改造RTL2832U电路试制全频段无线电接收机

张博，张扬，周明铭，蒋未名，李战初，金莹，孙昊昉

（沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁沈阳，110027）

1 项目研究背景

模拟无线电技术发展至今已趋于成熟，伴随当前数字化浪潮，无线电技术已进入从模拟向数字技术过渡阶段。但在模拟信号无线电接收机市场上，如ICOM（艾可慕）、YAESU（八重洲）、KENWOOD（建伍）和AOR等日本传统厂商仍在不断推出“纯硬件电路”技术的新产品，凭借着在设备精确度、可靠性等方面上的技术积累，以及多年的广告宣传，占据了较高市场份额。但上述品牌产品价格较高，并且功能单一、便携性差，因此全频接收机市场仍有进入空间。

2 可行性研究

原有的RTL2832U芯片只具备接受地面视频无线广播（Digital Video Broadcasting - Terrestrial，DVB-T）和配套的运算解码、音视频输出等功能，芯片内置了模拟数字转换等部分软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR）功能。本项目计划将RTL2832U芯片的频率接受范围从传统模拟电视频段（48.5-72.5MHz、167-223MHz、470-566MHz、606-958MHz）扩展至常用无线电通信的全频段范围（0.15～1766MHz,覆盖MF、HF、VHF、UHF等常用无线电频段），并提供多种模式信号的接收能力。

除传统民用无线电接收设备的AM、FM（NFW和WFM）广播接收功能之外，本项目计划拓展常用无线电信号接收功能，如等幅电报（continuous wave，CW）、 单 边 带（single sideband，SSB）等，并拓展模拟电视伴音、航迹信息、气象卫星数据传输、宇宙微波背景辐射等接收功能，以求在单一设备上实现多种接收功能，增加产品的功能和适用性。

3 主要原理

3.1 SDR原理

采用软件定义无线电原理[1]的接收机如图1所示。右侧为软件定义无线电（SDR）硬件芯片部分接收示意图，接收设备的低噪声放大器（lownoise amplifier）负责分离天线接收的信号和噪声，将无线信号放大，与晶振产生的基带信号调制，以模拟制式下变频（down converter，DC）至中频，再经过低通滤波器（low pass filter，LQF），去除信号的载频。

图1 SDR接收原理图

经过一次变频后的中频模拟信号，进入模拟数字转换器（analog to digital converter，ADC），对其进行采样、量化、编码，转为二进制数字信号。再将数字信号送入数字信号处理模块，进行数字模式的下变频处理（digital down converter，DCC）,将信号从中频变频至基带，可降低后续处理器的运算负载。

在SDR接收设备中，模拟制式的无线信号经过模拟和数字两次下变频处理后，变为适合CPU处理的数字模式的基带信号（如图2所示），再通过USB总线传输至计算机，由操作系统传输至SDR程序，经CPU处理后以音频或各种频率图的形式呈现，如图1左半部分所示。以上为SDR接收机的信号接收全过程。

图2 二次下变频原理示意图

3.2 RTL2832U芯片特点

据瑞昱（realtek）厂家提供的RTL2832U芯片数据手册,该芯片设计目标是提供DVB-T的码分正交频分复用模式（coded orthogonal frequency division multiplexing，COFDM）信号的解调功能，可以处理在VHF（30～300MHz）和UHF（300～3000MHz）频段传输的数字广播电视信号，各地DVB-T的频率范围与传统模拟电视频率范围基本一致。

RTL2832U芯片可以匹配36.167MHz的中频调谐器、4.57MHz的低中频调谐器，也可以在28.8MHz晶振的配合下零中频接收。除COFDM信号之外，还具备模拟无线电的频率调制（FM）、数字无线电广播（(digital audio broadcasting，DAB）等接收功能，集成了高阶模拟数字转换器（advanced ADC）。芯片支持全速或半速USB2.0接口，可设计成类似优盘的USB电视棒设备、迷你卡（MiniCard）等外形，也可以通过USB接口连接嵌入式设备。

虽然RTL2832U芯片是一枚DVB-T数字电视接收芯片，但前述芯片特点，特别是频率支持范围、FM模式、零中频、ADC、USB接口、数字电路算法等特征，为本项目试制基于软件定义无线电的全频段接收机提供了硬件基础。

4 主要技术改造与实现

4.1 采用RTL2832U芯片成品情况

基于RTL2832U芯片电视棒的频率接收范围，主要受电视棒中调谐器芯片的限制，目前市场上与RTL2832U芯片搭配的主要调谐器种类，如表1所示。

表1 采用RTL2832U芯片电视棒产品

采用E4000调谐器的为早期产品，灵敏度相对较差，在当前市场上已很少见，该调谐器的特点是采用零中频模式（直接变频至基带），同时使用I、Q双通道输出调谐后信号。采用FC0012调谐器的产品价格最为便宜，大约在30～40元左右，但其接收频率范围较窄。R820T调谐器上市较晚，其接收效果相对出色，是当前市场上的主流产品，在购物网站售价大约50～60元，R820T调谐器属于二次变频超外差接收结构[2]，工作在4.5 MHz的低中频模式，仅在I通道输出信号。

上述分析表明，RTL2832U+R820T电视棒未使用Q通道，具备改造的硬件电路条件，且价格也具有一定竞争力，因此本项目改造对象拟选择该种电视棒成品。

4.2 RTL2832U+R820T芯片电视棒改造技术路线

该成品电视棒板载了28.8 MHz的晶振，故可开启RTL2832U芯片的零中频模式。本项目计划将天线传来的信号绕过R820T调谐器，从Q通道直接接入RTL2832U芯片，由芯片实现自动增益控制和模拟数字转换，再将数字信号通过USB总线传入x86体系PC机做后续处理。这样既可以实现全频接收功能，也能继续保留RTL2832U+R820T电视棒的DVB-T功能。

上述方案需要将图1中由SDR设备完成的部分数字信号处理功能交由PC机实现，因此上述信号处理工作可能会增加处理器负担，对软硬件选用提出了要求。

4.3 RTL2832U+R820T芯片电视棒改造实例

本项目从市场上购买的RTL2832U+R820T芯片电视棒内部电路板如图3所示，图3(a)为改造前电路板，图3(b)为RTL2832U和R820T芯片附近放大图，图3(c)为改造后的走线。

图3 RTL2832U+R820T芯片电视棒电路版及改造图

查询RTL2832U芯片数据手册可知，该芯片的第1、2引脚分别为I通道正极和负极，第4、5引脚分别为Q通道正极和负极，本次改造涉及的部分引脚如图4所示。在电路板上以白色“△”符号标出了RTL2832U芯片的1号引脚，如图3(b)和图4所示。

图4 ?RTL2832U芯片引脚图（局部）

通过分析测试芯片引脚和电路板布线，发现线路板上预留了与RTL2832U芯片的Q通道正极相连的通孔焊盘，如图3(b)上部箭头所示。图3(a)中箭头所示为板载MCX接口天线的内接头触点，从此处接出飞线，并串接一个470 pF滤波电容，再将飞线接入电路板上Q通道正极相连的焊盘，可实现将模拟无线电信号引入RTL2832U芯片的Q通道，飞线改造如图3(c)所示。此种改造可保留电视棒I通道上的DVB-T接收功能。

为提升整体系统的稳定性，本项目在RTL2832U、R820T芯片、场效应管上加装了散热片。

4.4 效果测试

本项目对改造后RTL2832U+R820T芯片电视棒在windows系统下完成了初步测试，实验中使用SDRSharp（v1.0.0.1337版）软件，并配合windows版的Zadig（v2.2.689版驱）驱动，采样率设为2.4 MS/s，并设置为强制从Q通道直接采样。结果表明该设备具备0.15～1766MHz范围内常用业余、免照、公共广播频点的接收功能，可解调常见AM、WFM、FM、CW、SSB模拟信号，基本覆盖了预定的波段范围和调制模式，接收频谱图如图5所示。此外，在特定硬件天线和软件的配合下，也具备接受航迹信息[3]和气象传真信息[4]的功能。

图5 接收频谱图

5 讨论与展望

测试表明，RTL2832U+R820T芯片改造后的接收音质与传统AM制式无线广播音质相仿，低于调频（FM）立体声广播音质，推测与芯片的采样率有关。RTL2832U芯片有8 bit采样精度，理论采样率为3.2 MS/s。本项目测试表明，只能在少数采用钰创（Etron）EJ168/EJ188/EJ198芯片的USB3.0主控上才能实现上述理论采样率，而x86体系常见的英特尔（intel）、威盛（VIA）、瑞萨（renesas）等USB2.0或3.0主控芯片上的实际采样率只能达到2.4 MS/s，推测与USB主控的传输算法有关。如果换用其他24 bit的SDR芯片，虽可提升采样精度，但会带来成本的大幅提升。

由于本项目的改造是通过飞线将无线射频信号直通RTL2832U芯片的模拟数字转换器，绕过了SDR接收设备的模拟信号处理模块（参图1），这导致接收到的信号存在较强的干扰（参图5）。因此，拟在接收电路中增加0.1-2000 MHz的低噪声放大器，成本大约20元，以完善图1所示的模拟信号处理模块的功能。远期可以加入相关滤波电路以降低干扰。

本项目的改造，将位于接受设备中的部分数字信号处理功能交由x86处理器完成，理论上增加了PC机的计算负担，但实测表明此类运算不会大幅增加PC机负载，属于可接受的范围。

实验表明，在接收时是否开启自动增益控制功能，不会明显影响接收效果和灵敏度，推测原因在于RTL2832U芯片模拟数字转换的采样精度（8 bit）较小，自动增益控制能起作用的动态范围较小。

本项目的现阶段改造实验是在windows系统下进行的，验证了通过改造RTL2832U+R820T芯片电视棒来搭建全频段接收机的理论思路和技术路线。下一步的主要研究将转移至linux系统下，一方面可避免windows过大、不必要的系统开销，另外也可充分利用现有的各类SDR开源软件资源[2,5]，便于系统软硬件集成。亦可进一步迁移至基于ARM体系平台的linux系统下，进一步降低整体硬件体积和成本，提升该全频段无线电信号接收机的竞争优势。

6 结论

本项目在市售RTL2832U+R820T芯片电视棒基础上，利用芯片内置的模拟数字转换、自动增益控制、I通道和Q通道直接采样等功能，以飞线的形式将模拟无线电信号引入RTL2832U并转为数字信号，交由x86平台进行后续处理，完成了SDR全频段接收机的试制任务。经测试，该接收机达到了项目的预定目标，且具备一定的成本优势。此外，该全频接收机存在进一步提升性能、降低成本、扩展用途、提高便携性的优化潜力，具有良好的市场前景。