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使用RTL-SDR和Matlab Simulink玩转软件无线电（四）

2019-07-13 19:31发布

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1.4 本书目标 对于本书读者，我们有一个核心目标： 借助低价的RTL-SDR接收机，帮助工程师来学习和实现SDR设计，而且所有的算法都使用Matlab和Simulink实现，实时处理真实信号。
我们还可以提供其他的知识： 1.理解SDR系统设计基础； 2.了解各种SDR应用，用于广播，移动通信，无线通信，射频侦听； 3.学习SDR系统的核心部件，DSP和物理层算法，从信号里获取信息； 4.(对于Matlab和Simulink的初学者)学习编写Matlab代码和Simulink模型，以及工具盒和支持包； 5.能够捕捉不同的信号，并画出实时的频谱图； 6.了解不同的通信系统和它们使用的频段； 7.学习DSP基础（滤波器，解调器，抽取器），能够设计一个系统把正交信号转为基带信号； 8.了解模拟AM和FM的调制基础，理解对应的数字接收机； 9.了解如何使用其他硬件来产生无线信号，使用简单的部件来设计或者购买（温度）传感器； 10.学习把复用音频信号并编码，并使用低价的FM发射机来发射，再用RTL-SDR来接收、解调、去复用、解码并最终输出到各自的频道； 11.学习调谐、同步、计时器，能够用软件实现这些部件； 12.了解如何用USRP实现SDR发射机，并产生QAM信号给RTL-SDR； 13.尝试更复杂的SDR应用（包括上层协议），使用USRP、RTL-SDR、FM发射机来传输文本和图像信息。
1.4.1 本科和研究生教育 这本书也可以用来帮助本科生和研究生学习DSP和SDR。更多的资料，包括教学大纲、实验安排等可以在本书的网站上desktopSDR.com找到。
1.5 SDR的结构变迁 近几年，或者说1990年后，SDR经常被认为是未来的RF接收机。很多年以来SDR都被认为是很有希望的，但是直到2014年才真正的做到足够便宜，并且尺寸也足够小。过去，SDR一般只是用在军事或科研领域，因为以前它们很贵。
1.5.1 终极SDR结构 在最简洁的概念上来说，SDR由RF部分（天线、放大器、滤波器）和高速ADC、高速DAC组成，并且连接到DSP或电脑上，见图1.6。使用ADC得到采样点进入DSP再经过DAC流出。回忆奈奎斯特定理（你需要采样一个信号，那么采样率必须是信号最大带宽的两倍，才能获得所有信息），使用4GHz采样，那么你的基带信号的范围可以在0~2GHz之间，所以SDR可以发射并接收2GHz内的所有信号，所有信号处理都用数字方式完成。
为了实现一个完整的无线系统，我们需要一些RF和宽频天线的知识，来保证那么大的频率范围内都能工作。使用合适的模拟器件也是重要的考虑因素。如果这些都没问题，从DSP角度来说，只要我们把RF信号数字化以后就能全部由软件完成后续处理。软件需要在超高性能处理器上处理，或者是FPGA（比如LTE信号）。这些设备完成了所有DSP算法，这些算法基本上由加法和乘法实现。
不远的将来，高速ADC和DAC会实现几GHz的采样率，这样图1.6中的设备就能实现。回想一下，90年代DAC/ADC的采样率大概是100kHz，16bit的分辨率就是最新、最昂贵的技术了。2015年的设备大概可以达到100MHz和14bit的分辨率，它们不算太贵，可以从ADI公司买到。几GHz的采样率和8bit的分辨率也有了，但是它们还是很贵。尽管有这些限制，我们确定技术会不停进步，将来GHz的采样率一定会在普通消费者的设备里出现！
1.5.2 SDR结构：数字处理的变迁 接下来，我们考虑正交接收机的变迁，和数字处理日益增加的重要性（SDR的一部分）。
第一代“数字无线电”出现在90年代中期。如图1.7(a)，模拟部分使用本振LO把信号从射频RF下变频到中频IF，接下来使用另一个LO进一步把IF信号下变频到基带。基带信号经过ADC的采样、数字化后（采样率低于几十kHz），DSP对其输出进行最终的处理，还原出传输的信息。90年代的第二代移动电话（GSM手机）很多都是这种结构。顺便提一下，90年代早期的手机是完全模拟的，它们使用AMP和TAC标准。
接下来的数字无线电是2000年左右的，采样和数字化处理在有些设备中开始在中频IF进行。IF大概在40MHz左右，那么ADC使用一个125MHz左右的就行了。DSP的第一级使用一个数字下变频器DDC把IF信号搬移到基带，DDC中做的是解调和抽取滤波如图1.7(b)。进一步的DSP处理在基带进行。在这个结构中，更多的功能在数字部分实现，SDR的灵活度增加了。
到本书写作之时最先进的结果是把RF信号直接采样，如图1.7(c)，用DSP把RF信号直接下变频到基带，这是因为我们现在能够把采样率做到数GHz。这已经接近SDR的最终构想了。
1.5.3 RTL-SDR的结构和工作流程 RTL-SDR的结构更接近于图1.7(b)，它的解调过程分为2级：通过模拟电路把RF降到IF；用数字方式把IF降到基带。更重要的是解调过程可以用软件控制，这样我们就能够选择需要的RF频率范围了。
再次观察图1.7(b)，RTL-SDR的输出与1.7(b)中白 {MOD}的基带DSP的输入对应。也就是说RTL-SDR的输出是IQ采样，这些采样经过RTL-SDR的硬件支持包进入Matlab和Simulink中，而Matlab和Simulink就对应着基带DSP模块，它们中运行的程序就是整个处理过程的最后一步。RTL-SDR的输出是8位二进制数据，而Matlab和Simulink可以处理浮点数。更多关于RTL-SDR的结构和内部组件会在1.6节中说明。
RTL-SDR的结构中没有任何实现基带DSP这个模块的地方，它们全部在Matlab和Simulink里完成，所以说我们就有很大的灵活度，因为我们可以通过更改软件来调整处理方式。使用高性能计算机就能把用软件实现的基带实时地运行。使用RTL-SDR和Matlab和Simulink，你可以实现很多种系统，接收到不同种类的信号，无论是空中现有的，还是你自己发出的。

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