宽带便携式接收机的研究

汪庭霁，崔军峰，杨文翰

（国家无线电监测中心，北京　100037）

宽带便携式接收机的研究

汪庭霁，崔军峰，杨文翰

（国家无线电监测中心，北京100037）

随着无线电技术的发展需要，传统接收机体积庞大、不易携带的缺点越来越突出。本文选择了某小型宽带手持接收机进行研究，该接收机能够提供IQ数据输出及计算机软件控制选件，本文首先对该接收机的参数控制进行了介绍，并对比了三款SDR（Software Defined Radio）软件的功能与特点，最后说明了正确获取IQ数据的方法。

宽带接收机；软件无线电

1　引言

随着无线电技术的发展及无线电设备的集成化程度越来越高，手持的高性能小型接收机愈加普及，业余无线电活动发展迅速。基于这方面的需求，我们选择了某公司推出的一款小型宽带手持接收机进行研究。该型号接收机具有较宽的频率接收范围（0.05～1300MHz）；能够输出I/Q信号、音频信号和10.7MHz鉴频信号；在音频输出状态下，能持续工作15小时，并具有远程控制功能，该接收机在此基础上能够实现各种无线电信号的解调与语音记录，环境电磁频谱的分析，设计制作各种无线电接收系统，例如对ACARS或者ADS-B信号进行解调，绘制飞机实时飞行轨迹，对AIS信号进行解调，画出船舶的动态实时位置等。

本文首先简述该接收机的基本性能，然后介绍相关控制软件可调节的参数，并对比了三款不同的SDR控制软件的功能与特点，最后研究了接收机提供的三种输出信号特点，说明了正确获取IQ数据的方法。在此基础上，无线电爱好者便可针对自己的需求进行开发，设计制作完成属于自己的无线电接收系统。

2　接收机简介

某品牌的小型宽带手持接收机基本参数如表1所示。

表1　接收机的基本参数

接收机内置11个可编辑的存储频道，每个频道由100个存储单元组成。每个存储单元均可预先存储好对应的频点，解调方式等参数，并可以自定义命名，通过ERW-8型号连接线，与电脑相连。在该公司官网上提供两种基本免费软件下载：一种软件为远程控制软件，可以在电脑上通过鼠标和键盘来操作；另一种为克隆软件，可以在电脑上设置接收机的各种参数以及内置的存储频道，然后通过写入操作，将设置好的参数，同步到接收机上。同理也可以通过读取操作，将接收机的参数读取到电脑上，作为数据的备份。

3　控制软件及SDR软件介绍

3.1控制软件

官方提供的基础控制软件解压缩即可使用，支持Windows 7，Windows Vista，Windows XP和Windows 2000专业版操作系统。该软件能够控制的参数有主带、子带的输入频率、音量、静噪门限、解调方式、输出数据的类型及预制模式的选择，具有图形和表格两种操作界面，分别如图1和图2所示，图形操作界面中，相关的按钮均可以点击使用，把鼠标放在功能按钮附近时，会出现绿色的字母或箭头提示操作，这些操作体现在界面中的惟一反馈就是频率的变化，而不能显示处于何种功能下，相比之下，表格操作界面更直观，并且能够更改更多的参数，方便使用。

电脑与接收机之间的连接需要ERW7或ERW8型号的连接线，并且要求提前安装连接线驱动程序。需要注意的是，该驱动程序需要安装两边才能正常使用。在打开软件之后，在设置（Setting）中选择正确的端口（COM），端口在设备管理器中查看，对应的是USB Serial Port所示的端口。

图1　图形操作界面

图2　表格操作界面

ERW-7和ERW-8型数据线二者的不同点在于，使用ERW-7型数据线仅能使用克隆功能软件或其他软件，而使用ERW-8型数据线可以同时使用克隆功能软件和实时控制软件。ERW-8型数据线一端是小型USB接口接到接收机的充电器上，另一端是USB接口连到电脑。

3.2SDR软件

上面介绍的控制软件功能比较简单，只能较好地实现接收机自带的功能，没有进一步的延伸和开发，应用更加复杂的功能需要借助其他的第三方软件，下面就对比三种常见的软件无线电控制软件。

3.2.1KGSDR

KGSDR是较便捷的一款控制软件，界面如图3所示。

图3　KGSDR界面

与其自带的控制软件相比，KGSDR功能更加强大，并且操作简单。它包括有信号强度测量，频率显示，解调方式设置，音量，噪声控制，录音和频谱图。KGSDR是惟一一款支持该接收机IQ频率偏置的SDR软件，偏置的范围为-24kHz至+24kHz。此外，KGSDR有两种保存数据的方式，第一种是存为WAVE格式的音频，点击wave按钮激活；第二种方式是raw文件，即未处理的原始数据文件，点击Raw File下方的Rec红色按钮激活。

综上所述，KGSDR是一款简单便捷的控制软件，功能上有所增加，操作简单。

3.2.2WINRAD

WINRAD是由Jeffrey Pawlan开发的一款开源SDR软件，能够接受并识别高达192kHz的IQ数据输入到计算机的声卡，可以选择多种滤波器来改进解调结果。此外，该软件还支持扩展的dll文件以识别不同类型的外部硬件接口输入的数据，这使得后续开发的接收机也能工作在同一个平台上。

WINRAD启动后即为全屏状态，界面如图4所示。将两路IQ信号分别连接到声卡的左右声道上，如果没有两路的话，一路信号也可以，不过软件的性能将会下降。然后在ShowOptions的下拉菜单中，选择输入信号硬件，是声卡还是WAV文件，默认是使用声卡作为输入，如果已经添加了扩展的dll文件，这里会增加新的选项。WINRAD软件解调方式较KGSDR增加了ECSS和DRM两种，同时也具有录音功能。

图4　WINRAD操作界面

WINRAD最大的优点在于它是一个开源的软件，能够得到公开的源代码，便于用户在此基础上根据自己的需要开发集成新的功能，源代码的下载地址：http://www.sdradio.eu/weaksignals/ winrad/download_source.html。该软件使用的编译器是CodeGear RAD Studio 2007。具体的编程方法在Winrad_OpenSource_Part2文件夹中的Winrad-How-To.pdf有具体的说明。其中常用参数的控制指令如表2所示：

表2　常用参数的控制指令

3.2.3HDSDR

HDSDR是一款免费的SDR软件，由Alberto di Bene基于WINRAD开发，操作界面如图5所示。

图5　HDSDR操作界面

与WINRAD相比，HDSDR界面明显更加简介和直观，并且增加了正常窗口模式，不需要保持工作在全屏状态下；增大了瀑布图和频谱图的显示区域，相关的参数布置在其下方，便于寻找；要求的最低分辨率降低到640×480；增加了可视化功能的设定；增加了对接收机COM端口控制软件的支持，使多用户能同时控制电台。

三种SDR软件均能较好的实现对接收机的控制功能，其中KGSDR操作十分简单，但只能满足最基本的要求；WINRAD功能强大，但界面不太友好，使用不是很方便；HDSDR功能更加强大，在WINRAD的基础上进一步做了开发，使用简单，是比较合适的控制软件。但是这三者中只有WINRAD是开源软件，其余二者是免费软件，如果需要特有的控制功能，WINRAD是最好的选择。

4　接收机的输出信号说明

该接收机可以输出三种不同类型的信号，分别为音频信号，DET信号，IQ信号。这也是其区别于一般接收机的主要特点之一。当接收机输出调至DET输出或IQ输出时，需要通过一根3.5毫米的音频线和计算机连接。如图6所示，对于4节耳机线，从外到内，第一节传输音频信号；第二节传输数据信号，包括克隆，DET信号，IQ信号；第三节是传输控制信号，最后一节为地线。

图6　3.5毫米音频线输出接口说明

4.1音频输出

音频输出是接收机最基本的输出，也是接收机的默认输出模式。该型号接收机支持棒状天线和耳机天线，可在设置菜单中惊醒切换，若连接音频线后，可以通过操作系统自带的录音机软件或是其他专业录音软件，将声音存储下来进行分析。

4.2DET信号输出

令该接收机输出DET信号，可以在设置中进行相关操作，也可以通过远程控制软件进行更改。需要注意的是，当接收机调整到DET输出模式，将无音频输出，同时在接收机的显示屏上也会显示为DET模式。此时接收机输出的便是10.7MHz的IF鉴频信号。根据超外差式接收机的原理，接收机把接收到的高频信号，经过与本地振荡器的混合，变换成频率固定的中频信号。频谱从高频转移到中频，并没有改变信号上携带的信息。此时如果用录音软件录制，仍然可以得到和输出声音时几乎一样的录音效果。信号转移到中频后，可以再经过解调、放大等最终输出。

调频信号的解调方法之一便是利用鉴频器。普通鉴频器的原理是先将调频信号变成调幅调频信号，使得该调幅调频信号的幅度比例于调频信号的瞬时频率，然后再利用调幅信号的包络检波器，恢复出原始信号。鉴频器的原理如图7所示：

图7　鉴频器原理图

4.3IQ信号输出

该接收机优于一般接收机的最大特点为IQ信号输出功能。IQ信号包含了接收信号的全部信息。当把接收机调整到IQ输出模式， IQ信息可以通过声卡存入计算机，通过对IQ信号的处理，可以实现信号解调、定位、调制方式分析和电磁频谱分析。

根据本章开始时提到的接口说明，4节的音频线只有第2节是用作IQ信号输出。但是IQ信号应该是由2路信号组成。声卡本身不能信号分成两路，如果只用了音频线的第二节传输2路的IQ信号显然是不可能的。因此，为了验证这个问题，我们往接收机发送100MHz的单载波信号，调节接收机频点，使用IQ模式输出，然后使用一台示波器（Tektronix TDS 784D）的CH1和CH2两个通道测试3.5音频线的第二节与其余各节的输出信号。当示波器的两个探头分别接到第一节和第二节时，结果如图8所示：

图8　示波器监测下的IQ输出

我们可以看到，第一节的信号与第二节传输的信号是正交的。这与IQ信号两路是正交的这个特点相符。因此，我们判断音频线的第一节和第二节分别传输的是I路与Q路的模拟信号，可以通过声卡左右声道的录音对IQ信号进行采集，分别两路数字信号。

5　使用实例

本文所选择的这款小型宽带手持接收机在一些通信系统之中有很好的应用，比如数字集群通信系统APCO P25。数字集群通信系统是一种新型的移动通信系统，它除了能提供个人移动通信服务外，还能实现个人与群体间的任意通信。APCO P25 （Association of Public-Safety Communications Officials Project25）是国际电信联盟（ITU）制订的七种集群通信系统标准之一，由美国国际公共安全通信协会（APCO），国家电信管理者协会（NASTD）和电信工业协会（TIM）合作制定推行的，它采用了频分复用技术，目前广泛应用于北美。

在APCO25数字集群通信系统中，如果使用传统的模拟接收机，虽然可以将信号完整的接收，却无法将其正确解调。因此，可以使用本文所介绍的接收机配合AOR公司的ARD25数字解码器来进行解调，将10.7MHz中频信号接到ARD25的输入端口，经过ARD25处理该中频信号，解调出接收的数字信号并用于后续使用，而APCO25数字集群通信系统在解调ACARS，ADS-B，AIS信号时发挥很好的作用，对于飞机和海事安全有重要意义。

图9　APCO25解调过程原理图

6　结束语

本文首先介绍了小型宽带手持接收机的特点和相关的控制软件，然后对比了三款SDR软件：KDSDR，WINRAD，HDSDR的特点。其中，KGSDR界面简单，可以满足基本要求；WINRAD功能强大，并且是开源软件，可以自主开发，但界面不太友好；HDSDR功能更加强大，在WINRAD的基础上进一步做了开发，是比较合适的控制软件。最后对该接收机的三种不同的输出信号进行了分析和研究，给出了提取不同信号的方法。基于上述内容，无线电爱好者可针对自己的需求对此接收机进行开发，设计制作属于自己的无线电接收系统。

Research of Wide-band Portable Receiver

Wang Tingji， Cui Junfeng， Yang Wenhan
（State Radio Monitoring Center， Beijing， 100037）

With the requirement of radio technology developing， the weakness of traditional receivers is more and more serious. We choose a wide-band portable receiver to research， which can offer IQ data output and be controlled by computer software. At frst， we briefy introduce the basic parameter， then compare the function and characteristic of three different software. Finally， we give the correct way of getting IQ data.

Wide-band receiver； Software Defned Radio

10.3969/j.issn.1672-7274.2015.02.011

TN85文献标示码：A

1672-7274（2015）02-0060-05

汪庭霁，男，硕士研究生，现任职于国家无线电监测中心北京监测站，主要从事于无线电监测相关工作。

崔军峰，男，硕士研究生，现任职于国家无线电监测中心北京监测站，主要从事于无线电监测相关工作。

杨文翰，男，博士研究生，现任职于国家无线电监测中心频谱工程处，主要从事于无线电频谱规划、认知无线电等方面的研究工作。

［1］周炯槃，庞沁华等.通信原理［M］.北京：北京邮电大学出版社，2008

［2］曾少华.新一代数字集群通信系统［J］.电信网技术，2004，5（5）:40-43