用于AM/FM、ISM頻段、LoRa傳輸以及衛(wèi)星追蹤的RTL-SDR簡介

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

最近，當(dāng)我再次用一些無線模塊和一個Arduino來做實驗時，發(fā)現(xiàn)其中一個無法傳輸任何數(shù)據(jù)。于是我開始思考，怎樣去解決此類問題呢？是代碼出現(xiàn)了問題么？還是模塊本身壞掉了？我需要使用一些便宜的設(shè)備來查看正在傳輸中的內(nèi)容。而RTL-SDR的作用正是如此。

硬件

RTL-SDR USB 加密狗 – 官方商店頁面

一些天線

軟件

Zadig 驅(qū)動安裝工具

SDR# 應(yīng)用程序

或者

SDR 控制臺應(yīng)用程序

您可以從官方商店購買RTL-SDR加密狗，價格為20美元。并且您需要獲取一個可以接收24 MHz至1.766 GHz頻率范圍內(nèi)所有廣播的寬帶無線電掃描儀。該接收范圍涵蓋了所有AM和FM廣播電臺，以及ham radios，被廣泛使用的ISM 433 MHz頻段和868 MHz頻段，甚至包括了正在運行的船舶、飛機和衛(wèi)星所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

什么是軟件無線電？

傳統(tǒng)上來說，無線電接收機僅包含硬件組件，如濾波器、放大器、調(diào)制器和解調(diào)器等等。從最基本的層面來說，所有這些組件的工作方式都是對一個模擬信號執(zhí)行各種數(shù)學(xué)運算操作。但是，隨著計算機處理能力的極大提升，可以將這些操作移至數(shù)字域并使用軟件對信號進行處理。

這種方法具有很大的優(yōu)勢。首先，它大大減少了所需的專用硬件組件的數(shù)量?？梢韵胂?，這將大大降低系統(tǒng)的總體成本。另一個巨大的優(yōu)勢是靈活性。您無需更換一半數(shù)量的組件，而只需要編寫一些新的代碼就可以支持新的無線協(xié)議或調(diào)制。

圖1：一個典型SDR框圖

在理想條件下，軟件無線電（SDR）僅需要三個組件：天線、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器。您可以將天線連接到轉(zhuǎn)換器，將輸出傳送到信號處理器，然后您就可以在計算機上處理數(shù)據(jù)流了。不幸的是，理想條件是無法實現(xiàn)的。主要障礙是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實證明，要設(shè)計一種能夠足夠快速、準確地轉(zhuǎn)換所有信號（甚至是納伏級）的轉(zhuǎn)換器是非常困難的。因此，實際情況中SDR接收器需要使用一些硬件組件，最常使用的是寬頻帶、低噪聲的放大器和帶通濾波器。這些組件會對用于數(shù)字組件的信號進行預(yù)處理。

基本設(shè)置

獲取接收器之后，您將需要一個天線以及放置它的地方。這看起來似乎很簡單，但實際上是最關(guān)鍵的步驟之一。置于室內(nèi)的天線也許可以接收信號較強的FM廣播，但是拾取置于室外的433 MHz發(fā)射臺的信號估計就很困難了（即使距離只有幾英尺遠），而且?guī)缀蹩梢钥隙ǖ氖?，它將無法拾取較弱的信號，例如衛(wèi)星傳輸（稍后討論）。我使用的是置于室外的1m偶極子天線，并使用同軸電纜和USB電纜傳輸信號。

接下來是驅(qū)動程序。當(dāng)您把基于RTL2832的加密狗插入計算機時，它將會安裝默認的驅(qū)動程序。但不幸的是，該驅(qū)動程序無法讓您用作軟件無線電。為了得到可以用作軟件無線電的應(yīng)用程序，您需要使用Zadig—一種可以替換USB設(shè)備驅(qū)動程序的工具。點擊此處下載exe文件并運行。接下來，將您的RTL加密狗插入一個USB端口。在Zadig工具中，選擇菜單[1] 中的“選項（Options）”，然后點擊“列出所有設(shè)備（List All Devices）”?，F(xiàn)在，您就能選擇任何USB設(shè)備了，包括在列表中顯示為“內(nèi)置，接口（接口0）（Bulk-In, Interface (Interface 0)）”的RTL加密狗[2]。

圖2：Zadig驅(qū)動程序工具

重要說明：在更換驅(qū)動程序之前，請仔細檢查您是否選擇了正確的設(shè)備！例如，您可以檢查“驅(qū)動程序”中列出的當(dāng)前安裝的驅(qū)動程序，其中應(yīng)包含字符串“RTL2832U”[3]。如果您更換成了錯誤的設(shè)備，則很有可能會停止工作，想要將其恢復(fù)會很困難且很耗時！

確保在第二個文本框[4] 中選擇了WinUSB驅(qū)動程序，然后點擊“更換驅(qū)動程序（Replace Driver）”按鈕[5]?，F(xiàn)在，系統(tǒng)會彈出幾次提示，您只需要確認表示信任該驅(qū)動程序即可。稍后，您將會收到一條消息，顯示“驅(qū)動程序已成功更換（Driver replaced successfully）”，這意味著最艱難的工作已經(jīng)完成，現(xiàn)在我們可以使用RTL加密狗作為接收器了！

最后還缺少軟件。我們有很多種選擇，有各種支持不同類型接收器的程序，但因為本項目中僅使用了基于RTL2832芯片的加密狗，所以在這里我將只介紹支持該接收器的軟件。

第一個您可以用來控制接收器的軟件是SDR#。這也許是最廣泛使用的通用SDR了。它可以在Windows上運行，并且是完全免費的。該軟件的使用方法相對簡單，即使是初學(xué)者也易于上手。SDR#的最大優(yōu)點是可以添加大量的插件。

圖3：SDR#

在上圖中，您可以看到其環(huán)境的外觀。左側(cè)是控制面板，頂部是頻譜，底部是音頻頻譜，屏幕中間是瀑布圖。瀑布圖是對頻譜的實時記錄。如果您看到了一個有趣的信號，但是在想要調(diào)諧的時候已經(jīng)消失了，該信號還會顯示在瀑布圖中，您可以在信號回放的時候嘗試收聽該頻率的信號。您也可以使用瀑布圖來計算信號傳輸?shù)臅r間，以及觀察頻率在傳輸過程中是否發(fā)生了變化。

在所有插件的輔助下，SDR#的使用非常簡單并且可以進行很多自定義設(shè)置。我個人更喜歡SDR控制臺。與SDR#一樣，它非常易于使用，但是相比之下SDR提供了一些其他高級功能，例如衛(wèi)星追蹤，并且提供了更多的解調(diào)模式以及許多可用于音頻記錄、噪聲過濾和頻率管理的附加工具。該應(yīng)用程序還具有一個額外的優(yōu)點，就是外觀看起來更美觀精致。SDR控制臺應(yīng)用程序是可以免費下載的，但是如果您很喜歡該應(yīng)用程序也可以提供一些資助。

圖4：SDR控制臺

因為我真的很喜歡SDR控制臺應(yīng)用程序，所以在本教程剩余部分的示例中我都將使用該應(yīng)用程序。當(dāng)然，您也可以使用任何其他自己喜歡的SDR軟件，絕大多數(shù)SDR軟件的外觀和使用方法都是相似的。如果想要查詢其他SDR軟件（Windows、Linux、 Mac、Android或一些基于網(wǎng)頁的工具），您可以訪問https://www.rtl-sdr.com/big-list-rtl-sdr-supported-software/。

示例1：FM廣播

讓我們從一個簡單的示例開始：FM廣播。首先，您必須選擇正確的模式。在本項目中，我們需要用FM（頻率調(diào)制）模式或BFM（廣播頻率調(diào)制）模式。BFM模式可以提供更好的音頻質(zhì)量以及RDS文本（無線電數(shù)據(jù)系統(tǒng)）– 電臺可以選擇性傳輸?shù)奈谋?a target="_blank">信息。通常，該文本信息是電臺名稱或者有時候是當(dāng)前正在播放的歌曲的名稱。

現(xiàn)在，只需要找到您喜歡的FM電臺的頻率，然后將其輸入SDR控制臺即可！如果您沒有喜歡的FM電臺（這在互聯(lián)網(wǎng)時代是可以理解的），在FM廣播頻段（87.5 至108 MHz）中搜索凸起的波峰即可。這些波峰就是FM廣播電臺，所以只需要調(diào)頻至該電臺然后收聽就可以了！

圖5：FM廣播

示例2：433 MHz ISM頻段

我最初購買RTL-SDR加密狗是為了監(jiān)視ISM 433 MHz頻段中的通信。ISM（工業(yè)—科學(xué)—醫(yī)學(xué)）屬于無許可證頻段。這意味著任何人都可以在該頻段中進行傳輸。當(dāng)然，某些法律限制可能仍然適用，這要取決于您所居住的地區(qū)。433 MHz通常用于各種無線設(shè)備：車庫門控制器、遠程門鈴、溫度計，基本上所有需要在數(shù)百米范圍內(nèi)傳輸簡單無線數(shù)據(jù)的設(shè)備都可以使用。

圖6：433 MHz ISM頻段

在上圖中，您可以看到433 MHz頻段的示例。如您所見，不同頻率的信號之間會產(chǎn)生很多干擾。大多數(shù)信號都在不到幾秒鐘的時間內(nèi)發(fā)送，并且在兩次發(fā)送之間有長達幾分鐘的延遲?？赡苁且驗檫@些設(shè)備中大部分都是用電池供電，所以會通過這種方式節(jié)約一些能耗。

示例3：LoRa廣播

現(xiàn)在我們來嘗試一些有趣的事情：LoRa傳輸！正如我在Arduino遠程通信教程 — LoRenz Shield中提到的那樣，LoRa是線性調(diào)頻擴頻（CSS）調(diào)制。這意味著信號的頻率會隨時間發(fā)生變化。LoRa調(diào)制用于無線、低功率的廣域網(wǎng)（LPWA），如LoRaWAN。在此我們一定要對其作出區(qū)分：LoRa是一種調(diào)制方式，而LoRaWAN是一種使用LoRa調(diào)制方式作為ISO-OSI模型中的物理層的協(xié)議。本示例僅涉及LoRa調(diào)制的屬性，而不會介紹LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)內(nèi)容。

LoRa調(diào)制本身是專有的，這意味著除非我們使用Semtech（創(chuàng)建LoRa調(diào)制模式的公司）制造的接收器，否則將無法將傳輸信息解碼為二進制數(shù)據(jù)。但是，我們可以觀察到LoRa模塊的不同設(shè)置是如何影響傳輸?shù)摹ＴO(shè)置內(nèi)容包括帶寬、擴展因子以及編碼率。

帶寬很容易理解，表示的是傳輸?shù)念l率范圍。更高的帶寬意味著更高的數(shù)據(jù)速率，但同時也縮小了傳輸距離并且增加了功耗—這是LoRa系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵因素，因為調(diào)制本身被設(shè)計為使用盡可能少的功耗并在盡可能長的距離內(nèi)進行傳輸。Semtech LoRa模塊支持的最高帶寬為500 kHz，最低為7.80 kHz。

擴展因子的設(shè)置有點復(fù)雜，因為它與LoRa作為線性擴頻調(diào)制的性質(zhì)有關(guān)。它表示的是每個傳輸符號編碼位數(shù)的度量，范圍是6到12。越高的擴頻因子意味著在較大距離范圍內(nèi)具有更低的數(shù)據(jù)速率。您可以將符號想象為一個比比特更高級的信息單位。舉一個簡單的例子，設(shè)想一下通過以前的模擬電話線來進行數(shù)據(jù)傳輸。這時候傳輸?shù)氖锹曇舳皇菙?shù)字位。但是，如果將1表示為一種音調(diào)，將0表示為另一種音調(diào)，那么就可以在一個模擬媒介上傳輸數(shù)字信息了。您現(xiàn)在是使用帶有兩種符號的字符，最酷的是：為什么只停留在這兩個符號上呢？您可以將位組合為更長的序列，并用符號來表示這些序列。因此，如果您想要對4位序列進行編碼，就需要將您的字符擴展為16個符號并使用16個音調(diào)。

編碼率表示對數(shù)據(jù)包的前向糾錯量。此參數(shù)會更改信息的總長度，因此可以理解的是，相比于較高的編碼率（4/8），較低的編碼率（4/5）下的數(shù)據(jù)速率略高。

接下來的兩張圖片比較了LoRa傳輸?shù)膬煞N極端情況。第一個設(shè)置為最高的數(shù)據(jù)速率，也就是帶寬為500 kHz，擴展因子為6以及編碼率值為4/5。如您所見，該數(shù)據(jù)包（28字節(jié)長）的傳輸速率非常高，但是幾乎在一瞬間，傳輸完全阻塞在了433 MHz ISM頻段的很大一部分中。另外，即使在空曠的地方，傳輸距離可能也不會很大。

圖7：最高速率的LoRa設(shè)置。瀑布圖中用紅色標記的LoRa傳輸。

另一個是在最低數(shù)據(jù)速率下傳輸相同的28字節(jié)數(shù)據(jù)。請注意，瀑布圖僅顯示了4秒鐘的數(shù)據(jù)傳輸。整個過程大概需要30秒，所以您的數(shù)據(jù)速率大約為每秒不到一個字節(jié)。相比之下，之前的傳輸只花了不到1秒鐘！但是，使用該設(shè)置，我們僅占據(jù)了ISM頻段的一小部分，并且傳輸距離得到了極大的改善。

圖8：使傳輸速率最低的LoRa設(shè)置

SDR控制臺使用SAM（同步振幅調(diào)制）對該LoRa傳輸進行解調(diào)后產(chǎn)生的聲音也非常有趣！

示例4：衛(wèi)星追蹤

現(xiàn)在到了最精彩的壓軸部分了：接收來自目前在地球軌道上運行的衛(wèi)星所發(fā)射的信號！這將比之前的示例都棘手一些，主要是因為與FM廣播電臺或LoRa發(fā)射器不同，衛(wèi)星往往會移動更大的距離。幸運的是，SDR控制臺有一個很棒的工具，可以讓您輕松地對衛(wèi)星進行追蹤。首先在SDR控制臺菜單功能區(qū)中選擇“查看（View）”選項，然后在最后一部分地“更多選項…（More Options…）”中按下“衛(wèi)星（Satellites）”按鈕。這時候會打開另一個窗口，即衛(wèi)星追蹤器。

圖9：SDR控制臺衛(wèi)星追蹤器

要使用追蹤器，您要做的第一件事是輸入緯度和經(jīng)度，以便應(yīng)用程序可以確定可見的衛(wèi)星進行以及其相對于您所處的位置。在頂部功能區(qū)的“主頁（Home）”選項卡中，單擊第二個按鈕“主頁緯度/經(jīng)度（Home Lat/Lon）”。在彈出的窗口中，輸入您當(dāng)前的經(jīng)緯度以及WGS84橢球高度。最后一個參數(shù)用于補償多普勒效應(yīng)，您用谷歌搜索一下，就會找到一些可以通過經(jīng)緯度來獲取WGS84高度的工具。獲得所有信息后，您就可以搜索出一些衛(wèi)星了！在“軌跡追蹤統(tǒng)計（Pass Schedule）”窗口中，按下“衛(wèi)星列表（Satellite List）”按鈕以顯示在接下來的幾小時內(nèi)從您的位置可見的所有衛(wèi)星。有很多可以對這些衛(wèi)星進行過濾的選項（例如，您可以排除仰角小于特定角度的所有衛(wèi)星）。

雙擊所要追蹤的衛(wèi)星[1]。現(xiàn)在，主窗口中顯示有該衛(wèi)星的當(dāng)前位置[2]，名稱[3]和軌跡，以及直到AOS（信號獲取）[4]為止的時間。同時還有衛(wèi)星的當(dāng)前方位角[5]以及其相對于您所處位置的仰角[6]。該信息可以告訴您應(yīng)該將天線指向天空中的哪個位置，以使您有最大的機會接收到該衛(wèi)星可能正在發(fā)射的信號。在“軌跡（Passes）”窗口中還有一個簡潔的小功能，可以在衛(wèi)星處于從自己的位置可見時，讓您查看預(yù)期的衛(wèi)星軌跡。為了實現(xiàn)該功能，請從列表中選擇一顆衛(wèi)星，然后將滑塊[7]移動到地圖下方。該窗口將會在滑塊在您身邊經(jīng)過時顯示衛(wèi)星軌跡，您可以由此了解方位角是如何隨時間變化的，以及您是否有可能接收到廣播。衛(wèi)星到達您的位置后，點擊其中一個接收器按鈕[8]，主SDR控制臺應(yīng)用程序?qū)⑹褂盟ㄗh的設(shè)置自動調(diào)諧到該頻率。

為了追蹤衛(wèi)星，您要做的最后一件事是將天線放在一個與天空接觸良好的地方。房頂就是一個很好的選擇，不過這樣一來您可能無法一直將信號傳回PC。我的天線放置在三樓的露臺上，所以與天空接觸良好，但是如果我使用的是有源USB電纜，我應(yīng)該會將天線移到屋頂上并將RTL-SDR加密狗一起放在那里。這樣，模擬信號傳輸?shù)穆窂骄投痰枚嗔恕?/p>

圖10：我的偶極子天線！

是時候聽一聽衛(wèi)星上的廣播了！由于我的天線大致面向西南方，因此它可以拾取方位角為120°至320°的衛(wèi)星。而仰角的確認會產(chǎn)生一些問題，如上圖所示，我住在山谷中，因此對于在大約15度或更高仰角位置的衛(wèi)星，我的接收效果最佳。我也可以接收來自其他方向的衛(wèi)星發(fā)出的信號，但它們的信號較弱。

現(xiàn)在，我們需要選擇要接收信息的衛(wèi)星。最好的首選是NOAA衛(wèi)星。這些衛(wèi)星由美國商務(wù)部下屬的國家海洋與大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration）運營。就像該機構(gòu)的名稱所顯示的那樣，它們被用于天氣預(yù)報和氣候監(jiān)測。在137.1 MHz頻率下，它們還可以傳輸?shù)头直媛实膱D像，而轉(zhuǎn)換成聲音后，您可以聽到典型的嗶嗶聲。我追蹤的衛(wèi)星是2009年發(fā)射的NOAA19。這顆衛(wèi)星處于近極軌道，也就是說它在地球上方的軌跡靠近兩極。每個運行周期為100分鐘。軌道也相對較低，在地面上方約850公里處。

圖11：NOAA 19衛(wèi)星經(jīng)過俄羅斯時的信號。信號很弱，但是仍然可以聽到嗶嗶聲。

第一次NOAA 19軌跡離我足夠近的時候，它剛好經(jīng)過俄羅斯上空，而俄羅斯距離我的位置有點太遠了。大約兩小時后，衛(wèi)星距離我更近了。當(dāng)衛(wèi)星進入接收范圍內(nèi)時，它處于北非上方，正在經(jīng)過利比亞和地中海。然后，它經(jīng)過了意大利，最后越過了德國，其中德國是離我最近的。那時，它的仰角大約為60°，方位角為240°，這種情況下已經(jīng)是接收信號的理想位置了。您可以通過這里的視頻查看以及聽取在衛(wèi)星整個15分鐘的運行過程中所記錄的信號。信號最好的時候是在6:00 – 6:30左右，您可以清楚地聽到嗶嗶聲和滴答聲。NOAA 19之后繼續(xù)越過北海上空，然后達到北極。

圖12：2小時后，當(dāng)NOAA 19經(jīng)過德國時所發(fā)處的信號。信號比上一次經(jīng)過時要好得多。

結(jié)論

至此，我們完成了對RTL-SDR的簡要概述。如您所見，即使使用最基本的設(shè)置，它也可以出色地完成一些任務(wù)。當(dāng)然，還有一些需要改進的地方。例如，我們可以為不同的調(diào)制方式和頻率來創(chuàng)建天線，以獲取盡可能高的信號增益，并自動排除我們不感興趣的頻率。使用軟件的軟件無線電部分，可以輕松地對整個系統(tǒng)進行更改，來完成各種任務(wù)，從“簡單”的工作（例如持續(xù)接收模擬TV信號）到觀測距離數(shù)千光年之外的脈沖星！

Jan Gromes

Jan目前在布爾諾理工大學(xué)學(xué)習(xí)電氣工程。他擁有多年使用Arduino和其他微控制器構(gòu)建項目的經(jīng)驗，對機器人系統(tǒng)的機械設(shè)計十分感興趣。

審核編輯：湯梓紅