領域,成本可能高達數萬美元。對於短波收聽者、業餘無線電愛好者和自行組裝者 (DIY 人士),則需要透過隨手可得的桌上型電腦或筆記型電腦,以簡易、低成本的方式來取得無線電波。

本文將簡短介紹 SDR,然後介紹 Adafruit Industries 的低成本 USB 型 SDR 模組。此產品能接收並解調多種訊號,包括從簡單的連續波 (CW) 摩斯密碼到最複雜的數位調變訊號。接著會展示使用者如何使用該模組與相關的軟體,為電腦增添無線電接收、無線電頻譜與頻譜圖分析能力。

什麼是 SDR?

軟體定義無線電 (SDR) 使用數位技術取代傳統的無線電硬體,如混頻器、調變器、解調器和相關的類比電路。SDR 可使用相應的類比數位轉換器 (ADC) 直接對無線電訊號進行數位化,因此能以軟體形式實作所有這些功能。如此一來,相同的硬體可用於多種無線電模式,無論是 AM、FM、CW、單邊帶 (SSB) 或是雙邊帶 (DSB)。這將賦予無線電極高的靈活性,經過快速重新配置後,便可應對不同的訊號傳送技術 (圖 1)。

傳統類比接收器 (上) 與 SDR 型接收器 (下) 的比較圖圖 1:此圖將傳統類比接收器 (上) 與 SDR 型接收器 (下) 進行比較。在 SDR 接收器中,ADC 之後的所有功能均透過可編程數位電路實作,從而可以對變化和更新進行編程。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

超外差接收器 (圖 1,上圖) 等傳統無線電以硬體為基礎,並以類比元件實作。SDR 接收器使用 RF 調諧器,將關注的頻段降頻為 ADC 範圍內的中頻 (IF)。此後所有的電路皆為數位電路。數位降頻器將訊號頻率轉換為基頻,執行低通濾波功能。數位訊號處理器 (DSP) 則執行解調、解碼和相關的任務。這些電路通常都是以應用特定 IC (ASIC)、現場可編程閘極陣列 (FPGA) 和可編程 DSP 元件為基礎。透過適當的軟體,這些數位電路提供了一種非常靈活的無線電,能夠接收各種調變類型。

低成本 SDR 硬體

Adafruit Industries 1497 是一款低成本的 SDR 接收器,涵蓋 24 MHz 至 1.85 GHz 的頻率範圍,並以地面數位電視廣播 (DVB-T) 編碼的正交分頻多工 (COFDM) 解調器為基礎,帶有獨立的調諧器 IC。

DVB 聯盟是一家位於歐洲的標準組織,負責制定地面數位電視廣播發射標準。該系統使用 MPEG 傳輸串流,透過 COFDM 或 OFDM 調變來傳輸壓縮的數位音訊、數位視訊和其他資料。這些元件可變換用途,藉由編程用於其他應用,非常適合想要收聽與研究 VHF、UHF 及低微波頻率無線電訊號的業餘愛好者和自行組裝者。

該元件的實體尺寸非常小,只有 22.24 mm x 23.1 mm x 9.9 mm,但卻可以實現 Adafruit SDR 的所有訊號處理能力 (圖 2)。該元件透過 USB 連接埠連接主機電腦,而現成的 SDR 軟體則在電腦/筆記型電腦上提供使用者介面。製造商在入門指南中推薦了 Airspy 的 SDR Sharp (SDR#)。該軟體的安裝時間不到五分鐘,並已妥善進行記錄。

Adafruit 1497 低成本 SDR 接收器圖片圖 2:1497 是一款低成本的 SDR 接收器,採用 25 美分硬幣大小的封裝,並隨附天線配件與遙控器。此接收器的調諧範圍為 24 MHz 至 1.85 GHz,可透過 USB 與主機電腦介接。(圖片來源:Adafruit Industries)

天線透過 MCX 連接器接到接收器上。接收器的 MCX 插孔可接受天線纜線上的插頭,或者以使用者自備的客製天線取代隨附天線。

如果使用者決定用其他天線取代隨附天線,可使用 MCX 插頭進行連接。同軸配接器可用於將 SDR 上的 MCX 輸入連接器與更常用的 SMA 或 BNC 連接器進行配接。Amphenol RF 推出 MCX 插頭轉 SMA 插孔 (242127) 或 BNC 插孔轉 MCX 插頭 (242204),從而提供更常用的連接器介面。

SDR 支援軟體

SDR# 軟體與接收器相連,並提供使用者介面和視覺顯示 (圖 3)。

Airspy SDR# 使用者介面圖片 (按此放大)圖 3:Airspy SDR# 使用者介面從左側的下拉式選單控制 SDR 接收器。頻譜分析器顯示畫面顯示於頂部網格中,下方則是頻譜歷史記錄。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

SDR# 的預設使用者介面有三個主要元素:

  • 左欄包含 SDR 元件的控制項。總共有十四個下拉式選單,控制 SDR 接收器的各方面。主要的控制項是針對無線電、音訊和顯示畫面。
  • 頂部網格包含頻譜分析器的顯示畫面。透過使用分貝校正的對數尺標,在橫軸上繪製頻率,在縱軸上繪製訊號功率。頻譜分析器是 RF 工程師用來測量與分析 RF 元件的主要測試工具。螢幕顯示畫面頂部的數字讀數會顯示並控制頻譜分析器的中央頻率。顯示的最大頻率範圍是接收器的頻寬,大約為 2 MHz。顯示畫面右側有一個水平縮放滑桿控制項。縮放功能可讓顯示畫面在中央頻率附近水平擴張。
  • 頻譜分析器顯示畫面下方是頻譜歷史記錄顯示畫面,此畫面有時稱為頻譜圖,會顯示頻譜的時間歷史記錄。水平軸是頻譜分析器顯示畫面中的頻率;縱軸尺標是時間。圖中有顯示日期和時間的時間標記。第三維度是訊號功率,以顏色顯示。預設的色階從黑色 (最低功率位準) 到紅色 (最大功率位準)。顯示控制項下方有各種樣式和顏色對應。

圖 3 中顯示的訊號是 105.1 MHz FM 廣播台的訊號。這是一個頻寬為 200 kHz 的廣頻 FM 訊號。其為 SDR 接收器中八個解調器之一。其他解調器支援窄頻 FM、AM、上下 SSB、DSB、CW,以及原始同相和正交訊號分量。這些選項位於顯示畫面左上方的無線電控制項中。

訊號頻譜以中央頻率附近的類比訊號構成。其載有類比無線電節目。其外則是包含其他節目素材與數位資訊的雙重子帶。節目資訊內容經解碼後立即顯示在頻譜分析器顯示畫面的上方。除了頻譜顯示畫面之外,無線電台也有音訊組件,可透過主機電腦進行收聽。

廣頻 FM 擁有廣大的頻寬,因為需要攜帶高逼真度的立體聲音樂。美國國家氣象局廣播等無線電服務則只攜帶語音,並採用窄頻 FM (圖 4)。

美國國家氣象局 162.471 MHz 天氣廣播圖片 (按此放大)圖 4:收聽美國國家氣象局 162.471 MHz 廣播。此電台使用窄頻 FM。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

由於節目內容僅是語音,因此僅使用 11.2 kHz 的頻寬接收美國國家氣象局電台。同樣地,也提供音訊節目素材以及頻譜顯示畫面。SDR 接收器可將這些服務全都增添至主機電腦。

頻譜歷史記錄,即頻譜圖顯示畫面,有助於查看所接收的訊號頻譜隨時間推移的變化。一個簡單的範例就是查看連續波 (CW) 摩斯密碼訊號的變化 (圖 5)。

CW 摩斯密碼訊號的頻譜圖檢視畫面 (按此放大)圖 5:CW 摩斯密碼訊號的頻譜圖檢視畫面。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

CW 訊號可開啟和關閉 RF 載波 (開關鍵控),藉此對資料進行編碼。在頻譜圖顯示畫面上,按鍵被按下的時間段,即傳輸載波的時間段,會以淡藍灰色軌跡來表示。在訊號軌跡中可看到摩斯字母 V (di di di dah),這表示測試。請注意,軟體會透過提供一個標示為「CW shift」(CW 移位) 的拍頻振盪器 (BFO),來安排接收 CW 訊號,以提供使用者控制的音調來收聽所傳輸的編碼。由於 CW 傳輸為窄頻,因此接收器會將頻寬減少到 300 Hz,如無線電控制下拉式選單所示。若將接收器頻寬保持在接收模式所需要的最小值,可將頻道的雜訊位準降到最低。

SDR 接收器的幾種測量應用

在這個連結度越來越高的世界裡,有很多 RF 來源需要進行檢查和檢修。其中一個範例便是驗證遠端氣象站發射器模組的更新期 (圖 6)。

頻譜圖顯示了遠端發射器 433.93 MHz 載波頻率下的兩個 RF 突波。頻譜圖上的時間尺標顯示出,FM 突波發生的間隔時間大約為 50 秒。

遠端氣象站發射器 433.92 MHz 下的頻譜圖 (按此放大)圖 6:遠端氣象站發射器 433.92 MHz 下的頻譜圖,此發射器會以突波的方式傳送資料。頻譜圖捕捉並顯示了所傳輸的突波,突波發生的間隔時間大約為 50 秒。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

汽車遙控鎖 (RKE) 系統的工作頻率為 315 或 433 MHz,視使用汽車的地點以及管理規範而定。在本例中,使用者只需要讓車鑰處於天線附近並按下其中一個按鈕,便可查看所使用的調變類型 (圖 7)。

RKE 車鑰的頻譜顯示大約在 433.9 MHz 處有雙峰值。此元件的資料編碼使用頻移鍵控 (FSK),其中載波會在兩個頻率間移動,以表示數字 1 或 0。而其他 RKE 車鑰使用幅移鍵控 (ASK),其中載波的振幅會在兩個位準間偏移,與 CW 訊號相差不大。

遙控鎖元件的頻譜使用 433.9 MHz 載波的 FSK 圖片 (按此放大)圖 7:遙控鎖元件的頻譜使用 433.9 MHz 載波的 FSK 對數位資料進行編碼,以控制進入汽車。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

結論

Adafruit 1497 SDR 接收器為研究愛好者和專業人士,開啟了 VHF、UHF 和低微波頻段的大千世界。該元件讓使用者可以使用電腦收聽 FM、TV、業餘無線電、民間頻帶、天氣及短波廣播。該元件也可用作頻譜分析器,來驗證各種可攜式 RF 元件的運作情況。另外,1497 還可用來製作無線電天文學的干涉儀,而且成本都很低。

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關於作者

Art Pini

Arthur (Art) Pini 是 Digi-Key Electronics 的特約撰稿人。他擁有紐約市立學院的電機工程學士學位,以及紐約市立大學的電機工程碩士學位。他在電子業有超過五十年以上的經驗,曾任職於 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek,以及 Nicolet Scientific 的重要工程和行銷職務。他對量測技術有所鑽研,並且在示波器、頻譜分析器、任意波形產生器、數位轉換器,以及電表方面有豐富的經驗。

關於出版者

Digi-Key 北美編輯群