張博，張揚(yáng)，周明銘，蔣未名，李戰(zhàn)初，金瑩，孫昊昉

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110027）

1 項(xiàng)目研究背景

模擬無(wú)線電技術(shù)發(fā)展至今已趨于成熟，伴隨當(dāng)前數(shù)字化浪潮，無(wú)線電技術(shù)已進(jìn)入從模擬向數(shù)字技術(shù)過(guò)渡階段。但在模擬信號(hào)無(wú)線電接收機(jī)市場(chǎng)上，如ICOM（艾可慕）、YAESU（八重洲）、KENWOOD（建伍）和AOR等日本傳統(tǒng)廠商仍在不斷推出“純硬件電路”技術(shù)的新產(chǎn)品，憑借著在設(shè)備精確度、可靠性等方面上的技術(shù)積累，以及多年的廣告宣傳，占據(jù)了較高市場(chǎng)份額。但上述品牌產(chǎn)品價(jià)格較高，并且功能單一、便攜性差，因此全頻接收機(jī)市場(chǎng)仍有進(jìn)入空間。

2 可行性研究

原有的RTL2832U芯片只具備接受地面視頻無(wú)線廣播（Digital Video Broadcasting - Terrestrial，DVB-T）和配套的運(yùn)算解碼、音視頻輸出等功能，芯片內(nèi)置了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等部分軟件定義無(wú)線電（Software Defined Radio，SDR）功能。本項(xiàng)目計(jì)劃將RTL2832U芯片的頻率接受范圍從傳統(tǒng)模擬電視頻段（48.5-72.5MHz、167-223MHz、470-566MHz、606-958MHz）擴(kuò)展至常用無(wú)線電通信的全頻段范圍（0.15～1766MHz,覆蓋MF、HF、VHF、UHF等常用無(wú)線電頻段），并提供多種模式信號(hào)的接收能力。

除傳統(tǒng)民用無(wú)線電接收設(shè)備的AM、FM（NFW和WFM）廣播接收功能之外，本項(xiàng)目計(jì)劃拓展常用無(wú)線電信號(hào)接收功能，如等幅電報(bào)（continuous wave，CW）、 單 邊 帶（single sideband，SSB）等，并拓展模擬電視伴音、航跡信息、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、宇宙微波背景輻射等接收功能，以求在單一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種接收功能，增加產(chǎn)品的功能和適用性。

3 主要原理

3.1 SDR原理

采用軟件定義無(wú)線電原理[1]的接收機(jī)如圖1所示。右側(cè)為軟件定義無(wú)線電（SDR）硬件芯片部分接收示意圖，接收設(shè)備的低噪聲放大器（lownoise amplifier）負(fù)責(zé)分離天線接收的信號(hào)和噪聲，將無(wú)線信號(hào)放大，與晶振產(chǎn)生的基帶信號(hào)調(diào)制，以模擬制式下變頻（down converter，DC）至中頻，再經(jīng)過(guò)低通濾波器（low pass filter，LQF），去除信號(hào)的載頻。

圖1 SDR接收原理圖

經(jīng)過(guò)一次變頻后的中頻模擬信號(hào)，進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC），對(duì)其進(jìn)行采樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。再將數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理模塊，進(jìn)行數(shù)字模式的下變頻處理（digital down converter，DCC）,將信號(hào)從中頻變頻至基帶，可降低后續(xù)處理器的運(yùn)算負(fù)載。

在SDR接收設(shè)備中，模擬制式的無(wú)線信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬和數(shù)字兩次下變頻處理后，變?yōu)檫m合CPU處理的數(shù)字模式的基帶信號(hào)（如圖2所示），再通過(guò)USB總線傳輸至計(jì)算機(jī)，由操作系統(tǒng)傳輸至SDR程序，經(jīng)CPU處理后以音頻或各種頻率圖的形式呈現(xiàn)，如圖1左半部分所示。以上為SDR接收機(jī)的信號(hào)接收全過(guò)程。

圖2 二次下變頻原理示意圖

3.2 RTL2832U芯片特點(diǎn)

據(jù)瑞昱（realtek）廠家提供的RTL2832U芯片數(shù)據(jù)手冊(cè),該芯片設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供DVB-T的碼分正交頻分復(fù)用模式（coded orthogonal frequency division multiplexing，COFDM）信號(hào)的解調(diào)功能，可以處理在VHF（30～300MHz）和UHF（300～3000MHz）頻段傳輸?shù)臄?shù)字廣播電視信號(hào)，各地DVB-T的頻率范圍與傳統(tǒng)模擬電視頻率范圍基本一致。

RTL2832U芯片可以匹配36.167MHz的中頻調(diào)諧器、4.57MHz的低中頻調(diào)諧器，也可以在28.8MHz晶振的配合下零中頻接收。除COFDM信號(hào)之外，還具備模擬無(wú)線電的頻率調(diào)制（FM）、數(shù)字無(wú)線電廣播（(digital audio broadcasting，DAB）等接收功能，集成了高階模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（advanced ADC）。芯片支持全速或半速USB2.0接口，可設(shè)計(jì)成類似優(yōu)盤的USB電視棒設(shè)備、迷你卡（MiniCard）等外形，也可以通過(guò)USB接口連接嵌入式設(shè)備。

雖然RTL2832U芯片是一枚DVB-T數(shù)字電視接收芯片，但前述芯片特點(diǎn)，特別是頻率支持范圍、FM模式、零中頻、ADC、USB接口、數(shù)字電路算法等特征，為本項(xiàng)目試制基于軟件定義無(wú)線電的全頻段接收機(jī)提供了硬件基礎(chǔ)。

4 主要技術(shù)改造與實(shí)現(xiàn)

4.1 采用RTL2832U芯片成品情況

基于RTL2832U芯片電視棒的頻率接收范圍，主要受電視棒中調(diào)諧器芯片的限制，目前市場(chǎng)上與RTL2832U芯片搭配的主要調(diào)諧器種類，如表1所示。

表1 采用RTL2832U芯片電視棒產(chǎn)品

采用E4000調(diào)諧器的為早期產(chǎn)品，靈敏度相對(duì)較差，在當(dāng)前市場(chǎng)上已很少見，該調(diào)諧器的特點(diǎn)是采用零中頻模式（直接變頻至基帶），同時(shí)使用I、Q雙通道輸出調(diào)諧后信號(hào)。采用FC0012調(diào)諧器的產(chǎn)品價(jià)格最為便宜，大約在30～40元左右，但其接收頻率范圍較窄。R820T調(diào)諧器上市較晚，其接收效果相對(duì)出色，是當(dāng)前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，在購(gòu)物網(wǎng)站售價(jià)大約50～60元，R820T調(diào)諧器屬于二次變頻超外差接收結(jié)構(gòu)[2]，工作在4.5 MHz的低中頻模式，僅在I通道輸出信號(hào)。

上述分析表明，RTL2832U+R820T電視棒未使用Q通道，具備改造的硬件電路條件，且價(jià)格也具有一定競(jìng)爭(zhēng)力，因此本項(xiàng)目改造對(duì)象擬選擇該種電視棒成品。

4.2 RTL2832U+R820T芯片電視棒改造技術(shù)路線

該成品電視棒板載了28.8 MHz的晶振，故可開啟RTL2832U芯片的零中頻模式。本項(xiàng)目計(jì)劃將天線傳來(lái)的信號(hào)繞過(guò)R820T調(diào)諧器，從Q通道直接接入RTL2832U芯片，由芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字信號(hào)通過(guò)USB總線傳入x86體系PC機(jī)做后續(xù)處理。這樣既可以實(shí)現(xiàn)全頻接收功能，也能繼續(xù)保留RTL2832U+R820T電視棒的DVB-T功能。

上述方案需要將圖1中由SDR設(shè)備完成的部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理功能交由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，因此上述信號(hào)處理工作可能會(huì)增加處理器負(fù)擔(dān)，對(duì)軟硬件選用提出了要求。

4.3 RTL2832U+R820T芯片電視棒改造實(shí)例

本項(xiàng)目從市場(chǎng)上購(gòu)買的RTL2832U+R820T芯片電視棒內(nèi)部電路板如圖3所示，圖3(a)為改造前電路板，圖3(b)為RTL2832U和R820T芯片附近放大圖，圖3(c)為改造后的走線。

圖3 RTL2832U+R820T芯片電視棒電路版及改造圖

查詢RTL2832U芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，該芯片的第1、2引腳分別為I通道正極和負(fù)極，第4、5引腳分別為Q通道正極和負(fù)極，本次改造涉及的部分引腳如圖4所示。在電路板上以白色“△”符號(hào)標(biāo)出了RTL2832U芯片的1號(hào)引腳，如圖3(b)和圖4所示。

圖4 ?RTL2832U芯片引腳圖（局部）

通過(guò)分析測(cè)試芯片引腳和電路板布線，發(fā)現(xiàn)線路板上預(yù)留了與RTL2832U芯片的Q通道正極相連的通孔焊盤，如圖3(b)上部箭頭所示。圖3(a)中箭頭所示為板載MCX接口天線的內(nèi)接頭觸點(diǎn)，從此處接出飛線，并串接一個(gè)470 pF濾波電容，再將飛線接入電路板上Q通道正極相連的焊盤，可實(shí)現(xiàn)將模擬無(wú)線電信號(hào)引入RTL2832U芯片的Q通道，飛線改造如圖3(c)所示。此種改造可保留電視棒I通道上的DVB-T接收功能。

為提升整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本項(xiàng)目在RTL2832U、R820T芯片、場(chǎng)效應(yīng)管上加裝了散熱片。

4.4 效果測(cè)試

本項(xiàng)目對(duì)改造后RTL2832U+R820T芯片電視棒在windows系統(tǒng)下完成了初步測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中使用SDRSharp（v1.0.0.1337版）軟件，并配合windows版的Zadig（v2.2.689版驅(qū)）驅(qū)動(dòng)，采樣率設(shè)為2.4 MS/s，并設(shè)置為強(qiáng)制從Q通道直接采樣。結(jié)果表明該設(shè)備具備0.15～1766MHz范圍內(nèi)常用業(yè)余、免照、公共廣播頻點(diǎn)的接收功能，可解調(diào)常見AM、WFM、FM、CW、SSB模擬信號(hào)，基本覆蓋了預(yù)定的波段范圍和調(diào)制模式，接收頻譜圖如圖5所示。此外，在特定硬件天線和軟件的配合下，也具備接受航跡信息[3]和氣象傳真信息[4]的功能。

圖5 接收頻譜圖

5 討論與展望

測(cè)試表明，RTL2832U+R820T芯片改造后的接收音質(zhì)與傳統(tǒng)AM制式無(wú)線廣播音質(zhì)相仿，低于調(diào)頻（FM）立體聲廣播音質(zhì)，推測(cè)與芯片的采樣率有關(guān)。RTL2832U芯片有8 bit采樣精度，理論采樣率為3.2 MS/s。本項(xiàng)目測(cè)試表明，只能在少數(shù)采用鈺創(chuàng)（Etron）EJ168/EJ188/EJ198芯片的USB3.0主控上才能實(shí)現(xiàn)上述理論采樣率，而x86體系常見的英特爾（intel）、威盛（VIA）、瑞薩（renesas）等USB2.0或3.0主控芯片上的實(shí)際采樣率只能達(dá)到2.4 MS/s，推測(cè)與USB主控的傳輸算法有關(guān)。如果換用其他24 bit的SDR芯片，雖可提升采樣精度，但會(huì)帶來(lái)成本的大幅提升。

由于本項(xiàng)目的改造是通過(guò)飛線將無(wú)線射頻信號(hào)直通RTL2832U芯片的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，繞過(guò)了SDR接收設(shè)備的模擬信號(hào)處理模塊（參圖1），這導(dǎo)致接收到的信號(hào)存在較強(qiáng)的干擾（參圖5）。因此，擬在接收電路中增加0.1-2000 MHz的低噪聲放大器，成本大約20元，以完善圖1所示的模擬信號(hào)處理模塊的功能。遠(yuǎn)期可以加入相關(guān)濾波電路以降低干擾。

本項(xiàng)目的改造，將位于接受設(shè)備中的部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理功能交由x86處理器完成，理論上增加了PC機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，但實(shí)測(cè)表明此類運(yùn)算不會(huì)大幅增加PC機(jī)負(fù)載，屬于可接受的范圍。

實(shí)驗(yàn)表明，在接收時(shí)是否開啟自動(dòng)增益控制功能，不會(huì)明顯影響接收效果和靈敏度，推測(cè)原因在于RTL2832U芯片模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的采樣精度（8 bit）較小，自動(dòng)增益控制能起作用的動(dòng)態(tài)范圍較小。

本項(xiàng)目的現(xiàn)階段改造實(shí)驗(yàn)是在windows系統(tǒng)下進(jìn)行的，驗(yàn)證了通過(guò)改造RTL2832U+R820T芯片電視棒來(lái)搭建全頻段接收機(jī)的理論思路和技術(shù)路線。下一步的主要研究將轉(zhuǎn)移至linux系統(tǒng)下，一方面可避免windows過(guò)大、不必要的系統(tǒng)開銷，另外也可充分利用現(xiàn)有的各類SDR開源軟件資源[2,5]，便于系統(tǒng)軟硬件集成。亦可進(jìn)一步遷移至基于ARM體系平臺(tái)的linux系統(tǒng)下，進(jìn)一步降低整體硬件體積和成本，提升該全頻段無(wú)線電信號(hào)接收機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目在市售RTL2832U+R820T芯片電視棒基礎(chǔ)上，利用芯片內(nèi)置的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制、I通道和Q通道直接采樣等功能，以飛線的形式將模擬無(wú)線電信號(hào)引入RTL2832U并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，交由x86平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)處理，完成了SDR全頻段接收機(jī)的試制任務(wù)。經(jīng)測(cè)試，該接收機(jī)達(dá)到了項(xiàng)目的預(yù)定目標(biāo)，且具備一定的成本優(yōu)勢(shì)。此外，該全頻接收機(jī)存在進(jìn)一步提升性能、降低成本、擴(kuò)展用途、提高便攜性的優(yōu)化潛力，具有良好的市場(chǎng)前景。