Содержание статьи
Один из самых популярных SDR сегодня — это китайский «свисток» RTL-SDR, мы о нем неоднократно писали (можешь посмотреть, например, статью «Делаем первые шаги с RTL-SDR»). Он обладает просто фантастическими возможностями для своей цены.
Схема RTL2832 + RT820 выглядит вот так.
Сигнал поступает на вход радиотракта, реализованного на RT820, где выполняется первое преобразование частоты в промежуточную, здесь 3,57 МГц. Зеркальный канал при этом подавляется фильтрами, насколько это возможно.
Такое решение позволяет покрыть огромный диапазон частот от нескольких десятков мегагерц до пары гигагерц. Не весь сразу, конечно, а только кусочками по несколько мегагерц (судя по документации, RTL2832 способен оцифровать и сигнал частотой в несколько десятков мегагерц, однако упирается в пропускную способность USB). На самом деле зачастую достаточно и этого.
Полученный сигнал ПЧ оцифровывается в RTL2832, после чего подвергается второму программному преобразованию частоты. Здесь уже используется квадратурный гетеродин, реализованный программно как скалярное произведение входящего сигнала на опорный. А в случае квадратурного гетеродина в качестве опорных использованы два сигнала с одной и той же частотой, но сдвинутые по фазе на π/2. На выходе смесителей стоят фильтры низкой частоты, которые фильтруют сигнал с удвоенной опорной частотой. В результате на выходе тоже имеем два сигнала: синфазный (I) и квадратурный (Q). Впрочем, названия до некоторой степени условны.
Сигналы в виде потока данных передаются по USB. Собственно, перед отправкой и происходит ресемплирование, когда скорость передачи понижается до примерно 2 Мвыб/с, в данной схеме это «бутылочное горлышко». Почему именно квадратурный гетеродин? Из теории цифровой обработки сигналов известно, что, имея только сигналы I и Q, можно декодировать сигнал с любым из существующих способов модуляции. Например, АМ-модуляция, на которой мы ниже и сосредоточимся, реализуется наиболее просто.
Если представить, что I — это действительная часть, а Q — мнимая часть комплексного сигнала Z, то |Z| = (I^2 + Q^2)^1/2 и есть искомый демодулированный сигнал. C ЧМ и ФМ уже будет сложнее, но не принципиально. Впрочем, теория цифровой обработки сигналов слишком тяжела, чтобы пересказывать ее в двух словах, — при желании можешь почитать подробнее сам.
Дальше сигнал обрабатывает уже компьютер, где из отдельных семплов I и Q формируется комплексный семпл Z = I + jQ. Однако, как ты понимаешь, это тоже некоторая условность, позволяющая применить математический аппарат комплексного исчисления к сигналу.
По существу, все это реализуется такими программными пакетами, как SDR# (Windows), gqrx (Linux) или GNU radio (Linux). Последний нам наиболее интересен, так как позволяет не только пробежаться по диапазону, но и понять, как программная часть реализована внутри. И при этом вовсе не нужно залезать в дебри программирования, а можно при помощи мыши составить структурную схему (граф) из отдельных блоков. Блоки обычно реализуют одну операцию (в лучших традициях Unix). Вот так в GNU Radio выглядит простейший FM-приемник на RTL-SDR, созданный за пару минут.
RTL-SDR выступает в роли источника, выдающего поток комплексных Z-значений, что равносильно обоим потокам I и Q. Далее сигнал попадает в цифровой фильтр низких частот ФНЧ, который вырезает интересующую нас полосу. Так как в данном случае ожидается частотная модуляция, то нам потребуется полоса в ~200 кГц, с центром в нуле, которому соответствует выставленная на RTL-SDR частота. Далее сигнал попадает на частотный детектор, на выходе которого получается реальный звуковой сигнал, подходящий для звуковой карты. Ресемплер нужен, чтобы согласовать битрейт сигнала. Итого — половина приемника всего в несколько кликов мышки!
Simple SDR
Раньше относительной популярностью пользовались SDR-приемники, которые использовали звуковую карту компьютера в качестве АЦП. Большинство имели схожую конструкцию и состояли из опорного генератора, фазовращателя, смесителя и усилителя низкой частоты. Выход усилителя подключался к линейному входу звуковой карты. Чувствуешь аналогию с рассмотренным выше RTL2832? Суть та же, только промежуточная частота тут ниже и оцифровывается уже квадратурный сигнал.
Рассмотрим схему популярного приемника ZetaSDR.
Сигнал с тактового генератора частотой F идет к фазовращателю, выполненному на двух D-триггерах, соединенных в счетчик Дженсона. Тот представляет собой сдвиговый регистр, последний инвертированный выход которого подан на вход. При подаче тактового сигнала по выходам сдвигового регистра будет распространяться попеременно волна нулей и единиц. В нашем случае на выходах Q0 и Q1 будут последовательно устанавливаться состояния 00, 01, 11, 10, что в десятичной системе соответствует 0, 1, 3, 2. С точки зрения сигналов это два меандра частотой F/4, сдвинутые по фазе на 90°.
Далее полученные опорные сигналы поступают на ключевой смеситель Дэна Тейло (Dan Tayloe), выполненный на мультиплексоре 74HC4052. Смеситель умножает один сигнал на другой, поэтому если один из сигналов — меандр, то умножение сводится к простому переключению.
На приведенной ниже картинке показана диаграмма работы мультиплексора, где включенному каналу условно соответствует высокий уровень на нем.
Принимая канал X0 за 0°, видим, что 90° — это X1, 180° — X3, а 270° — X4. Соответствующим образом подключены и операционные усилители. В результате на выходе получаем сигналы I и Q, смещенные на 90°. Подробнее о смесителе Тейло можно прочитать в оригинальной статье. Далее сигналы отправляются на линейный вход аудиокарты.
Продолжение доступно только участникам
Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте
Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее
Вариант 2. Открой один материал
Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep.ru»? Тогда этот вариант для тебя! Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.
Я уже участник «Xakep.ru»
