Jak nastavit softwarově definované rádio od nuly

sestavit si vlastní Softwarově definované rádio (SDR) Dnes je to mnohem dostupnější, než se zdá: s jednoduchým hardwarovým klíčem USBS dobrou anténou a nějakým softwarem se můžete z nuly dostat k poslechu letadel, meteorologických satelitů nebo rozhlasových stanic z celého světa z počítače nebo dokonce Raspberry Pi. Pokud si také rádi hrajete s Linuxem, DSP nebo RF, SDR je perfektní obor, kterému se můžete věnovat celé hodiny.

V následujících řádcích uvidíme krok za krokem, jak sestavit SDR Pomocí RTL-SDR dongle se budeme zabývat hardwarovými komponentami, výběrem antén, instalací softwaru (například GQRX nebo OpenWebRX) a dokonce i zpracováním a demodulací I/Q signálu pomocí pokročilejších nástrojů, jako jsou Linrad, SDRadio nebo baudline. To vše je ilustrováno praktickými příklady. příkazy skutečné a několik nápadů, jak se ponořit hlouběji, pokud chcete jít nad rámec typického „poslechu FM“.

Co je softwarově definované rádio a jakou roli hraje RTL-SDR?

Přijímač Softwarově definované rádio Mění tradiční přístup k rádiu: místo toho, aby téměř veškerou práci vykonával analogový hardware, se RF signál co nejrychleji převádí na digitální data a software se stará o filtrování, demodulaci a prezentaci informací. Srdcem vynálezu je v levných hardwarových adaptérech obvykle převodní čip a tuner, které pokrývají obrovský rozsah frekvencí.

Když mluvíme o a RTL-SDR (Například moderní verze jako v4) označuje velmi levný USB dongle, který byl původně navržen jako digitální televizní přijímač a díky čipu RTL2832U jej lze znovu použít jako univerzální SDR přijímač. Tato zařízení mohou přijímat signály od nízkofrekvenčních HF signálů až po VHF a UHF pásma, kde se nachází komerční FM rádio, letecký ADS-B, digitální pozemní televize (DTT), servisní komunikace a mnoho dalšího.

V praxi vám typický RTL-SDR dongle umožňuje přístup k frekvencím od cca 500 kHz až přibližně 1,7 GHzTo otevírá dveře k poslechu amatérských radiooperátorů na pásmech 40-80 m, krátkovlnných přenosů, FM rádia, přenosů meteorologických družic, leteckého provozu, servisního rádia atd. To vše samozřejmě závisí také na anténě a přijímacím prostředí.

Interně se RTL-SDR spoléhá na několik klíčových komponent: Čip RTL2832U, zodpovědný za zachycení I/Q signálu a jeho odeslání do počítače, a tuner, jako je R828Dkterý je zodpovědný za pokrytí frekvenčního rozsahu. To je obvykle doplněno vysoce stabilním oscilátorem (TCXO) a u mnoha modelů i dalšími funkcemi, jako je Bias-T pro napájení aktivních antén.

Vnitřní součásti a důležité vlastnosti RTL-SDR

Pokud chcete jít trochu dál než jen „plug and play“, vytěžit z toho víc Pochopení obsahu hardwarového klíče vám pomůže optimalizovat příjem, zmírnění šumu a kompatibilitu s pokročilým softwarem.

Jádrem toho všeho je RTL2832Učip, který funguje jako digitální demodulátorJeho funkcí je přijímat RF signál z tuneru, vzorkovat ho a vytvářet komplexní I/Q signál, který dokáže interpretovat software počítače. Tento čip nám umožňuje používat zařízení s velkým počtem SDR programů v Linuxu. Windows nebo dokonce na Raspberry Pi.

V sekci radiofrekvencí máme Ladička R828D (nebo podobný model v závislosti na hardwarovém klíči), který zajišťuje frekvenční pokrytí. Tato komponenta nám umožňuje pohybovat se od nízkých frekvencí až do rozsahu GHz, přičemž vybírá malé „kousky“ spektra, které jsou následně digitalizovány.

Dalším klíčovým bodem je přítomnost TCXO (teplotně kompenzovaný krystalový oscilátor)Teplotně kompenzovaný oscilátor zajišťuje vynikající frekvenční stabilitu. Díky tomu naladěná frekvence při zahřátí adaptéru tolik nekolísá, což je obzvláště důležité při jemném ladění VF, dekódování úzkých signálů nebo udržování synchronizace se satelitními signály.

Mnoho moderních RTL-SDR také zahrnuje Integrovaný Bias-TTo znamená schopnost přivádět stejnosměrný proud stejným koaxiálním kabelem, kterým je přenášen RF signál. To umožňuje napájení LNA (nízkošumový zesilovač) nebo aktivní antény přímo z hardwarového adaptéru bez nutnosti použití dalších napájecích zdrojů, což je velmi užitečné, pokud chcete anténu umístit daleko a potřebujete kompenzovat ztráty v kabelu.

Jedním důležitým detailem je, že tyto modely obvykle nabízejí Přímé pokrytí na KV (pod 24 MHz), což mnoho levných adaptérů nenabízí. Možnost naladit se na KV vám dává přístup ke světu amatérské radiokomunikace, mezinárodního krátkovlnného vysílání, vzdálených AM stanic a specializovaných signálů, které v typickém komerčním pásmu FM nenajdete.

Důležitost antény v SDR nastavení

Ať už je váš SDR dongle jakkoli velkolepý, anténa Záleží na tom. Špatná nebo špatně umístěná anténa vám umožní slyšet pouze šum a několik silných stanic; anténa vhodná pro pásmo zájmu může změnit uživatelský zážitek a umožní vám „vidět“ vzdálené a slabé signály, které byly dříve nepostřehnutelné.

Mnoho sad RTL-SDR se prodává s několika malými teleskopické antényMinistativ a někdy i přísavka k připevnění k oknu. Tyto antény jsou vhodné pro začátečníky: jsou vhodné pro testování hardwaru, poslech silného FM rádia nebo pro rychlé experimenty. Pokud si ale chcete „hrát doopravdy“, budete potřebovat specializovanější antény.

Pro pokrytí velmi širokého rozsahu frekvencí VHF/UHF je velmi oblíbenou volbou anténa diskonTento typ antény je téměř všesměrový a širokopásmový, takže umožňuje monitorovat vše od VHF služeb až po UHF signály, aniž byste museli neustále měnit antény, což je velmi výhodné při prozkoumávání spektra.

Pokud je vaším cílem využít schopnosti RTL-SDR přijímat HF (krátké vlny), One dipólová anténa Správně dimenzovaný pro pásmo, o které máte zájem (například 40 nebo 80 metrů), může mít obrovský význam. I jednoduchý dlouhý drát, správně nainstalovaný, může přinést pozoruhodné výsledky, pokud jsou podmínky šíření příznivé.

Pro hraní s meteorologickými nebo komunikačními satelity, anténami jako QFH (kvadrifilární helix) o la turniket Jsou široce používány; jejich konstrukce usnadňuje příjem signálů ze satelitů na nízké oběžné dráze Země, které se rychle pohybují po horizontu. A pokud máte chuť sledovat letadla, anténa kolineární pro 1090 MHz Je optimalizován pro ADS-B a stává se perfektním doplňkem k RTL-SDR.

Praktické první kroky v Linuxu: poslech FM rádia s GQRX

Velmi jednoduchý způsob, jak zaběhnout SDR, je použít ho pro Poslouchejte komerční FM rádio Na systému Linux, jako je Debian, Ubuntu nebo jakýkoli jeho derivát, budete moci během několika minut ověřit, zda hardwarový klíč funguje a zda je software správně nainstalován.

Prvním krokem je instalace základních nástrojů: balíčku rtl-sdr, který obsahuje konzolové utility jako rtl_test a program s grafickým rozhraním jako GQRXkterý funguje jako SDR přijímač. Dále je praktické instalovat Sox, nástroj příkazového řádku pro práci se zvukem a provádění dalších testů se soubory WAV a zvukovými zařízeními.

sudo apt update
sudo apt install rtl-sdr gqrx-sdr sox

V mnoha systémech se linuxové jádro pokouší automaticky načíst ovladače digitální televize pro hardwarový klíč, což brání rtl-sdr v jeho použití jako SDR přijímače. Aby se tomu zabránilo, je odpovídající modul obvykle přidán na blacklist systému modprobe, například takto:

sudo bash -c 'echo "blacklist dvb_usb_rtl28xxu" > /etc/modprobe.d/blacklist-rtl.conf'

Po provedení této změny se důrazně doporučuje restartujte systém aby jádro přestalo automaticky načítat daný modul. Po restartu je dobré zkontrolovat, zda vše funguje a zda hardwarový klíč správně reaguje na utility rtl-sdr.

rtl_test -t

Pokud vše proběhne dobře, příkaz zobrazí informace o hardwarovém klíči a potvrdí, že jej systém rozpoznal. RTL2832U a že k němu lze přistupovat bez konfliktu s ovladačem televizoru. Po ověření tohoto stavu můžeme přejít k grafickému použití přes GQRX a zahájit skutečný příjem.

na iniciátor Jednoduše spusťte GQRX:

gqrx

Při prvním spuštění se zobrazí dialogové okno pro konfiguraci GQRX. technické vybavení kde si můžete vybrat zařízení RTL-SDR z dostupného seznamu. Je důležité zkopírovat nebo upravit parametry zesílení, mezifrekvence a vzorkovací frekvence tak, aby odpovídaly vašemu hardwarovému klíči a zařízení, i když výchozí hodnoty obvykle pro začátek fungují poměrně dobře.

Poslouchat FM rádioV sekci režimů vyberte WFM (širokopásmový FM)Toto je standard používaný komerčním FM rádiem mezi 87,5 MHz a 108 MHz. Do pole frekvence zadejte stanici, kterou chcete poslouchat, v kHz bez desetinné čárky: například pro 93,1 MHz byste měli zadat 93100. Pokud je vše správně nakonfigurováno, měli byste stanici slyšet z reproduktorů systému během několika sekund.

Základy FM: WFM a NFM

Při práci s SDR a režimy příjmu je užitečné si přesně pamatovat, co FM (frekvenční modulace)V rádiové vlně existují dva základní parametry, které lze měnit za účelem přenosu informace: amplituda a frekvence nosné vlny. V případě AM se amplituda mění; v FM se mírně mění okamžitá frekvence.

V FM je obsah (hlas, hudba nebo data) kódován jako malé odchylky kolem střední frekvenceTento typ modulace má několik výhod: signál je méně citlivý na šum, který mění amplitudu, a umožňuje vyšší kvalitu zvuku díky dostupné šířce pásma, zejména v komerčním FM, kde se pro stereofonní přenos a dobrou věrnost zvuku používá šířka pásma kolem 200 kHz.

V rámci rodiny FM, v prostředí SDR, se často setkáte s odkazy na dvě hlavní varianty: WFM (širokopásmový FM) y NFM (úzkopásmový FM)WFM, jak název napovídá, je širokopásmový FM signál používaný komerčními rozhlasovými stanicemi v rozsahu 88-108 MHz, navržený pro maximální kvalitu zvuku za cenu spotřeby většího množství spektra.

La NFM Používá se v systémech, kde má spektrální účinnost přednost před věrností, jako je například mnoho servisních komunikací, amatérské rádiové spoje, radiotelefony a zařízení notebookyPoužitím menší šířky pásma lze do stejného segmentu spektra umístit více kanálů, i když kvalita zvuku je nižší než u WFM.

V praxi, pokud chcete poslouchat komerční FM rádio s RTL-SDR a GQRX, je správný režim WFMzatímco pro ostatní služby nebo amatérská rádiová pásma v pásmech VHF/UHF bude běžnější používat NFM, úpravou šířky pásma a filtrů podle monitorovaného signálu.

Testování SDR bez vlastního hardwaru: vzdálené servery a webové stránky SDR

Pokud jste si ještě nezakoupili RTL-SDR, ale chcete experimentovat s konceptem Softwarově definované rádioExistuje několik online a vzdálených možností, které vám umožňují procvičovat si cvičení z prohlížeče nebo pomocí specifických klientů. To je velmi užitečné pro pochopení pracovního postupu před investicí do hardwaru.

Jedna z nejznámějších platforem je propojena s ekosystémem Airspy: existuje sdílený adresář příjemců Na internetu uživatelé z celého světa zpřístupňují svá SDR zařízení, aby se k nim ostatní mohli připojit vzdáleně. Z tohoto seznamu si můžete vybrat přijímač v konkrétní zemi a v reálném čase poslouchat, co se tam vysílá.

Abyste z těchto vzdálených přijímačů vytěžili maximum, existuje software s názvem SpyServerkterý vám umožňuje nastavit server streaming SDR na počítači s připojeným hardwarovým klíčem. K dispozici jsou podrobné návody, které vysvětlují, jak nakonfigurovat server ve Windows nebo Linuxu a jak se připojit z klientů Windows pro vzdálené prozkoumávání spektra.

Další velmi oblíbenou alternativou je KiwiSDRJe to platforma, kde různé SDR stanice sdílejí přístup prostřednictvím přímého webového rozhraní. Z prohlížeče si můžete vybrat přijímač, zobrazit spektrogram, naladit HF pásma a poslouchat krátkovlnné rádia z celého světa jen několika kliknutími, aniž byste museli cokoli instalovat lokálně.

Za zmínku také stojí OpenWebRX, což je projekt svobodného softwaru, který umožňuje přístup k SDR přijímači prostřednictvím interaktivního webového rozhraní. Původně jej vytvořil András Retzler a později jej převzal a rozšířil Jakob Ketterl, což vedlo k velmi všestrannému nástroji s poměrně aktivní komunitou přispěvatelů.

Instalace a konfigurace OpenWebRX na Raspberry Pi

Pokud máte Raspberry Pi S kompatibilním SDR donglem si můžete nastavit vlastní webově přístupný přijímač pomocí OpenWebRX. Nejjednodušší způsob, jak to udělat v prostředí založeném na Debianu, je pro zjednodušení instalace použít oficiální repozitáře spravované projektem, namísto kompilace od nuly.

Typický proces začíná přidáním Klíč GPG a repozitář do systému. Na Raspberry Pi s verzí podobnou Debian Busteru by se to dělalo takto:

sudo bash -c 'wget -O - https://repo.openwebrx.de/debian/key.gpg.txt | apt-key add -'
sudo bash -c 'echo "deb https://repo.openwebrx.de/debian/ buster main" > /etc/apt/sources.list.d/openwebrx.list'
sudo apt update

Jakmile jsou repozitáře přidány, probíhá samotná instalace softwaru OpenWebRX Scvrkává se to na jediný příkaz:

sudo apt install openwebrx

Během tohoto procesu vás instalační program požádá o nastavení heslo správceToto je heslo, které později použijete pro přístup k webovému konfiguračnímu panelu. Je důležité si ho zapamatovat, protože bez něj nebudete moci upravovat profily stanic ani pásem.

Po dokončení instalace můžete nyní přistupovat k webovému rozhraní OpenWebRX z jiného počítače ve vaší síti. Jednoduše zadejte do webového prohlížeče IP adresu Raspberry Pi a číslo portu. 8073, tím pádem:

http://[IP_RASPBERRY]:8073/

Pokud máte připojeno pouze jedno kompatibilní zařízení SDR, OpenWebRX nemusí fungovat. automaticky detekovat a začne fungovat téměř bez jakéhokoli vstupu. Ale v instalacích s několika hardwarovými klíči nebo specializovanějšími zařízeními se obvykle zobrazí chybová zpráva s varováním, že je před běžným použitím nutné nakonfigurovat profily zařízení a pásma.

V pravém horním rohu rozhraní uvidíte tlačítko "Nastavení"což vás přesměruje na obrazovku nastavení. Po klepnutí se zobrazí výzva k zadání uživatelského jména a hesla: uživatelské jméno je „Správce“ Heslo je to, které jste si zvolili během instalace. Po přihlášení se dostanete k hlavnímu panelu nastavení s několika sekcemi.

První doporučený blok je „Obecná nastavení“kde můžete zadat obecné informace o vaší stanici: zeměpisnou polohu, volací znak amatérského radioamatéra, pokud ho máte, název nebo popis stanice atd. Po vyplnění těchto polí klikněte na „Použít a uložit“ uložte změny v konfiguraci OpenWebRX.

Dalším krokem je definovat a upravit Zařízení SDR který bude používat OpenWebRX. V hlavním panelu najdete možnost „Zařízení a profily SDR“Po zadání se zobrazí seznam detekovaných nebo předkonfigurovaných zařízení. Pokud se zobrazí to vaše, jednoduše na něj klikněte a upravte jeho parametry. Pokud ne, můžete vytvořit novou položku pomocí „Přidat nové zařízení“za předpokladu, že hardware je podporován softwarem (seznam kompatibilních zařízení je k dispozici na oficiálních stránkách projektu).

V nastavení každého zařízení můžete přidat různé úpravy, například typ hardwaruVzorkovací frekvence, frekvenční rozsah, zesílení, korekce ppm atd. Obvyklý způsob práce je vybrat parametr, který chcete upravit, kliknout na "Přidat" a poté zadejte příslušnou hodnotu pro váš hardwarový klíč a jeho zamýšlené použití.

Jakmile dokončíte úpravu obecných nastavení, zařízení a pásem, doporučuje se Znovu načíst nastavení restartování služby z terminál z Raspberry Pi. Standardní příkaz pro toto je:

sudo systemctl restart openwebrx.service

Po restartu služby znovu načtěte stránku v prohlížeči a pokud je vše správně nakonfigurováno, měli byste být schopni naladit definovaná pásma a zobrazit spektrum v reálném čase z jakéhokoli počítače v síti, nebo dokonce z internetu, pokud se rozhodnete port otevřít a odhalit svou stanici vnějšku.

Demodulace podrobně: od I/Q signálu k audio pomocí Linrad, SDRadio a baudline

Kromě pouhého „stisknutí tlačítka přehrávání“ v GQRX nebo OpenWebRX je velmi zajímavou součástí SDR pochopení toho, jak funguje. demoduluje signál digitalizováno. V amatérském prostředí programy jako například Linrad, SDRádio y Baudline experimentovat se soubory WAV nahranými z rádia, analyzovat spektra a získávat demodulovaný zvuk s velkou flexibilitou.

Představte si, že jste nahráli zvukový soubor pomocí nástroje jako baudline nebo podobného a výsledek uložili do zvukového souboru. rádiový-downconverter-28000-sps-162-khz.wavTento soubor by obsahoval signál, který již prošel downconverter a vzorkováno do 28 000 SPS, například ve frekvenčním rozsahu od přibližně 154 kHz do 168 kHz, po dobu několika minut. Tento soubor je vaším surovým materiálem pro provádění testů zpožděné demodulace.

V určitém okamžiku vám někdo mohl poskytnout tento komprimovaný soubor jako .wav.gzV některých starších prohlížečích (například v některých verzích Internet Exploreru) se vyskytoval problém: při stahování souboru jej nesprávně ukládaly s příponou „.wav.wav“, takže bylo nutné přejmenovat ručně tak, aby končil na „.wav.gz“, a poté jej dekomprimujte pomocí libovolného nástroje kompatibilního se ZIP nebo GZIP.

Pro práci s tímto typem zachycení můžete použít SDRádioSDRadio je program pro Windows původně navržený pro použití zvukové karty jako front-endu pro SDR. V tomto přístupu se soubor WAV přehrává z počítače se systémem Linux a zvuk se odesílá do zvukové karty, která následně přivádí zvuk na linkový vstup počítače se systémem Windows a programem SDRadio, který provádí demodulaci.

sox -t .wav radio-downconverter-28000-sps-162-khz.wav -t ossdsp /dev/dsp3

V této situaci, /dev/dsp3 To by mohla být zvuková karta počítače se systémem Linux (například Sound Blaster). Odtud se kabelem propojí linkový výstup s linkovým vstupem počítače se systémem Windows. Jakmile je v mixážním pultu ve Windows vybrán správný zdroj zvuku, jednoduše spusťte SDRadio a stiskněte RX, zvolte režim demodulace (AM, SSB USB/LSB atd.), vycentrujte frekvenci a upravte šířku pásma.

Jedním zajímavým detailem o SDRadio je, že používá zdroj... Komplexní signál I/QTím se levý kanál stereo vstupu přiřadí složce I a pravý kanál složce Q. Původní soubor WAV však může být monofonní signál; při přehrávání pomocí sox se do obou kanálů odesílá stejný obsah a stále je možné jasně slyšet stanici AM. To vede k zajímavým situacím, jako je například možnost přijímat signál nejen v režimu AM, ale také s přijatelnými výsledky v režimech SSB (USB a LSB), v závislosti na tom, jak je downkonverze.

Pokud se chcete vyhnout části s Windows a používat pouze Linux, Linrad Je to velmi výkonný nástroj SDR zaměřený na slabé signály a CW, ačkoli podporuje i AM, SSB a FM. Hlavní výhodou je, že dokáže přímo zpracovat soubor WAV, jako je ten v našem příkladu, bez nutnosti použití zvukových karet nebo fyzických „můstků“ mezi zařízeními.

Aby Linrad sdělil, který soubor má zpracovat, byl vytvořen textový soubor s názvem adwav v hlavním adresáři programu. Tento soubor musí obsahovat na jednom řádku název vstupního souboru WAV a název přidruženého souboru parametrů. Můžete jej vytvořit takto:

echo "radio-downconverter-28000-sps-162-khz.par" > adwav

Po vytvoření adwavLinrad se spustí a v hlavní nabídce se vybere možnost „2=Zpracovat první soubor s názvem v 'adwav'“Při prvním zpracování souboru tohoto typu se program zeptá na několik parametrů vzorkování a demodulace a poté zobrazí hlavní okno se spektrálním analyzátorem a ovládacími prvky potřebnými pro příjem.

Další zajímavou možností je vyzkoušet proces v reálném čase s Linradem při zachycení signálu pomocí soxu. Linrad přímo nepodporuje standardní vstup (stdin), ale lze se uchýlit k Soubor FIFOTedy pseudosoubor, který funguje jako kanál mezi procesy. Pracovní postup by vypadal nějak takto:

cd linrad
mkfifo fifo.wav
echo "fifo.wav fifo.par" > adwav
./linrad

Jakmile se Linrad spustí a vy vyberete možnost zpracování prvního souboru adwav, otevřete další konzoli (například pomocí CTRL+ALT+F2) a spusťte:

cd linrad
sox -r 896000 -w -t ossdsp /dev/dsp1 -t .wav fifo.wav

V tomto schématu, /dev/dsp1 Toto by byl zdroj zvuku, ze kterého získáte nezpracovaný záznam s frekvencí 896 kSPS. Linrad by z něj četl fifo.wav téměř v reálném čase, s několikasekundovým zpožděním vyrovnávací paměti. V praxi může být tato konfigurace poměrně náročná na paměť a CPU a není vždy snadné najít parametry, které nezpůsobují chyby „Nedostatek paměti. Zkuste méně náročné parametry“, zejména s tak vysoké vzorkovací frekvence.

Konečně, někteří uživatelé ukázali, že je to také možné demodulovat přímo pomocí baudlineNapříklad načtením souboru AM stanice lze v okně přehrávání provést úpravy, jako je negativní frekvenční posun (např. -6469 Hz), horní propust přibližně na 164 Hz a výrazné zvýšení digitálního zesílení (např. +48 dB). S těmito parametry je baudline schopen reprodukovat srozumitelný zvuk, včetně hudby a cizojazyčného vysílání, pouhou manipulací se spektrem v reálném čase.

Celý tento ekosystém nástrojů (SDRadio, Linrad, baudline, sox atd.) ilustruje, jak ve světě Softwarově definované rádioHranice mezi hardwarem a softwarem se stírá: stejný soubor WAV lze analyzovat, filtrovat a demodulovat mnoha různými způsoby, změnou programů nebo parametrů, aniž by se bylo nutné fyzicky dotknout původního přijímače.

S jednoduchým RTL-SDR adaptérem, poměrně dobře udržovanou anténou a sadou utilit, jako jsou GQRX, OpenWebRX, SDRadio, Linrad nebo baudline, může kdokoli, kdo je zvědavý a chce se učit... hlouběji se ponořit do konceptů DSP, programování a radiofrekvence které byly až donedávna vyhrazeny pro drahé a složité profesionální vybavení.