寬帶便攜式接收機的研究

汪庭霽，崔軍峰，楊文翰

（國家無線電監(jiān)測中心，北京　100037）

寬帶便攜式接收機的研究

汪庭霽，崔軍峰，楊文翰

（國家無線電監(jiān)測中心，北京100037）

隨著無線電技術的發(fā)展需要，傳統接收機體積龐大、不易攜帶的缺點越來越突出。本文選擇了某小型寬帶手持接收機進行研究，該接收機能夠提供IQ數據輸出及計算機軟件控制選件，本文首先對該接收機的參數控制進行了介紹，并對比了三款SDR（Software Defined Radio）軟件的功能與特點，最后說明了正確獲取IQ數據的方法。

寬帶接收機；軟件無線電

1　引言

隨著無線電技術的發(fā)展及無線電設備的集成化程度越來越高，手持的高性能小型接收機愈加普及，業(yè)余無線電活動發(fā)展迅速?；谶@方面的需求，我們選擇了某公司推出的一款小型寬帶手持接收機進行研究。該型號接收機具有較寬的頻率接收范圍（0.05～1300MHz）；能夠輸出I/Q信號、音頻信號和10.7MHz鑒頻信號；在音頻輸出狀態(tài)下，能持續(xù)工作15小時，并具有遠程控制功能，該接收機在此基礎上能夠實現各種無線電信號的解調與語音記錄，環(huán)境電磁頻譜的分析，設計制作各種無線電接收系統，例如對ACARS或者ADS-B信號進行解調，繪制飛機實時飛行軌跡，對AIS信號進行解調，畫出船舶的動態(tài)實時位置等。

本文首先簡述該接收機的基本性能，然后介紹相關控制軟件可調節(jié)的參數，并對比了三款不同的SDR控制軟件的功能與特點，最后研究了接收機提供的三種輸出信號特點，說明了正確獲取IQ數據的方法。在此基礎上，無線電愛好者便可針對自己的需求進行開發(fā)，設計制作完成屬于自己的無線電接收系統。

2　接收機簡介

某品牌的小型寬帶手持接收機基本參數如表1所示。

表1　接收機的基本參數

接收機內置11個可編輯的存儲頻道，每個頻道由100個存儲單元組成。每個存儲單元均可預先存儲好對應的頻點，解調方式等參數，并可以自定義命名，通過ERW-8型號連接線，與電腦相連。在該公司官網上提供兩種基本免費軟件下載：一種軟件為遠程控制軟件，可以在電腦上通過鼠標和鍵盤來操作；另一種為克隆軟件，可以在電腦上設置接收機的各種參數以及內置的存儲頻道，然后通過寫入操作，將設置好的參數，同步到接收機上。同理也可以通過讀取操作，將接收機的參數讀取到電腦上，作為數據的備份。

3　控制軟件及SDR軟件介紹

3.1控制軟件

官方提供的基礎控制軟件解壓縮即可使用，支持Windows 7，Windows Vista，Windows XP和Windows 2000專業(yè)版操作系統。該軟件能夠控制的參數有主帶、子帶的輸入頻率、音量、靜噪門限、解調方式、輸出數據的類型及預制模式的選擇，具有圖形和表格兩種操作界面，分別如圖1和圖2所示，圖形操作界面中，相關的按鈕均可以點擊使用，把鼠標放在功能按鈕附近時，會出現綠色的字母或箭頭提示操作，這些操作體現在界面中的惟一反饋就是頻率的變化，而不能顯示處于何種功能下，相比之下，表格操作界面更直觀，并且能夠更改更多的參數，方便使用。

電腦與接收機之間的連接需要ERW7或ERW8型號的連接線，并且要求提前安裝連接線驅動程序。需要注意的是，該驅動程序需要安裝兩邊才能正常使用。在打開軟件之后，在設置（Setting）中選擇正確的端口（COM），端口在設備管理器中查看，對應的是USB Serial Port所示的端口。

圖1　圖形操作界面

圖2　表格操作界面

ERW-7和ERW-8型數據線二者的不同點在于，使用ERW-7型數據線僅能使用克隆功能軟件或其他軟件，而使用ERW-8型數據線可以同時使用克隆功能軟件和實時控制軟件。ERW-8型數據線一端是小型USB接口接到接收機的充電器上，另一端是USB接口連到電腦。

3.2SDR軟件

上面介紹的控制軟件功能比較簡單，只能較好地實現接收機自帶的功能，沒有進一步的延伸和開發(fā)，應用更加復雜的功能需要借助其他的第三方軟件，下面就對比三種常見的軟件無線電控制軟件。

3.2.1KGSDR

KGSDR是較便捷的一款控制軟件，界面如圖3所示。

圖3　KGSDR界面

與其自帶的控制軟件相比，KGSDR功能更加強大，并且操作簡單。它包括有信號強度測量，頻率顯示，解調方式設置，音量，噪聲控制，錄音和頻譜圖。KGSDR是惟一一款支持該接收機IQ頻率偏置的SDR軟件，偏置的范圍為-24kHz至+24kHz。此外，KGSDR有兩種保存數據的方式，第一種是存為WAVE格式的音頻，點擊wave按鈕激活；第二種方式是raw文件，即未處理的原始數據文件，點擊Raw File下方的Rec紅色按鈕激活。

綜上所述，KGSDR是一款簡單便捷的控制軟件，功能上有所增加，操作簡單。

3.2.2WINRAD

WINRAD是由Jeffrey Pawlan開發(fā)的一款開源SDR軟件，能夠接受并識別高達192kHz的IQ數據輸入到計算機的聲卡，可以選擇多種濾波器來改進解調結果。此外，該軟件還支持擴展的dll文件以識別不同類型的外部硬件接口輸入的數據，這使得后續(xù)開發(fā)的接收機也能工作在同一個平臺上。

WINRAD啟動后即為全屏狀態(tài)，界面如圖4所示。將兩路IQ信號分別連接到聲卡的左右聲道上，如果沒有兩路的話，一路信號也可以，不過軟件的性能將會下降。然后在ShowOptions的下拉菜單中，選擇輸入信號硬件，是聲卡還是WAV文件，默認是使用聲卡作為輸入，如果已經添加了擴展的dll文件，這里會增加新的選項。WINRAD軟件解調方式較KGSDR增加了ECSS和DRM兩種，同時也具有錄音功能。

圖4　WINRAD操作界面

WINRAD最大的優(yōu)點在于它是一個開源的軟件，能夠得到公開的源代碼，便于用戶在此基礎上根據自己的需要開發(fā)集成新的功能，源代碼的下載地址：http://www.sdradio.eu/weaksignals/ winrad/download_source.html。該軟件使用的編譯器是CodeGear RAD Studio 2007。具體的編程方法在Winrad_OpenSource_Part2文件夾中的Winrad-How-To.pdf有具體的說明。其中常用參數的控制指令如表2所示：

表2　常用參數的控制指令

3.2.3HDSDR

HDSDR是一款免費的SDR軟件，由Alberto di Bene基于WINRAD開發(fā)，操作界面如圖5所示。

圖5　HDSDR操作界面

與WINRAD相比，HDSDR界面明顯更加簡介和直觀，并且增加了正常窗口模式，不需要保持工作在全屏狀態(tài)下；增大了瀑布圖和頻譜圖的顯示區(qū)域，相關的參數布置在其下方，便于尋找；要求的最低分辨率降低到640×480；增加了可視化功能的設定；增加了對接收機COM端口控制軟件的支持，使多用戶能同時控制電臺。

三種SDR軟件均能較好的實現對接收機的控制功能，其中KGSDR操作十分簡單，但只能滿足最基本的要求；WINRAD功能強大，但界面不太友好，使用不是很方便；HDSDR功能更加強大，在WINRAD的基礎上進一步做了開發(fā)，使用簡單，是比較合適的控制軟件。但是這三者中只有WINRAD是開源軟件，其余二者是免費軟件，如果需要特有的控制功能，WINRAD是最好的選擇。

4　接收機的輸出信號說明

該接收機可以輸出三種不同類型的信號，分別為音頻信號，DET信號，IQ信號。這也是其區(qū)別于一般接收機的主要特點之一。當接收機輸出調至DET輸出或IQ輸出時，需要通過一根3.5毫米的音頻線和計算機連接。如圖6所示，對于4節(jié)耳機線，從外到內，第一節(jié)傳輸音頻信號；第二節(jié)傳輸數據信號，包括克隆，DET信號，IQ信號；第三節(jié)是傳輸控制信號，最后一節(jié)為地線。

圖6　3.5毫米音頻線輸出接口說明

4.1音頻輸出

音頻輸出是接收機最基本的輸出，也是接收機的默認輸出模式。該型號接收機支持棒狀天線和耳機天線，可在設置菜單中驚醒切換，若連接音頻線后，可以通過操作系統自帶的錄音機軟件或是其他專業(yè)錄音軟件，將聲音存儲下來進行分析。

4.2DET信號輸出

令該接收機輸出DET信號，可以在設置中進行相關操作，也可以通過遠程控制軟件進行更改。需要注意的是，當接收機調整到DET輸出模式，將無音頻輸出，同時在接收機的顯示屏上也會顯示為DET模式。此時接收機輸出的便是10.7MHz的IF鑒頻信號。根據超外差式接收機的原理，接收機把接收到的高頻信號，經過與本地振蕩器的混合，變換成頻率固定的中頻信號。頻譜從高頻轉移到中頻，并沒有改變信號上攜帶的信息。此時如果用錄音軟件錄制，仍然可以得到和輸出聲音時幾乎一樣的錄音效果。信號轉移到中頻后，可以再經過解調、放大等最終輸出。

調頻信號的解調方法之一便是利用鑒頻器。普通鑒頻器的原理是先將調頻信號變成調幅調頻信號，使得該調幅調頻信號的幅度比例于調頻信號的瞬時頻率，然后再利用調幅信號的包絡檢波器，恢復出原始信號。鑒頻器的原理如圖7所示：

圖7　鑒頻器原理圖

4.3IQ信號輸出

該接收機優(yōu)于一般接收機的最大特點為IQ信號輸出功能。IQ信號包含了接收信號的全部信息。當把接收機調整到IQ輸出模式， IQ信息可以通過聲卡存入計算機，通過對IQ信號的處理，可以實現信號解調、定位、調制方式分析和電磁頻譜分析。

根據本章開始時提到的接口說明，4節(jié)的音頻線只有第2節(jié)是用作IQ信號輸出。但是IQ信號應該是由2路信號組成。聲卡本身不能信號分成兩路，如果只用了音頻線的第二節(jié)傳輸2路的IQ信號顯然是不可能的。因此，為了驗證這個問題，我們往接收機發(fā)送100MHz的單載波信號，調節(jié)接收機頻點，使用IQ模式輸出，然后使用一臺示波器（Tektronix TDS 784D）的CH1和CH2兩個通道測試3.5音頻線的第二節(jié)與其余各節(jié)的輸出信號。當示波器的兩個探頭分別接到第一節(jié)和第二節(jié)時，結果如圖8所示：

圖8　示波器監(jiān)測下的IQ輸出

我們可以看到，第一節(jié)的信號與第二節(jié)傳輸的信號是正交的。這與IQ信號兩路是正交的這個特點相符。因此，我們判斷音頻線的第一節(jié)和第二節(jié)分別傳輸的是I路與Q路的模擬信號，可以通過聲卡左右聲道的錄音對IQ信號進行采集，分別兩路數字信號。

5　使用實例

本文所選擇的這款小型寬帶手持接收機在一些通信系統之中有很好的應用，比如數字集群通信系統APCO P25。數字集群通信系統是一種新型的移動通信系統，它除了能提供個人移動通信服務外，還能實現個人與群體間的任意通信。APCO P25 （Association of Public-Safety Communications Officials Project25）是國際電信聯盟（ITU）制訂的七種集群通信系統標準之一，由美國國際公共安全通信協會（APCO），國家電信管理者協會（NASTD）和電信工業(yè)協會（TIM）合作制定推行的，它采用了頻分復用技術，目前廣泛應用于北美。

在APCO25數字集群通信系統中，如果使用傳統的模擬接收機，雖然可以將信號完整的接收，卻無法將其正確解調。因此，可以使用本文所介紹的接收機配合AOR公司的ARD25數字解碼器來進行解調，將10.7MHz中頻信號接到ARD25的輸入端口，經過ARD25處理該中頻信號，解調出接收的數字信號并用于后續(xù)使用，而APCO25數字集群通信系統在解調ACARS，ADS-B，AIS信號時發(fā)揮很好的作用，對于飛機和海事安全有重要意義。

圖9　APCO25解調過程原理圖

6　結束語

本文首先介紹了小型寬帶手持接收機的特點和相關的控制軟件，然后對比了三款SDR軟件：KDSDR，WINRAD，HDSDR的特點。其中，KGSDR界面簡單，可以滿足基本要求；WINRAD功能強大，并且是開源軟件，可以自主開發(fā)，但界面不太友好；HDSDR功能更加強大，在WINRAD的基礎上進一步做了開發(fā)，是比較合適的控制軟件。最后對該接收機的三種不同的輸出信號進行了分析和研究，給出了提取不同信號的方法?；谏鲜鰞热荩瑹o線電愛好者可針對自己的需求對此接收機進行開發(fā)，設計制作屬于自己的無線電接收系統。

Research of Wide-band Portable Receiver

Wang Tingji， Cui Junfeng， Yang Wenhan
（State Radio Monitoring Center， Beijing， 100037）

With the requirement of radio technology developing， the weakness of traditional receivers is more and more serious. We choose a wide-band portable receiver to research， which can offer IQ data output and be controlled by computer software. At frst， we briefy introduce the basic parameter， then compare the function and characteristic of three different software. Finally， we give the correct way of getting IQ data.

Wide-band receiver； Software Defned Radio

10.3969/j.issn.1672-7274.2015.02.011

TN85文獻標示碼：A

1672-7274（2015）02-0060-05

汪庭霽，男，碩士研究生，現任職于國家無線電監(jiān)測中心北京監(jiān)測站，主要從事于無線電監(jiān)測相關工作。

崔軍峰，男，碩士研究生，現任職于國家無線電監(jiān)測中心北京監(jiān)測站，主要從事于無線電監(jiān)測相關工作。

楊文翰，男，博士研究生，現任職于國家無線電監(jiān)測中心頻譜工程處，主要從事于無線電頻譜規(guī)劃、認知無線電等方面的研究工作。

［1］周炯槃，龐沁華等.通信原理［M］.北京：北京郵電大學出版社，2008

［2］曾少華.新一代數字集群通信系統［J］.電信網技術，2004，5（5）:40-43