張濤++徐亞明

摘要：本文提出了一種使用SDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的寬帶廣播設(shè)備，并且使用Hackrf ONE和GNURadio配合驗(yàn)證了該原理。使用該設(shè)備作為發(fā)射源，可以實(shí)現(xiàn)在該設(shè)備的覆蓋范圍內(nèi)，任何正常工作的收音機(jī)無(wú)須調(diào)諧即可收到廣播內(nèi)容。該設(shè)備可用在應(yīng)急救災(zāi)中以及隧道等交通設(shè)施中。

關(guān)鍵詞：軟件定義的無(wú)線電；HackRF ONE；寬帶廣播設(shè)備；應(yīng)急救災(zāi)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0045-04

Abstract：This paper presents a wideband broadcast device based on SDR ， then verified it use Hackrf ONE and GNURadio. Use this device as a broadcast transmitter， any radio receiver works normal in the cover field can receive the signal without tuning. This wideband broadcast device can be used in emergency rescue and some traffic facilities such as tunnel and bridge.

Key Words：SDR；Hackrf ONE；Wideband broadcast device；emergency rescue

1 引言

自從廣播技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和改進(jìn)，已經(jīng)成為一種重要的媒體手段，在信息傳播，娛樂(lè)，消息傳達(dá)，輿論導(dǎo)向等各個(gè)方面起到了重要的作用。廣播接收裝置即收音機(jī)原理簡(jiǎn)單，成本低廉，效果容易保證，因此直到互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)的今天，其擁有率仍然相當(dāng)高，甚至成了汽車(chē)和手機(jī)上的必備配置。

通常的廣播發(fā)射裝置，基于AM（幅度調(diào)制）或者FM（頻率調(diào)制）技術(shù)，將音頻信號(hào)調(diào)制到固定頻率的無(wú)線電波上發(fā)射出去，一臺(tái)傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)只能工作于一個(gè)頻率上。不同的廣播電臺(tái)使用不同的無(wú)線電波頻率，收音機(jī)只有在調(diào)諧到與該廣播電臺(tái)相同的頻率上時(shí)，才可以收聽(tīng)該電臺(tái)的信號(hào)。

AM方式的廣播占用帶寬窄（9Khz左右），F(xiàn)M方式的廣播占用的帶寬較寬（200Khz左右），因此FM方式的廣播其音頻信號(hào)質(zhì)量明顯好于AM方式的廣播。另外，一般的AM廣播頻率范圍是522Khz-1620Khz，總帶寬為1098Khz，波長(zhǎng)為數(shù)百米，一般需要磁性天線才可以取得較好的接收效果，其接收裝置不易小型化模塊化；而FM廣播頻率范圍是88Mhz-108Mhz，總帶寬為20Mhz，波長(zhǎng)為3米左右，其接收裝置容易小型化模塊化。當(dāng)前城市廣播主要采用的方式為FM方式。

由于無(wú)線電波傳播特性的原因，在地下室、隧道、橋下、防空洞或者因自然災(zāi)害造成的幽閉空間等遮蔽環(huán)境下，無(wú)線電波衰減嚴(yán)重，廣播信號(hào)質(zhì)量變差甚至完全無(wú)法接收，民眾也就難以獲得營(yíng)救信息或者交通、天氣信息。例如，汽車(chē)駕駛員正在通過(guò)FM廣播獲取交通信息，當(dāng)汽車(chē)駛?cè)胨淼篮螅{駛員便無(wú)法再獲取交通信息，若此時(shí)前方發(fā)生緊急事件，則公安部門(mén)就無(wú)法將信息及時(shí)發(fā)送給駕駛員。雖然可以在隧道內(nèi)架設(shè)廣播電臺(tái)將消息廣播出去，但是因?yàn)槊總€(gè)司機(jī)在進(jìn)入隧道前所收聽(tīng)的廣播電臺(tái)不盡一致，其頻率無(wú)法獲知，因此傳統(tǒng)的廣播發(fā)射機(jī)難以勝任，因?yàn)榘凑找话愕氖找魴C(jī)性能，可以接收250Khz帶寬的信號(hào)，如果需要讓每臺(tái)收音機(jī)全部收到信號(hào)，則需要架設(shè)80臺(tái)廣播發(fā)射機(jī)，每臺(tái)發(fā)射機(jī)工作于不同的頻率。其安裝成本與維護(hù)成本都是相當(dāng)高的。

同樣的情況，可能發(fā)生在于防災(zāi)以及救災(zāi)工作中。災(zāi)情預(yù)防階段或者災(zāi)后，收音機(jī)是民眾獲取通知信息的重要手段，但是一方面，在緊急情況下，民眾可能因?yàn)榛艁y無(wú)法調(diào)諧到廣播電臺(tái)信號(hào)，另一方面，災(zāi)民所處的位置可能已經(jīng)處于電磁波屏蔽環(huán)境中，無(wú)法接收廣播電臺(tái)信號(hào)。

如果能有一種廣播發(fā)射設(shè)備可以發(fā)射寬帶調(diào)制信號(hào)，使得在覆蓋范圍內(nèi)的正常工作的收音機(jī)無(wú)須調(diào)諧（或者說(shuō)無(wú)論調(diào)諧在什么頻率）即可收到廣播信號(hào)，則可有效解決上述問(wèn)題。

2 實(shí)現(xiàn)原理

本文采用SDR（軟件無(wú)線電）技術(shù)，將發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，將復(fù)雜的多頻率調(diào)制用SDR方式實(shí)現(xiàn)，只需要一臺(tái)發(fā)射機(jī)即可完成20Mhz帶寬的FM廣播全覆蓋，任何一臺(tái)工作正常的收音機(jī)，只要開(kāi)機(jī)，無(wú)須調(diào)諧，即可收到本發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)。而且其設(shè)備成本以及維護(hù)成本低，可以廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽空間的信息傳達(dá)，在防災(zāi)減災(zāi)方面有推廣應(yīng)用價(jià)值。

同樣的方法，也可應(yīng)用于AM方式的廣播甚至數(shù)字廣播。

采用SDR技術(shù)，使用數(shù)字中頻，將廣播發(fā)射機(jī)的調(diào)制工作完全由DSP（數(shù)字信號(hào)處理）方法實(shí)現(xiàn)，之后將數(shù)字中頻傳輸給DAC，轉(zhuǎn)換成模擬中頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)上變頻轉(zhuǎn)換到需要發(fā)射的頻段，然后將射頻信號(hào)放大，最后通過(guò)天線發(fā)射出去。

具體的步驟是，首先將音頻信號(hào)進(jìn)行FM調(diào)制，生成FM調(diào)制后的窄帶數(shù)字中頻（此時(shí)為零中頻），將窄帶數(shù)字中頻用分配器分成80路。同時(shí)生成從1Mhz開(kāi)始，到20.75Mhz結(jié)束的，以250Khz為間隔的80個(gè)數(shù)字本振信號(hào)，將這80個(gè)數(shù)字本振信號(hào)分別與80路窄帶數(shù)字中頻信號(hào)混頻，并經(jīng)過(guò)數(shù)字高通濾波，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻，得到80路位于不同頻點(diǎn)的窄帶數(shù)字中頻信號(hào)。

為了節(jié)省資源，頻率間隔也可以設(shè)置的大一些，例如300KHz，此時(shí)將節(jié)省大約17%的資源，但是效果會(huì)有所降低。如果頻率間隔變化，則其余相關(guān)參數(shù)也要隨之變化。

再將80路數(shù)字中頻信號(hào)乘以一個(gè)系數(shù)（小于1，例如0.01），以調(diào)整振幅，以備下一步加法處理。

將調(diào)整振幅后的80路數(shù)字中頻信號(hào)通過(guò)加法器相加，得到寬帶數(shù)字中頻。

將寬帶數(shù)字中頻送入DAC進(jìn)行數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，得到寬帶模擬中頻信號(hào)。

另產(chǎn)生一個(gè)87Mhz的模擬本振信號(hào)，將其與寬帶模擬中頻信號(hào)混頻，并經(jīng)過(guò)高通濾波，實(shí)現(xiàn)模擬上變頻，得到從88Mhz到107.75Mhz，間隔250Khz的寬帶射頻廣播信號(hào)。

隨后將這個(gè)寬帶射頻廣播信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻功率放大器放大，最后經(jīng)天線發(fā)射出去。

由于一般的收音機(jī)帶通性能并非嚴(yán)格的矩形，因此此時(shí)，在收音機(jī)上，無(wú)論調(diào)諧頻率是在88Mhz-107.75Mhz的以250Khz為間隔的頻點(diǎn)上，還是在其余頻點(diǎn)上，都可以收到該信號(hào)，只是如果沒(méi)有調(diào)諧在這些調(diào)制頻點(diǎn)上的時(shí)候，會(huì)有一定程度的失真現(xiàn)象。

圖1是本方案的原理框圖。

注意在本振信號(hào)（頻率為flocal_osc）與中頻fif的混頻后，實(shí)際上生成了以本振信號(hào)為中心的兩個(gè)互為鏡像的信號(hào)：

（公式1）

在一般的無(wú)線電設(shè)備中，需要舍棄其中的一個(gè)鏡像信號(hào)，而只保留一個(gè)。但是在本設(shè)備中，可以通過(guò)利用這個(gè)鏡像信號(hào)來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)。如圖2，只需使用0.25MHz到10.5MHz之間的數(shù)字本振，并增加一路直接將FM調(diào)制后的信號(hào)連接到加法器，然后將87Mhz的模擬本振改為98MHz，并將最后一級(jí)高通濾波器更改為特殊設(shè)計(jì)的帶通濾波器，通過(guò)濾波器將射頻信號(hào)平坦度進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后再放大、發(fā)射。這樣，可以充分利用鏡像信號(hào)，可節(jié)省一半的資源。

同樣的，本方案也可應(yīng)用于中波AM調(diào)制的寬帶廣播，由于其載波頻率低，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一些，實(shí)現(xiàn)方法為：

首先將數(shù)字音頻信號(hào)分成62路，同時(shí)生成522Khz到1620Khz，間隔18KHz，一共62個(gè)不同的數(shù)字本振信號(hào)，將數(shù)字音頻信號(hào)與這62路本振信號(hào)分別相乘，得到62路窄帶數(shù)字信號(hào)，然后再乘以一個(gè)系數(shù)以調(diào)節(jié)幅度（系數(shù)應(yīng)小于1，如0.02），再將調(diào)節(jié)過(guò)幅度的62路窄帶數(shù)字信號(hào)相加，得到寬帶數(shù)字信號(hào)，然后將這個(gè)數(shù)字信號(hào)直接通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換成模擬射頻信號(hào)，隨后經(jīng)過(guò)放大器，最后通過(guò)天線發(fā)射出去即可。

3 具體實(shí)現(xiàn)

下面以 88Mhz-108Mhz的調(diào)頻廣播為例，說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方法。

為了快速驗(yàn)證本方案的可行性以及效果，下面用GNUradio 配合HackRF ONE進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

GNURadio是一個(gè)開(kāi)源的SDR開(kāi)發(fā)應(yīng)用平臺(tái)。使用該平臺(tái)，可以快速實(shí)現(xiàn)SDR的原型驗(yàn)證工作。其中的圖形化編程工具grc，可以實(shí)現(xiàn)快速模塊化SDR開(kāi)發(fā)。

HackRF ONE是Michael Ossmann開(kāi)發(fā)的一個(gè)完全開(kāi)源的SDR硬件平臺(tái)，其頻率覆蓋范圍從1MHz到6GHz，采用半雙工機(jī)制，8bit位寬，最高20Mhz正交采樣。HackRF ONE是目前價(jià)格最低的收發(fā)一體的SDR硬件平臺(tái)。其20Mhz的帶寬剛好滿足88Mhz-108Mhz的調(diào)頻廣播頻率覆蓋。

由于HackRF ONE自身沒(méi)有FPGA，因此在本驗(yàn)證工作中，大部分的數(shù)字信號(hào)處理都由GNURadio在電腦上完成，HackRF ONE主要完成最后的發(fā)射工作，而這些信號(hào)處理會(huì)占據(jù)大量傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 CPU資源，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行在Intel I5 2.26Ghz CPU上，當(dāng)頻點(diǎn)達(dá)到12個(gè)的時(shí)候，CPU負(fù)荷已經(jīng)處于90%，因此本實(shí)驗(yàn)僅覆蓋了3.6MHz帶寬，但也足以證明方法的可行性。本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)如下：

開(kāi)始頻點(diǎn)：99MHz

頻率間隔：0.3MHz

結(jié)束頻點(diǎn)：102.3MHz

總頻點(diǎn)數(shù)：12個(gè)

覆蓋帶寬：約3.6MHz

由于本實(shí)驗(yàn)僅為驗(yàn)證方法的可行性，因此未加任何的功率放大設(shè)備，此時(shí)HackRF ONE的射頻輸出功率大約有10 dBm。

圖3是經(jīng)本實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)射出來(lái)的頻譜信號(hào)。

經(jīng)實(shí)際收音機(jī)接收證明，收音機(jī)在98.8Mhz 到102.4Mhz整個(gè)范圍內(nèi)均可收到該設(shè)備發(fā)出的廣播信號(hào)，無(wú)須調(diào)諧，但是在兩個(gè)頻點(diǎn)中心位置會(huì)有失真現(xiàn)象，例如在99.15MHz處，但是由于多數(shù)收音機(jī)以及電臺(tái)的步進(jìn)為0.1MHz，因此不會(huì)造成太大影響，在覆蓋頻率范圍內(nèi)語(yǔ)音完全可以辨別。同時(shí)，由于鏡像信號(hào)的存在，在93.6MHz到97.2MHz之間，也可以連續(xù)收到信號(hào)。因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的總頻率覆蓋范圍超過(guò)了7MHz。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的寬帶廣播發(fā)射設(shè)備可以使收音機(jī)無(wú)須調(diào)諧就能收到廣播內(nèi)容，可以應(yīng)用于交通、應(yīng)急救災(zāi)等場(chǎng)合。文中的GNURado配合HackRF ONE實(shí)現(xiàn)方案僅僅為了快速驗(yàn)證本方案的可實(shí)施性，因此成本會(huì)略高，而且對(duì)電腦的要求較高，否則難以實(shí)現(xiàn)全頻段的覆蓋。如果需要批量生產(chǎn)以及實(shí)際應(yīng)用，可以將GNU Radio所完成的數(shù)字處理工作由DSP/FPGA完成，再配合射頻部分完成發(fā)射工作。

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