Системы подвижной радиосвязи. лабораторный практикум. Федоров С.М., Бойко О.В

часов позволяет получить импульсы (составные) 13 MHz, которые решают эту проблему.

Рис. 63. Внешний вид USRP2 [1]

Выделим наиболее популярные области применения

USRP:

–имитация радиоинтерфейсов;

–создание системы локального позиционирования;

–эмулятор базовой станции (OpenBTS) системы GSM;

–радиолокационные приложения;

–системы контроля за использование спектра;

–пеленгация;

–спуфинг;

–приёмопередатчик на основе SDR;

–разработка новых алгоритмов связи и передачи данных;

–проектирование беспроводных стандартов связи;

–исследовательские и образовательные комплексы радиосвязи;

–когерентные многоканальные приёмо-передающие системы;

– цифровая обработка и формирование ВЧ сигналов в реальном времени;

– перехват сигналов GSM с использованием GNU Radio. Рассмотрим следующую из наиболее популярных SDR

радиосистем – HackRF One от Ggreate Scott Gadgets (рис. 64). 100

Это программно-определяемое радио, способное передавать или принимать радиосигналы на частотах от 1 МГц до 6 ГГц. Созданная для тестирования и разработки современных и будущих (next-gen) радио-технологий, HackRF One представляет собой открытую аппаратную платформу, которая может быть использована как USB периферийное устройство или же запрограммирована на автономную работу. HackRF One – это оборудование для тестирования радиочастотных систем.

Рис. 64. Внешний вид HackRF One [2]

Особенности данного оборудования можно выделить следующие: частота дискретизации до 20 миллионов сэмплов в секунду (20 МГц), 8 бит квадратурное сэмплирование (8 бит на синфазную часть и 8 бит на квадратурную часть), программно-управляемый полосовой фильтр на прием и передачу, программно-контролируемое питание антенного порта (до 50 мА при 3,3 В).

Большой популярностью также пользуется коммерческая платформа программно-определяемого радио RTL-SDR на базе двух чипов – контроллера Realtek RTL2832U и тюнера R820T2. Чипсет RTL2832U – это микросхема, содержащая два 8-битных АЦП с частотой дискретизации до 3,2 МГц, принимающей на входе I- и Q- потоки, которые должны быть получены другой микросхемой

101

R820T2, реализующей радиочастотную часть SDR: усилитель антенны, перестраиваемый фильтр и квадратурный демодулятор с синтезатором частоты. Платформа работает в диапазоне частот 24–1750 МГц, обрабатывает широкий спектр различных видов модуляции (АМ, FM, NFM, LSB, USB, CW, ADS–B, D–STAR, AIS и др.); панорамный обзор сигналов возможен в полосе от 250 кГц до 3 МГц. Чувствительность приемника достигает значения 3 мкВ (на 438 МГц в режиме NFM), задержка принимаемого сигнала 340 мс, динамический диапазон 50 дБ (в режиме CW), входное сопротивление 50 Ом. Первичную обработку сигнала в устройстве выполняет 8-битный АЦП, в дальнейшем после обработки сигнала цифровым сигнальным процессором (DSP) данные поступают в программное обеспечение через интерфейс USB 2.0 для визуального представления результатов. Предложенная реализация платформы программно-определяемого радио разработана фирмой

Foxwey (рис. 65).

Рис. 65. Внешний вид коммерческой платформы RTL-SDR

фирмы Foxwey [2]

6. SDR Sharp – популярное программное обеспечение для анализа и декодирования принимаемых радиосигналов от подключенного SDR-оборудования, работающее под операционной системой Windows 7. Свободная лицензия программы и открытость её исходного кода позволяет

102

работать ей с достаточно большим количеством SDR радиосистем – от профессиональных до любительских (HackRF One, RTL-SDR и др.). Важной особенностью и одновременно преимуществом вышеописанного ПО является его модульность, т. е. расширение функционала программы с помощью подключаемых сторонних дополнений, так называемых «плагинов».

Достоинством SDR Sharp является достаточно простой интерфейс управления программой; практически все настройки функционала ПО выведены в левой части программы, и, как уже отмечалось выше, возможно увеличение программных возможностей при работе с SDR аппаратурой.

Разберем подробнее управление программой и изучим все ее настройки, необходимые для качественного приема радиосигналов в широком диапазоне частот и выполнения различных операций по его обработке.

На рис. 66 изображено основное окно программы, в котором осуществляется панорамный анализ принимаемого радиосигнала. Вверху по центру видим панель перестройки частоты, слева от нее – уровень усиления звука, кнопка настроек драйвера, определенного SDR устройства, запуск работы SDR тюнера и самая левая – кнопка скрытия панели настройки оборудования в процессе работы с ним. Снизу слева от вышеописанных кнопок расположена панель выбора

непосредственной работы синхронизируется с SDR тюнером через модифицированный системный драйвер.

103

Рис. 66. Главное окно программы SDR Sharp

Справа от панели настроек SDR тюнера в процессе приема и обработки радиосигнала расположены окна анализатора спектра (верхнее) и визуального представления сигнала в виде «водопада» (нижнее). В процессе работы программы видим вышеописанные визуальные представления радиосигнала, изображенные на рис. 67.

104

Рис. 67. Работа программы SDR Sharp

Теперь подробно разберем каждый элемент настроек и управления программой. Начнем с элементов настройки программного драйвера на примере RTL-SDR R820T:

–[Device] – в этой строке ваше RTL устройство и чип тюнера;

–[Sample Rate] – (частота дискретизации) – ширина полосы приемника, 2048 MSPS – это 2,048 МГц. Полосу можно менять от 0,25 МГц до 3,2 МГц. Чем больше полоса, тем больше нагрузка на процессор. Не на каждом компьютере можно нормально работать с максимальной полосой. Для начала поставьте 1024 для одноядерных процессоров и 2048 для многоядерных. Потом экспериментальным путем определите максимум для вашей системы;

105

– [Sampling Mode] – режим работы RTL устройства.

с нулевой частоты на промежуточную ненулевую. Установка этой галочки позволяет полностью избавиться от палки посередине экрана. Для 820 тюнеров эта опция безразлична

иигнорируется в коде драйвера;

–[RTL AGC] – автоматическая регулировка усиления на участке «Смеситель тюнера – АЦП RTL2832». Установите эту галочку при первом запуске;

–[Tuner AGC] – автоматическая регулировка усиления на участке «Вход приемника – МШУ – Смеситель». Данная АРУ работает не очень хорошо, многое зависит от антенны, условий приема и диапазона, который вы принимаете. Лучше пока оставить эту галку выключенной;

–[RFGain] – ручная регулировка усиления тюнера. Позволяет самостоятельно менять усиление входного тракта тюнера при отключенной [Tuner AGC]. Для первого запуска поставьте этот регулятор 25–36 дБ;

–[Frequency correction PPM] – коррекция частоты опорного генератора тюнера. Не меняйте настройку в этом поле, если RTL-SDR работает корректно.

106

Рис. 68. Окно настроек драйвера RTL-SDR R820T

Теперь программа настроена на работу с вашим SDR устройством. Нажимаем кнопку [PLAY].

Настройтесь на какую-либо вещательную FM станцию. Во вкладке Radio включите вид модуляции WFM. Установите галку Correct IQ во вкладке Radio. Это улучшит подавление зеркального канала и уберет палку в центре спектра. Установите галку Filter Audio во вкладке Audio. Звук станет приятнее, уйдут высокочастотный шум и треск. Отрегулируйте ползунок Range во вкладке FFT Display. Динамический диапазон RTL-SDR невелик. Минимума анализатора спектра в –70 дБ вполне достаточно.

Галку Snap to Grid лучше пока убрать. Для начала надо откалибровать частоту приемника. В дальнейшем на практике разберетесь, с какими настройками у вас будет оптимальный результат, для первого раза такие подойдут в большинстве случаев. Если звук прерывается, возможно, вы выбрали слишком широкую полосу приемника и ваш процессор не справляется. Нажмите кнопку [Configure] и попробуйте разные настройки AGC и RF Gain.

107

Далее разберемся с элементами настройки и управления непосредственно самого SDR:

–[VFO] – отображение частоты приёма. Мышкой, курсорными клавишами или цифровыми клавишами можно менять частоту приёма непосредственно в этом поле;

–ползунок [Zoom] – изменение масштаба отображения анализатора спектра и водопада;

–ползунок [Contrast] – смещение палитры водопада;

–ползунок [Speed] – изменение частоты обновления водопада и анализатора спектра.

Вкладка Radio:

Рис. 69. Вкладка Radio

–[NFM AM LSB USB WFM DSB CW RAW] –

переключение видов модуляции принимаемого сигнала. RAW – прием без демодуляции сигнала;

–[Shift] – смещение индикации частоты приема. Галочка включает, а цифровое поле задаёт смещение. Используется

восновном с конвертерами для индикации точной частоты приёма;

108

–[Filter type] – выбор оконного фильтра. Относится к теории цифровой обработки сигналов. Практической пользы от смены фильтров не заметно;

–[Filter bandwidth] – полоса фильтра принимаемого сигнала;

–[Filter order] – добротность фильтра. Влияет практически на все фильтры в программе, пропускающие принимаемый сигнал;

–[Squelch] – шумоподавитель. Галочка включает, цифровое поле – настройка чувствительности;

–[Snap to grid] – привязка изменения частоты к сетке с шагом, указанным в цифровом поле [Step size];

–[Correct IQ] – автокоррекция дисбаланса фазы и уровня IQ сигнала. Очень полезная функция. Улучшает подавление зеркального канала и убирает палку в середине спектра на 0 частоте (видно на первом рисунке);

–[Swap I & Q] – меняет местами I и Q составляющие сигнала. Для RTL устройств функция не используется, у них всё на своих местах;

–[FM stereo] – разрешает стереодекодер для WFM приема;

–[Marks Peak] – Маркировать пики сигнала. На спектре рисует много кружков в пиках сигналов.

Вкладка Audio:

Рис. 70. Вкладка Audio

109