Урок 1. Прием радиосигналов с использованием RTL-SDR
Частота
В герцах измеряется число колебаний в секунду.
1 кГц = 1000 Гц (один килогерц - одна тысяча герц);
1 МГц = 1000 кГц = 1 000 000 Гц (один мегагерц - одна тысяча килогерц - один миллион герц);
1 ГГц = 1000 МГц = 1 000 000 кГц = 1 000 000 000 Гц (один гигагерц - тысяча мегагерц).
Радиоволны
Радиоволны - электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц, распространяющиеся в космосе. Электромагнитные волны появляются в пространстве вокруг проводников с электрическим током. Радиоволны в основном используются для организации радиосвязи, для радиолокации, приготовления пищи, а иногда и в медицинских целях.
Рисунок 1. Информация о радиоволнах
Метровые и более короткие радиоволны используются для связи с космическими кораблями. Сигналы с кубсатов в основном передаются на частотах 135 МГц и 433 МГц. Для получения сигнала мы будем использовать радиостанцию типа RTL-SDR. Это устройство, работающее по технологии Программно определяемое радио (англ. Software-defined radio, SDR) — радиостанция, в которой основная часть работы по цифровой обработке сигналов выполняется на обычном персональном компьютере. Это позволяет значительно удешевить и уменьшить радиостанцию, а прямое соединение с компьютером позволяет наглядно увидеть принимаемый сигнал в широкой полосе частот, а также познакомиться с такими понятиями как частота, усиление, модуляция и т.п.
Рисунок 2. RTL-SDR приемник
Этот тип приемника позволяет принимать сигналы в диапазоне частот от 0,5 МГц до 1750 МГц.
0.5 MHz = 500 kHz = 500,000 Hz;
1 750 MHz = 1 750 000 kHz = 1 750 000 000 Hz.
В основе RTL-SDR лежат микросхемы R820T2 — аналоговый преобразователь сигнала и RTL2832U — цифровой преобразователь сигнала с интерфейсом USB.
Рисунок 3. Блок-схема приемника RTL-SDR
На рисунке показана блок-схема приемника RTL-SDR. Сначала микросхема R820T2 преобразует аналоговый сигнал в сигнал промежуточной частоты. Затем сигнал промежуточной частоты передается на аналого-цифровой преобразователь, который преобразует поступающий аналоговый сигнал в цифровой (поток нулей и единиц). Полученный сигнал через разъем USB передается на компьютер для цифровой обработки и вывода на монитор. Наиболее сложные компоненты супергетеродинного приемника (фильтры и демодуляторы) реализованы в цифровом виде в компьютере, это обеспечивает дешевизну и большую гибкость такого решения.
Знакомство с программой SDR
Давайте познакомимся с возможностями программы SDR# по приему сигналов от FM-радиостанций. Запустите программу SDR#. Элементы управления расположены в левой части окна, а спектр принимаемых сигналов в двух формах отображается справа.
Рисунок 4. Главное окно программы SDR #
На верхнем графике показана мгновенная сила сигнала отложенная вдоль вертикальной оси.
Внизу - мощность отображается в яркости и цвете, а время изображено на вертикальной оси. Этот график называется водопадом.
Частота принимаемых сигналов отображается на горизонтальной оси.
При первом запуске программы вы должны выбрать тип радио: RTL-SDR, подключенный через USB.
Рисунок 5. Выбор источника радиоволн
В разделе «Радио» установите переключатель в режим WFM и установите для полосы пропускания значение 100000.
Рисунок 6. Раздел «Радио»
Установите частоту приема, например.
Рисунок 7. Пример частоты приема
Если вы находитесь в Москве, то на этой частоте будет мощный сигнал от радиостанции.
Рисунок 8. Сигнал от радиостанции
Если вы теперь увеличите громкость, вы можете услышать радиопередачу.
Рисунок 9. Увеличение громкости
График ясно показывает, что на частоте 103,0 Fm вещает другая радиостанция. Внешний вид графика можно изменить с помощью ползунков, расположенных на правой границе экрана.
Рисунок 10. Настройки внешнего вида графика
Если щелкнуть мышью по частотной линии и переместить ее вправо или влево, вы сможете найти другие радиостанции.
Рисунок 11. Настройка частотной линии
Чтобы получать слабые сигналы, необходимо увеличить усиление сигнала. Для этого нажмите на шестеренку.
Рисунок 12. Настройки сигнала
Переместите ползунок так, чтобы уровень шума повысился примерно на 10 дБ.
Рисунок 13. Изменение уровня шума
Рисунок 14. Сигнал до и после усиления
Задание 1
Переместите частотную линию и слушайте все радиостанции Fm.
Децибелы.
Децибел - это относительное значение, которое показывает, во сколько раз один сигнал сильнее другого.
- 1 дБ - 1,25 раза, 3 дБ - 2 раза, 10 дБ - 10 раз.
При добавлении децибел, вам нужно умножить время:
6 дБ = 3 дБ + 3 дБ (2 · 2 = 4 раза)
9 дБ = 3 дБ + 3 дБ + 3 дБ (2 · 2 · 2 = 8 раз)
13 дБ = 10 дБ + 3 дБ (10 · 2 = 20 раз)
20 дБ = 10 дБ + 10 дБ (10 · 10 = 100 раз)
30 дБ = 10 дБ + 10 дБ + 10 дБ (10 · 10 · 10 = 1000 раз)
Частотные диапазоны.
Все радиочастоты разделены на несколько полос. Некоторые диапазоны частот используются для связи военными и специальными службами - гражданским лицам запрещено вещать в таких диапазонах. Но есть и «открытые» диапазоны частот, в которых разрешено работать радиолюбителям и гражданским организациям - авиадиспетчерам, железнодорожникам, энергетикам и т.п. Вы найдете следующие частотные диапазоны, отмеченные цветом в SDR#.
Диапазон длинных волн (ДВ).
Рисунок 15. Диапазон длинных волн
Диапазон средних волн (СВ).
Рисунок 16. Диапазон средних волн
Коротковолновый диапазон 160м (КВ).
Рисунок 17. Коротковолновый диапазон 160м
Коротковолновый диапазон 80м (КВ).
Рисунок 18. Коротковолновый диапазон 80м
Коротковолновый диапазон 40м (КВ).
Рисунок 19. Коротковолновый диапазон 40м
Коротковолновый диапазон 20м (КВ).
Рисунок 20. Коротковолновый диапазон 20м
Коротковолновый диапазон 15м (КВ).
Рисунок 21. Коротковолновый диапазон 15м
Гражданский диапазон 27 МГц. (Citizen`s Band). Все рации работают в этом диапазоне.
Рисунок 22. Гражданский диапазон 27 МГц
Коротковолновый диапазон 10м (КВ).
Рисунок 23. Коротковолновый диапазон 10м
Диапазон частот FM-радиостанций от 87,5 до 108 МГц (УКВ)
Рисунок 24. Диапазон частот FM-радиостанций
Диапазон частот авиадиспетчеров от 108 до 137 МГц (УКВ)
Рисунок 25. Диапазон частот авиадиспетчеров
Радиолюбительский диапазон 144-148 МГц (УКВ)
Рисунок 26. Радиолюбительский диапазон 144-148 МГц
Диапазон военных частот составляет от 225 до 380 МГц. (УКВ)
Рисунок 27. Диапазон военных частот
Радиолюбительский диапазон от 430 до 440 МГц (УКВ)
Рисунок 28. Радиолюбительский диапазон 430-440 МГц
Задание 2
Переместите частотную линию и найдите все диапазоны от 0 до 500 МГц.
Типы модуляции.
Чтобы улучшить качество передаваемого по радио сигнала используется модуляция. Модуляция - это особый способ кодирования сигнала. Например, все радиостанции, которые вещают в диапазоне FM, кодируют сигнал специальным способом, называемым частотной модуляцией (по-английски FM). Следующим популярным методом модуляции является амплитудная модуляция (по-английски AM). Для передачи сигналов азбуки Морзе используется непрерывный сигнал. Сигналы с разными модуляциями выглядят по-разному в SDR#.
Частотная модуляция.
Типичные частоты: ультракороткие волны от 87,5 до 108 МГц
Изображение сигнала.
Рисунок 29. Частотная модуляция
Амплитудная модуляция.
Типичные частоты:
Длинные волны - от 153 до 279 кГц
Средние волны - от 531 до 1,611 кГц
Короткие волны - от 2,3 до 26,1 МГц
Переговоры авиадиспетчеров - от 108 до 137 МГц
Изображение сигнала.
Рисунок 30. Амплитудная модуляция
Как правило, сама программа SDR# правильно определяет тип характеристики модуляции полосы радиоволн. Ручная модуляция может быть переключена в разделе Радио. FM модуляция здесь называется WFM.
Рисунок 31. Переключение на ручную модуляцию
Задание 3
Найдите радиостанцию в диапазоне FM и переключите режимы модуляции. Нормальный звук будет слышен только при модуляции WFM.
Задание 4
Найти разговоры авиадиспетчеров в диапазоне от 108 до 137 МГц. Нормальный звук будет слышен только с AM модуляцией.