软件定义无线电教程：来自国际空间站的图像和使用 RTL-SDR 收听业余爱好者

无线电是波长比红外光更长的电磁辐射的传输和接收。 但是，如果该定义没有意义，您可以原谅，直到几年前，我也不必这样做。 无线电技术为我们周围的几乎所有无线连接提供动力：蓝牙、WiFi、3G、4G 和您的微波炉——所有这些都基于无线电原理运行。 这项技术已有一百多年的历史，但我意识到我对它知之甚少。

所以，我决定开始学习，并联系了我的国家业余无线电协会，巴基斯坦业余无线电协会（PARS），它是国际业余无线电联盟（IARU）的成员，它反过来代表国际电信联盟的业余无线电（ ITU)，联合国机构，其工作是协调全球电信运营和服务。 PARS 在全国运行了一些无线电中继器，其中一个在我居住的拉合尔。

自从 Guglielmo Marconi 于 1895 年首次进行他的实验以来，无线电一直使用基本相同的技术，改进的电路设计和信号处理技术使我们能够比以前传输更多和更远的距离。 现在，拥有一台笔记本电脑和价值不到 30 美元设备的人有可能接收广泛的无线电频率，我们将这样做。

在这个软件定义无线电教程中，我将设置一个软件定义无线电设备 (SDR) 和一个天线，并通过拉合尔中继器收听两个获得许可的业余无线电操作员之间的对话。 然后，我将使用相同的设备接收国际空间站（环绕地球的航天器）传输的图像，并用它来获得 ARISS SSTV 奖，展示用廉价设备浏览无线电频谱并获得认可是多么容易. 通过本文中使用的硬件，您只能接收无线电传输而不能传输您自己的，但这很好，因为在这样做之前您需要一个业余无线电许可证，无论如何。

警告！ 使用无线电设备很容易进行非法活动，这就是为什么本文将不断提醒您并引用法律的原因。 作者在巴基斯坦合法居住并进行了这些实验。 虽然巴基斯坦的联邦广播法有严格的限制，但您的管辖范围可能更严格。 2019 年，一名联合国专家在突尼斯被捕，原因是他拥有我们将使用的软件无线电设备。 您有责任确保在进行无线电实验时遵守当地法律。 但请注意：我不是律师，这不构成法律建议。 您必须咨询您自己的律师以获得澄清。

如果您居住在巴基斯坦，则必须先获得 PARS 短波收听 (SWL) 会员资格，然后才能获得无线电接收器。 巴基斯坦 1933 年的无线电报法禁止拥有无线电报设备； 但是，SWL 成员可以拥有接收器。 如果您想成为会员，请联系我获取 PARS 推荐信。

设置我们的偶极天线和 SDR 接收器

“什么是‘软件定义’收音机？” 我听到你问了！

软件定义无线电是一种无线电设备，其中大多数电子组件在软件中“模拟”。 在 SDR 兴起之前，您需要一个专用电路来执行处理进出无线电的信号的任务。 信号滤波、混频、无线电波检测、信号放大、调制/解调等都是通过专用电路完成的。 然而，由于计算机变得更快，我们可以在软件中执行这些功能，使这些类型的无线电软件定义。

一种流行（且便宜）的 SDR 接收器是带有 Realtek RTL2832U 控制器和调谐器集成电路的数字视频广播 (DVB-T) 接收器。 虽然它们最初的目的是接收视频，但现在它们被重新用于接收无线电信号，并被称为 RTL-SDR 设备。 我将使用来自 RTL-SDR.com 的 RTL-SDR 接收器和偶极子。 它目前售价 29.95 美元，全球发货，配有温度补偿振荡器 (TCXO) 和偏置三通，这些都很棒，但超出了本文讨论的范围。 它还配备了一个可调节的偶极天线套件，让您可以收听从 ~70 MHz 到 ~1030 MHz 的信号。

ARISS Int'l F2F 第 2 天：
ESA 的 David Honess 开启了今天的会议，提出了通过与我们在蒙特利尔举行的 F2F 会议的在线链接，使用 Raspberry Pi、RTL-SDR、SSTV 模式通信等让孩子们参与 ISS 业余无线电项目的绝佳方法。 pic.twitter.com/Mp25cljrAH

— ARISS (@ARISS_status) 2019 年 6 月 27 日

在 2019 年 6 月举行的业余太空无线电 (ARISS) 国际面对面会议上，欧洲航天局的代表也推荐了我正在使用的 RTL-SDR 偶极子套件。

设置天线很容易。 将天线的长尖头拧入中心，用提供的吸盘将其安装在窗户上，然后以每个 49.65 厘米（1 英尺 7.55 英寸）的距离打开偶极臂。 将提供的较长电缆的母端连接到偶极子的公端，将较长电缆的公端连接到 SDR，然后将天线垂直安装在尽可能高的外部。 最好在窗户上，使用提供的吸盘支架。 这是它的外观图片：

最后，将长电缆的悬垂端拧入 SDR，然后将 SDR 插入计算机的 USB 端口。 此时，您可以使用任意数量的 SDR 应用程序，但由于我在 MacOS 上，选项有限，我将使用 CubicSDR。

 brew cask install cubicsdr

打开 CubicSDR 后，您将看到一个对话框来选择您的 SDR 及其设置。 选择我在图像中选择的Generic RTL2832U OEM ，并将采样率更改为 2.048MHz

当 CubicSDR 启动时，您可以立即开始浏览频谱。 我建议从熟悉的 FM 广播开始。 这是我浏览拉合尔当地广播电台的视频。

接下来，我们在拉合尔收听两个业余无线电操作员，中继器，但在我们开始之前，让我们讨论一下业余无线电到底是什么。

什么是业余无线电？

“好的，但什么是‘业余’收音机？” 这次我听到你问了！

业余无线电是获得许可的运营商将无线电频谱用于非商业活动。 这些可能包括交流、培训、实验、竞赛等。 每个司法管辖区也可能有自己的法律定义。 业余无线电操作员只能使用业余服务专用的频率。

“业余服务”是指由业余人员进行的以自我训练、相互通信和技术调查为目的的无线电通信服务，即由根据本条例正式授权的、仅出于个人目的而对无线电技术感兴趣且没有金钱利益的人进行的无线电通信服务； – 业余无线电业务规则，2004 年，巴基斯坦

有了这个，让我们看看我们当地的业余无线电频率是多少。 它们与巴基斯坦频率分配委员会对所有内容的定义一起发布在名为“巴基斯坦频率分配表”的文件中。 为了便于参考，我保留了它们的要点，但这里是甚高频 (VHF) 频段：

也就是说，这里有一个关于合法性的重要说明：RTL-SDR 和这个设置非常强大。 即使您只能访问巴基斯坦（或您当地）指定的业余范围的一小部分，通常范围从 1,800 KHz 到 250 GHz，但还有其他服务在该频谱上运行。 您应该知道您可以收听哪些服务，或者更重要的是不能收听：在巴基斯坦，就像在英国一样，您不能收听任何不适合您或不打算向公众开放的传输，做根据 1996 年《巴基斯坦电信（重组）法》和 2016 年《防止电子犯罪法》，因此可能会在巴基斯坦处以罚款或监禁。无论如何，查阅当地法律完全是您的责任。 在美国，您可以收听哪些传输取决于您当地的司法管辖区。

在拉合尔中继器上收听业余无线电操作员

“你想让我问一下中继器是什么，不是吗？” 你问。 我很高兴你问。

当无线电设备相互通信时，它们都有自己的范围限制。 想象一下，爱丽丝和鲍勃想互相交谈，但他们之间的距离远远超过了他们的无线电可以传输的距离。 现在，爱丽丝和鲍勃可以升级他们的无线电，但这会很昂贵。 相反，他们可以集中资金并在他们之间安装中继器。 中继器可以是超级强大的，或者只是强大到足以使其传输到达它们两者。

中继器是一种设备，可以重复它听到的内容。 它将在一个频率上听到的内容复制到另一个频率上。 中继器的目的是扩展其他无线电的范围。 它通常被放置在一个中心位置并且非常高，以便它可以清晰地看到它所覆盖的区域。 它还可以输出大量功率，以便很远的收音机也能听到它。 在上图中，我们直观地看到中继器如何帮助两台小型手持无线电进行远距离通信。 这正是拉合尔中继器的运作方式，只是功率更大。

拉合尔中继器的工作频率为 147.360 MHz*。 在调谐到该频率之前，请将调制选择器设置为窄带频率调制 (NBFM/NFM)，稍后我们将详细了解其工作原理。 在该频率下，您将每五分钟听到一系列音调。 我在这里为您录制了其中一个：

这些音调到底是什么？ 看看波形会给我们一个线索。

如果您还没有掌握，这是摩尔斯电码。 由于此波形表示幅度和时间，因此短哔声是点，长哔声是破折号。 因此，音频发出信号.-.. … .-. 解码为 LHR，拉合尔的城市缩写。 这告诉您中继器在线，您已调整到正确的频率，并且您正在收听拉合尔中继器。

在我等待的时候，我请我的朋友和获得许可的火腿操作员 Badar Jamal，AP2BDR，PARS 拉合尔分会的负责人，在我调到拉合尔中继器时与我进行快速交谈。 我获得巴基斯坦电信管理局的特别授权，可以在 AP2BDR 等持牌运营商的监督下操作无线电。 谈话发生在一个特别糟糕的时候，当时频谱被严重污染，所以有噪音。 此外，尽管我尽最大努力在我和 RTL-SDR 之间拉开距离，但我的传输似乎在某些方面压倒了设备，但下面是对话。 我在 PARS 的呼号扩展名为 AP2ARS/November 下运作。

这就是如何在中继器上收听两个持牌操作员之间的业余无线电对话。 如果他们在没有中继器的情况下进行传输，则该过程将是相同的，因为 RTL-SDR 不传输。 然而，传输设备的设置涉及更多，因为它们必须以与接收频率不同的频率进行传输。 如果你像我一样，这给你留下的问题多于答案。 我将在下一节解释这背后的科学。

从宇宙飞船接收图片：来自国际空间站的 SSTV 事件

国际空间站（ISS）是环绕地球运行的大型人造卫星。 它是一个空间环境研究实验室，由五个不同的空间机构共同拥有：NASA（美国）、Roscosmos（俄罗斯）、JAXA（日本）、ESA（欧洲）和 CSA（加拿大），通过一系列复杂的协议和条约。 由于国际空间站是一艘航天器，由机组人员操作，从技术上讲它是一艘宇宙飞船，而且由于它绕地球运行，它也是一颗卫星。

国际空间站在国际空间站的业余无线电台或 ARISS 计划下运行一项业余卫星服务。 这项服务让您可以联系国际空间站，在那里您可以与业余无线电宇航员交谈，但 ARISS 不时会运行特殊的慢速扫描电视 (SSTV) 活动，在窄带 FM 模式下广播超过 145.8 MHz 的图像。 2019 年 8 月 1 日至 4 日期间发生了一起此类事件，称为 ARISS Garriott 纪念 SSTV 活动。 该活动“庆祝 [d] 宇航员、科学家和业余无线电先驱欧文·加里奥特的生活和成就，并举办了一场 SSTV 纪念活动，其中展示了加里奥特在执行太空任务期间与业余无线电台合作的图像。” 他是第一个在太空中进行手术的火腿。

对于这次活动，我将偶极子和 RTL-SDR 放在屋顶上。 不过，信号非常微弱，所以使用我的 RTL-SDR，我只能在异常强的通过时获得部分图像。 在接下来的活动中，我使用了替代设备。 然而，其他 PARS 成员在 RTL-SDR 和使用铜管和同轴电缆的自制天线方面取得了更大的成功。 收听信号的过程与前一个非常相似，只是多了一个步骤：考虑多普勒效应。

名词：多普勒效应

当声源和观察者相互靠近（或远离）时，声波、光波或其他波的频率增加（或减少）。 这种效应会导致经过的警报器音调突然变化，以及天文学家看到的红移。
- 谷歌

多普勒效应或多普勒频移是发射器靠近时频率的明显变化。 让我们考虑一下救护车警报器。 当它向我们走来时，它的音调很高，但是当它经过我们时，它会做这种奇怪的事情，声音会突然改变并变低。 小时候，我总觉得这很奇怪：为什么救护车司机要这样对我？ 当我在室内时，他们怎么知道他们正在经过我？ 事实证明，它发生在每个人身上，而不仅仅是声音。 多普勒效应在所有波中都很明显，包括无线电和光。 蓝移是恒星在我们看来是蓝色的，当它们靠近地球时，波频率较高，而红移是当它们看起来是红色时，当它们远离时，频率较低。 为了演示，我推荐这个优秀的视频。

多普勒频移在卫星的无线电通信中表现为当卫星向您移动时音高增加，而当它远离时突然减小。 在 SDR 的瀑布上，它看起来像这样：

为了弥补这种影响，我在卫星升起时将收音机的频率保持在略高于 145.8 MHz，在卫星到达顶点时将其调低，并在卫星落下时将其进一步调低。 请记住，虽然我确实收到了部分音频，但我收到的是以下音频：

如果你播放这个并运行一个 SSTV 解码器，比如 Robo36 Android 应用程序，设置为 PD120 模式，你应该得到以下图像：

向欧文·加里奥特致敬的照片，这是第一个在太空中运作的火腿。 我直接从宇宙飞船收到的真实照片。 使用这张照片，我获得了 ARISS SSTV 奖。

现在让我们了解无线电技术的工作原理。

揭秘收音机：魔法背后的科学

好吧，所以，如果你和我一样，你想知道更多。 一个人对着麦克风说话是如何传输看不见的波（甚至是波？），被另一端的另一个神奇盒子拾取（“拾起？”），然后变成声音？ 这么多的问题。 让我们开始。 如果一开始这些概念中的一些没有意义，请耐心等待直到最后。 让我们讨论：

• 交流电及其产生磁波的方式
• 电磁频谱和无线电频率
• 无线电收发器如何将语音编码成无线电波并从无线电波中解码

交流电及其产生电磁波的方式

您可能知道直流电，例如当您将 LED 连接到 12V 电池时。 这种类型的电输出恒定电压，称为直流电 (DC)。 如果我们要绘制电线中的电流，我们会得到这样的结果：

您可能很熟悉流过电线的电流会在其周围产生一个恒定的磁场。 它看起来有点像这样：

您可以在此 YouTube 视频中观看此效果演示。

不过，DC 对无线电没有任何作用。 我们使用它更有趣和更致命的兄弟：交流电（AC）。 交流电与直流电不同，因为它不是给负载提供恒定电压，而是在给与取之间交替。 如果您插入家里的主电源，您会得到交流电。 在巴基斯坦，我们在 50 Hz 或赫兹下获得 230 伏交流电（暂时不用担心赫兹），这与英国相似，但是在北美，您在 60 Hz 下获得 120 伏电压。 为简单起见，我们假设它以 1 Hz 运行。 这是我的主电源的图表：

现在，关于交流电的有趣之处在于：由于电流的变化，我们现在将在电线周围引起变化的磁场。 变化的磁场有一个特殊的特性，它们会在它们穿过的电线中感应出电流！ 这称为电磁感应。 所有的无线电本质上都是电磁辐射和交流波的感应。 这是一个男人用偶极天线运行灯泡的视频，设置为与我们相同的长度，以及 2 米波段的信号：

顺便说一句，2 米波段与我们听到 AP2BDR 和 AP2AUM 谈论的波段相同，但我所说的这个“波段”是什么？ 当我们了解无线电频率时，让我们看看接下来的内容。

无线电频率和电磁频谱

电磁（EM）辐射是指在空间中传播的带有电磁成分的波。 在上面的视频中，您看到一个人用偶极天线发射 EM 辐射，然后也接收到它。 这正是我们在实验中所做的，尽管功率较小。 无线电波是 EM 能量，但它们并不是唯一可以这样分类的东西。 其他一些例子包括光、电离辐射，如 X 射线和伽马射线。 所有这些之间的差异是 EM 的振荡速率。 这是在频率和波长上测量的，有时，对于业余无线电范围，表示为“米带”。 让我们来看看。

周期是对完整振荡的名称，通常在图表上从峰值到峰值进行测量。 波的“频率”是它在一秒钟内通过的周期数，表示它的单位是赫兹 (Hz)。 在上图中，我们测量每秒 1 个周期或 1 Hz 的频率。 这意味着 AC 波每秒在电流和电流之间振荡 1 次。

为了理解波长，让我们直观地想象一下我们的交流电流在电线中的样子。 让我们想象一下时间停止了，我们正在观察流过电线的未知交流电流。 高峰值是电线正极化的地方，浅谷是电线负极化的地方。

从视觉上看电线，你能以米为单位测量一个周期的长度吗？ 请记住，从峰值到峰值测量一个周期。 当你有答案时，请继续阅读。

您刚刚测量的是电线中信号的波长。 信号波长与其频率的关系

$ \lambda = \frac{c}{f} \times VF $

其中$f$是以Hz为单位的波频率，$c$是以米每秒表示的光速常数，$\lambda$是波长米，$VF$是速度因子。

$VF$ 由以下等式给出：

$ VF = v/c $

其中 $v$ 是信号通过材料传播的速度。

现在，让我们假设信号将在 $c$ 处通过所有材料传播，使得 $v = c$, $VF = 1$，我们可以简化我们的等式，使波长变为：

$ \lambda = \frac{c}{f} $

你会在很多地方遇到这个简化的方程，但要明白它只适用于真空中的 EM。

当我们通过完美的天线运行交流电流时，它会非常有效地辐射电磁能量。 这是一个可视化：

请注意电磁辐射如何以与施加到天线的交流电流完全相同的频率振荡？ 这就是为什么馈入天线的 450 赫兹交流电流将辐射 450 赫兹信号无线电信号的原因。

在我们上面的实验中，我们听到 AP2BDR 和 AP2AUM 以 147.360 MHz*（即兆赫兹或 147,360,000 赫兹*）进行通信。 该频率的波长为 2.03 米（79.92 英寸）。 这将我们带到了最后的近似值：米带。

米带只是波长的估计。 如果您告诉业余无线电操作员您使用 2 米波段，他们会认为它是指波长约为 2 米的频率。

电磁频谱是指频率范围及其分类。 从广义上讲，有 3 大类：无线电波、光和电离辐射，但这三个短语并不能传达光谱本身的深度。

根据国际电联的说法，无线电波从极低频 (ELF) 范围开始，从 3 Hz 开始，在极高频率范围结束，在 300 GHz 结束。 在这个频率之后，电磁辐射变成光，再远一点，它变成可见光，再远一点，它开始以电离辐射的形式变得危险。

无线电收发器如何对无线电波中的语音数据进行编码和解码

“一个跨性别——什么，现在？” 我听到你问。

收发器只是一种可以发送和接收无线电信号的设备。 我们不一定需要双方都有收发器； 如果一个人只有一个接收器，则可以发送无线电消息。

有许多信号编码和解码方案，但现在我们只讨论两种主要的，我们在上面的实验中使用的一种：调幅（AM）和调频（FM）。 如果您已经使用汽车音响一段时间了，那么您可能对 AM 和 FM 这两个术语非常熟悉。 让我们看看它们是如何工作的。

首先，让我们介绍两个波形：载波和我们计划编码的信息信号。 载波只是以特定频率振荡的普通波信号，在我们的记录中，就像插图一样，我们的载波是频率为 147.360 MHz* 的正弦波（平滑的上升和下降形状）。 信息信号，是你要编码的数据，在我们的实验中，它是 AP2BDR 和 AP2AUM 之间对话的音频。

在 AM 中，信号通过调制波本身的幅度被编码到载波中，这意味着载波变得更高，但保持在相同的频率。 然而，在 FM 中，信号通过调制频率被编码为载波，这意味着载波保持相同的高度，但频率会略有变化。

在我们的谈话中，我们使用了 FM。 FM 通常会产生更清晰的音频，并且比 AM 更能抵抗噪声或失真，因为失真表现为幅度的变化。 然而，FM 是以使用一系列频率而不是特定频率为代价的。 频率范围有多宽取决于您的滤波器。 在我们的示例中，我们使用了窄带 FM (NBFM)； 但是，商业广播电台使用宽带调频 (WBFM)。 这使电台声音更丰富，更抗失真，但需要更大的频率范围。

结论

我们了解了无线电的工作原理和一些无线电规则，我们设置了接收偶极子并使用软件定义的无线电探索了频谱，我们学习了无线电波背后的一些基本物理原理以及编码和解码信号的基本方法。 收音机可能看起来很神奇，我个人仍然认为它是，但它是一项非常了不起的技术。 在以后的文章中，我可能会讨论 GNURadio 以及如何在软件中模拟无线电功能。

我希望你有兴趣了解更多关于无线电的知识。 使用 SDR，您可以探索自己的设备产生的信号，例如来自汽车钥匙扣或无线门铃的信号。 请记住确保您在法律范围内进行实验。 如果您决定成为业余无线电操作员，您可以开始传输并进行自己的对话！ 在巴基斯坦，如果他们正在培训你，在他们的监督下，从持牌火腿运营的广播电台进行传输是合法的。 我建议您加入 PARS 或您当地的业余无线电协会以获取更多信息。

我发现的关于业余无线电的最佳资源是 ARRL 无线电通信手册。 强烈推荐它，虽然这本书的内容乍一看是令人难以置信的技术性，但经过几次阅读，它开始变得有意义。 这是一种宝贵的资源，我发现自己经常提到它。 但是，这是一本付费书籍，但如果您想立即开始阅读，请阅读《发展中国家无线网络》的前五章，这是一本免费（如自由）书籍和（免费）电子书，其中涵盖了我更详细地讨论。

*注： PARS 要求我不要在线发布真实数据。 这些是技术上准确的示例，但真实的示例仅适用于 PARS 成员。