軟件定義無線電教程：來自國際空間站的圖像和使用 RTL-SDR 收聽業餘愛好者

無線電是波長比紅外光更長的電磁輻射的傳輸和接收。 但是，如果該定義沒有意義，您可以原諒，直到幾年前，我也不必這樣做。 無線電技術為我們周圍的幾乎所有無線連接提供動力：藍牙、WiFi、3G、4G 和您的微波爐——所有這些都基於無線電原理運行。 這項技術已有一百多年的歷史，但我意識到我對它知之甚少。

所以，我決定開始學習，並聯繫了我的國家業餘無線電協會，巴基斯坦業餘無線電協會（PARS），它是國際業餘無線電聯盟（IARU）的成員，它反過來代表國際電信聯盟的業餘無線電（ ITU)，聯合國機構，其工作是協調全球電信運營和服務。 PARS 在全國運行了一些無線電中繼器，其中一個在我居住的拉合爾。

自從 Guglielmo Marconi 於 1895 年首次進行他的實驗以來，無線電一直使用基本相同的技術，改進的電路設計和信號處理技術使我們能夠比以前傳輸更多和更遠的距離。 現在，擁有一台筆記本電腦和價值不到 30 美元設備的人有可能接收廣泛的無線電頻率，我們將這樣做。

在這個軟件定義無線電教程中，我將設置一個軟件定義無線電設備 (SDR) 和一個天線，並通過拉合爾中繼器收聽兩個獲得許可的業餘無線電操作員之間的對話。 然後，我將使用相同的設備接收國際空間站（環繞地球的航天器）傳輸的圖像，並用它來獲得 ARISS SSTV 獎，展示用廉價設備瀏覽無線電頻譜並獲得認可是多麼容易. 通過本文中使用的硬件，您只能接收無線電傳輸而不能傳輸您自己的，但這很好，因為在這樣做之前您需要一個業餘無線電許可證，無論如何。

警告！ 使用無線電設備很容易進行非法活動，這就是為什麼本文將不斷提醒您並引用法律的原因。 作者在巴基斯坦合法居住並進行了這些實驗。 雖然巴基斯坦的聯邦廣播法有嚴格的限制，但您的管轄範圍可能更嚴格。 2019 年，一名聯合國專家在突尼斯被捕，原因是他擁有我們將使用的軟件無線電設備。 您有責任確保在進行無線電實驗時遵守當地法律。 但請注意：我不是律師，這不構成法律建議。 您必須諮詢您自己的律師以獲得澄清。

如果您居住在巴基斯坦，則必須先獲得 PARS 短波收聽 (SWL) 會員資格，然後才能獲得無線電接收器。 巴基斯坦 1933 年的無線電報法禁止擁有無線電報設備； 但是，SWL 成員可以擁有接收器。 如果您想成為會員，請聯繫我獲取 PARS 推薦信。

設置我們的偶極天線和 SDR 接收器

“什麼是‘軟件定義’收音機？” 我聽到你問了！

軟件定義無線電是一種無線電設備，其中大多數電子組件在軟件中“模擬”。 在 SDR 興起之前，您需要一個專用電路來執行處理進出無線電的信號的任務。 信號濾波、混頻、無線電波檢測、信號放大、調製/解調等都是通過專用電路完成的。 然而，由於計算機變得更快，我們可以在軟件中執行這些功能，使這些類型的無線電軟件定義。

一種流行（且便宜）的 SDR 接收器是帶有 Realtek RTL2832U 控制器和調諧器集成電路的數字視頻廣播 (DVB-T) 接收器。 雖然它們最初的目的是接收視頻，但現在它們被重新用於接收無線電信號，並被稱為 RTL-SDR 設備。 我將使用來自 RTL-SDR.com 的 RTL-SDR 接收器和偶極子。 它目前售價 29.95 美元，全球發貨，配有溫度補償振盪器 (TCXO) 和偏置三通，這些都很棒，但超出了本文討論的範圍。 它還配備了一個可調節的偶極天線套件，讓您可以收聽從 ~70 MHz 到 ~1030 MHz 的信號。

ARISS Int'l F2F 第 2 天：
ESA 的 David Honess 開啟了今天的會議，提出了通過與我們在蒙特利爾舉行的 F2F 會議的在線鏈接，使用 Raspberry Pi、RTL-SDR、SSTV 模式通信等讓孩子們參與 ISS 業餘無線電項目的絕佳方法。 pic.twitter.com/Mp25cljrAH

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

在 2019 年 6 月舉行的業餘太空無線電 (ARISS) 國際面對面會議上，歐洲航天局的代表也推薦了我正在使用的 RTL-SDR 偶極子套件。

設置天線很容易。 將天線的長尖頭擰入中心，用提供的吸盤將其安裝在窗戶上，然後以每個 49.65 厘米（1 英尺 7.55 英寸）的距離打開偶極臂。 將提供的較長電纜的母端連接到偶極子的公端，將較長電纜的公端連接到 SDR，然後將天線垂直安裝在盡可能高的外部。 最好在窗戶上，使用提供的吸盤支架。 這是它的外觀圖片：

最後，將長電纜的懸垂端擰入 SDR，然後將 SDR 插入計算機的 USB 端口。 此時，您可以使用任意數量的 SDR 應用程序，但由於我在 MacOS 上，選項有限，我將使用 CubicSDR。

 brew cask install cubicsdr

打開 CubicSDR 後，您將看到一個對話框來選擇您的 SDR 及其設置。 選擇我在圖像中選擇的Generic RTL2832U OEM ，並將採樣率更改為 2.048MHz

當 CubicSDR 啟動時，您可以立即開始瀏覽頻譜。 我建議從熟悉的 FM 廣播開始。 這是我瀏覽拉合爾當地廣播電台的視頻。

接下來，我們在拉合爾收聽兩個業餘無線電操作員，中繼器，但在我們開始之前，讓我們討論一下業餘無線電到底是什麼。

什麼是業餘無線電？

“好的，但什麼是‘業餘’收音機？” 這次我聽到你問了！

業餘無線電是獲得許可的運營商將無線電頻譜用於非商業活動。 這些可能包括交流、培訓、實驗、競賽等。 每個司法管轄區也可能有自己的法律定義。 業餘無線電操作員只能使用業餘服務專用的頻率。

“業餘服務”是指由業餘人員進行的以自我訓練、相互通信和技術調查為目的的無線電通信服務，即由根據本條例正式授權的、僅出於個人目的而對無線電技術感興趣且沒有金錢利益的人進行的無線電通信服務； – 業餘無線電業務規則，2004 年，巴基斯坦

有了這個，讓我們看看我們當地的業餘無線電頻率是多少。 它們與巴基斯坦頻率分配委員會對所有內容的定義一起發佈在名為“巴基斯坦頻率分配表”的文件中。 為了便於參考，我保留了它們的要點，但這裡是甚高頻 (VHF) 頻段：

也就是說，這裡有一個關於合法性的重要說明：RTL-SDR 和這個設置非常強大。 即使您只能訪問巴基斯坦（或您當地）指定的業餘範圍的一小部分，通常範圍從 1,800 KHz 到 250 GHz，但還有其他服務在該頻譜上運行。 您應該知道您可以收聽哪些服務，或者更重要的是不能收聽：在巴基斯坦，就像在英國一樣，您不能收聽任何不適合您或不打算向公眾開放的傳輸，做根據 1996 年《巴基斯坦電信（重組）法》和 2016 年《防止電子犯罪法》，因此可能會在巴基斯坦處以罰款或監禁。無論如何，查閱當地法律完全是您的責任。 在美國，您可以收聽哪些傳輸取決於您當地的司法管轄區。

在拉合爾中繼器上收聽業餘無線電操作員

“你想讓我問一下中繼器是什麼，不是嗎？” 你問。 我很高興你問。

當無線電設備相互通信時，它們都有自己的範圍限制。 想像一下，愛麗絲和鮑勃想互相交談，但他們之間的距離遠遠超過了他們的無線電可以傳輸的距離。 現在，愛麗絲和鮑勃可以升級他們的無線電，但這會很昂貴。 相反，他們可以集中資金並在他們之間安裝中繼器。 中繼器可以是超級強大的，或者只是強大到足以使其傳輸到達它們兩者。

中繼器是一種設備，可以重複它聽到的內容。 它將在一個頻率上聽到的內容複製到另一個頻率上。 中繼器的目的是擴展其他無線電的範圍。 它通常被放置在一個中心位置並且非常高，以便它可以清晰地看到它所覆蓋的區域。 它還可以輸出大量功率，以便很遠的收音機也能聽到它。 在上圖中，我們直觀地看到中繼器如何幫助兩台小型手持無線電進行遠距離通信。 這正是拉合爾中繼器的運作方式，只是功率更大。

拉合爾中繼器的工作頻率為 147.360 MHz*。 在調諧到該頻率之前，請將調製選擇器設置為窄帶頻率調製 (NBFM/NFM)，稍後我們將詳細了解其工作原理。 在該頻率下，您將每五分鐘聽到一系列音調。 我在這里為您錄製了其中一個：

這些音調到底是什麼？ 看看波形會給我們一個線索。

如果您還沒有掌握，這是摩爾斯電碼。 由於此波形表示幅度和時間，因此短嗶聲是點，長嗶聲是破折號。 因此，音頻發出信號.-.. … .-. 解碼為 LHR，拉合爾的城市縮寫。 這告訴您中繼器在線，您已調整到正確的頻率，並且您正在收聽拉合爾中繼器。

在我等待的時候，我請我的朋友和獲得許可的火腿操作員 Badar Jamal，AP2BDR，PARS 拉合爾分會的負責人，在我調到拉合爾中繼器時與我進行快速交談。 我獲得巴基斯坦電信管理局的特別授權，可以在 AP2BDR 等持牌運營商的監督下操作無線電。 談話發生在一個特別糟糕的時候，當時頻譜被嚴重污染，所以有噪音。 此外，儘管我盡最大努力在我和 RTL-SDR 之間拉開距離，但我的傳輸似乎在某些方面壓倒了設備，但下面是對話。 我在 PARS 的呼號擴展名為 AP2ARS/November 下運作。

這就是如何在中繼器上收聽兩個持牌操作員之間的業餘無線電對話。 如果他們在沒有中繼器的情況下進行傳輸，則該過程將是相同的，因為 RTL-SDR 不傳輸。 然而，傳輸設備的設置涉及更多，因為它們必須以與接收頻率不同的頻率進行傳輸。 如果你像我一樣，這給你留下的問題多於答案。 我將在下一節解釋這背後的科學。

從宇宙飛船接收圖片：來自國際空間站的 SSTV 事件

國際空間站（ISS）是環繞地球運行的大型人造衛星。 它是一個空間環境研究實驗室，由五個不同的空間機構共同擁有：NASA（美國）、Roscosmos（俄羅斯）、JAXA（日本）、ESA（歐洲）和 CSA（加拿大），通過一系列複雜的協議和條約。 由於國際空間站是一艘航天器，由機組人員操作，從技術上講它是一艘宇宙飛船，而且由於它繞地球運行，它也是一顆衛星。

國際空間站在國際空間站的業餘無線電台或 ARISS 計劃下運行一項業餘衛星服務。 這項服務讓您可以聯繫國際空間站，在那裡您可以與業餘無線電宇航員交談，但 ARISS 不時會運行特殊的慢速掃描電視 (SSTV) 活動，在窄帶 FM 模式下廣播超過 145.8 MHz 的圖像。 2019 年 8 月 1 日至 4 日期間發生了一起此類事件，稱為 ARISS Garriott 紀念 SSTV 活動。 該活動“慶祝 [d] 宇航員、科學家和業餘無線電先驅歐文·加里奧特的生活和成就，並舉辦了一場 SSTV 紀念活動，其中展示了加里奧特在執行太空任務期間與業餘無線電台合作的圖像。” 他是第一個在太空中進行手術的火腿。

對於這次活動，我將偶極子和 RTL-SDR 放在屋頂上。 不過，信號非常微弱，所以使用我的 RTL-SDR，我只能在異常強的通過時獲得部分圖像。 在接下來的活動中，我使用了替代設備。 然而，其他 PARS 成員在 RTL-SDR 和使用銅管和同軸電纜的自製天線方面取得了更大的成功。 收聽信號的過程與前一個非常相似，只是多了一個步驟：考慮多普勒效應。

名詞：多普勒效應

當聲源和觀察者相互靠近（或遠離）時，聲波、光波或其他波的頻率增加（或減少）。 這種效應會導致經過的警報器音調突然變化，以及天文學家看到的紅移。
- 谷歌

多普勒效應或多普勒頻移是發射器靠近時頻率的明顯變化。 讓我們考慮一下救護車警報器。 當它向我們走來時，它的音調很高，但是當它經過我們時，它會做這種奇怪的事情，聲音會突然改變並變低。 小時候，我總覺得這很奇怪：為什麼救護車司機要這樣對我？ 當我在室內時，他們怎麼知道他們正在經過我？ 事實證明，它發生在每個人身上，而不僅僅是聲音。 多普勒效應在所有波中都很明顯，包括無線電和光。 藍移是恆星在我們看來是藍色的，當它們靠近地球時，波頻率較高，而紅移是當它們看起來是紅色時，當它們遠離時，頻率較低。 為了演示，我推薦這個優秀的視頻。

多普勒頻移在衛星的無線電通信中表現為當衛星向您移動時音高增加，而當它遠離時突然減小。 在 SDR 的瀑布上，它看起來像這樣：

為了彌補這種影響，我在衛星升起時將收音機的頻率保持在略高於 145.8 MHz，在衛星到達頂點時將其調低，並在衛星落下時將其進一步調低。 請記住，雖然我確實收到了部分音頻，但我收到的是以下音頻：

如果你播放這個並運行一個 SSTV 解碼器，比如 Robo36 Android 應用程序，設置為 PD120 模式，你應該得到以下圖像：

向歐文·加里奧特致敬的照片，這是第一個在太空中運作的火腿。 我直接從宇宙飛船收到的真實照片。 使用這張照片，我獲得了 ARISS SSTV 獎。

現在讓我們了解無線電技術的工作原理。

揭秘收音機：魔法背後的科學

好吧，所以，如果你和我一樣，你想知道更多。 一個人對著麥克風說話是如何傳輸看不見的波（甚至是波？），被另一端的另一個神奇盒子拾取（“拾起？”），然後變成聲音？ 這麼多的問題。 讓我們開始。 如果一開始這些概念中的一些沒有意義，請耐心等待直到最後。 讓我們討論：

• 交流電及其產生磁波的方式
• 電磁頻譜和無線電頻率
• 無線電收發器如何將語音編碼成無線電波並從無線電波中解碼

交流電及其產生電磁波的方式

您可能知道直流電，例如當您將 LED 連接到 12V 電池時。 這種類型的電輸出恆定電壓，稱為直流電 (DC)。 如果我們要繪製電線中的電流，我們會得到這樣的結果：

您可能很熟悉流過電線的電流會在其周圍產生一個恆定的磁場。 它看起來有點像這樣：

您可以在此 YouTube 視頻中觀看此效果演示。

不過，DC 對無線電沒有任何作用。 我們使用它更有趣和更致命的兄弟：交流電（AC）。 交流電與直流電不同，因為它不是給負載提供恆定電壓，而是在給與取之間交替。 如果您插入家裡的主電源，您會得到交流電。 在巴基斯坦，我們在 50 Hz 或赫茲下獲得 230 伏交流電（暫時不用擔心赫茲），這與英國相似，但是在北美，您在 60 Hz 下獲得 120 伏電壓。 為簡單起見，我們假設它以 1 Hz 運行。 這是我的主電源的圖表：

現在，關於交流電的有趣之處在於：由於電流的變化，我們現在將在電線周圍引起變化的磁場。 變化的磁場有一個特殊的特性，它們會在它們穿過的電線中感應出電流！ 這稱為電磁感應。 所有的無線電本質上都是電磁輻射和交流波的感應。 這是一個男人用偶極天線運行燈泡的視頻，設置為與我們相同的長度，以及 2 米波段的信號：

順便說一句，2 米波段與我們聽到 AP2BDR 和 AP2AUM 談論的波段相同，但我所說的這個“波段”是什麼？ 當我們了解無線電頻率時，讓我們看看接下來的內容。

無線電頻率和電磁頻譜

電磁（EM）輻射是指在空間中傳播的帶有電磁成分的波。 在上面的視頻中，您看到一個人用偶極天線發射 EM 輻射，然後也接收到它。 這正是我們在實驗中所做的，儘管功率較小。 無線電波是 EM 能量，但它們並不是唯一可以這樣分類的東西。 其他一些例子包括光、電離輻射，如 X 射線和伽馬射線。 所有這些之間的差異是 EM 的振盪速率。 這是在頻率和波長上測量的，有時，對於業餘無線電範圍，表示為“米帶”。 讓我們來看看。

週期是對完整振蕩的名稱，通常在圖表上從峰值到峰值進行測量。 波的“頻率”是它在一秒鐘內通過的周期數，表示它的單位是赫茲 (Hz)。 在上圖中，我們測量每秒 1 個週期或 1 Hz 的頻率。 這意味著 AC 波每秒在電流和電流之間振盪 1 次。

為了理解波長，讓我們直觀地想像一下我們的交流電流在電線中的樣子。 讓我們想像一下時間停止了，我們正在觀察流過電線的未知交流電流。 高峰值是電線正極化的地方，淺谷是電線負極化的地方。

從視覺上看電線，你能以米為單位測量一個週期的長度嗎？ 請記住，從峰值到峰值測量一個週期。 當你有答案時，請繼續閱讀。

您剛剛測量的是電線中信號的波長。 信號波長與其頻率的關係

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

其中$f$是以Hz為單位的波頻率，$c$是以米每秒錶示的光速常數，$\lambda$是波長米，$VF$是速度因子。

$VF$ 由以下等式給出：

$ VF = v/c $

其中 $v$ 是信號通過材料傳播的速度。

現在，讓我們假設信號將在 $c$ 處通過所有材料傳播，使得 $v = c$, $VF = 1$，我們可以簡化我們的等式，使波長變為：

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

你會在很多地方遇到這個簡化的方程，但要明白它只適用於真空中的 EM。

當我們通過完美的天線運行交流電流時，它會非常有效地輻射電磁能量。 這是一個可視化：

請注意電磁輻射如何以與施加到天線的交流電流完全相同的頻率振盪？ 這就是為什麼饋入天線的 450 赫茲交流電流將輻射 450 赫茲信號無線電信號的原因。

在我們上面的實驗中，我們聽到 AP2BDR 和 AP2AUM 以 147.360 MHz*（即兆赫茲或 147,360,000 赫茲*）進行通信。 該頻率的波長為 2.03 米（79.92 英寸）。 這將我們帶到了最後的近似值：米帶。

米帶只是波長的估計。 如果您告訴業餘無線電操作員您使用 2 米波段，他們會認為它是指波長約為 2 米的頻率。

電磁頻譜是指頻率範圍及其分類。 從廣義上講，有 3 大類：無線電波、光和電離輻射，但這三個短語並不能傳達光譜本身的深度。

根據國際電聯的說法，無線電波從極低頻 (ELF) 範圍開始，從 3 Hz 開始，在極高頻率範圍結束，在 300 GHz 結束。 在這個頻率之後，電磁輻射變成光，再遠一點，它變成可見光，再遠一點，它開始以電離輻射的形式變得危險。

無線電收發器如何對無線電波中的語音數據進行編碼和解碼

“一個跨性別——什麼，現在？” 我聽到你問。

收發器只是一種可以發送和接收無線電信號的設備。 我們不一定需要雙方都有收發器； 如果一個人只有一個接收器，則可以發送無線電消息。

有許多信號編碼和解碼方案，但現在我們只討論兩種主要的，我們在上面的實驗中使用的一種：調幅（AM）和調頻（FM）。 如果您已經使用汽車音響一段時間了，那麼您可能對 AM 和 FM 這兩個術語非常熟悉。 讓我們看看它們是如何工作的。

首先，讓我們介紹兩個波形：載波和我們計劃編碼的信息信號。 載波只是以特定頻率振蕩的普通波信號，在我們的記錄中，就像插圖一樣，我們的載波是頻率為 147.360 MHz* 的正弦波（平滑的上升和下降形狀）。 信息信號，是你要編碼的數據，在我們的實驗中，它是 AP2BDR 和 AP2AUM 之間對話的音頻。

在 AM 中，信號通過調製波本身的幅度被編碼到載波中，這意味著載波變得更高，但保持在相同的頻率。 然而，在 FM 中，信號通過調製頻率被編碼為載波，這意味著載波保持相同的高度，但頻率會略有變化。

在我們的談話中，我們使用了 FM。 FM 通常會產生更清晰的音頻，並且比 AM 更能抵抗噪聲或失真，因為失真表現為幅度的變化。 然而，FM 是以使用一系列頻率而不是特定頻率為代價的。 頻率範圍有多寬取決於您的濾波器。 在我們的示例中，我們使用了窄帶 FM (NBFM)； 但是，商業廣播電台使用寬帶調頻 (WBFM)。 這使電台聲音更豐富，更抗失真，但需要更大的頻率範圍。

結論

我們了解了無線電的工作原理和一些無線電規則，我們設置了接收偶極子並使用軟件定義的無線電探索了頻譜，我們學習了無線電波背後的一些基本物理原理以及編碼和解碼信號的基本方法。 收音機可能看起來很神奇，我個人仍然認為它是，但它是一項非常了不起的技術。 在以後的文章中，我可能會討論 GNURadio 以及如何在軟件中模擬無線電功能。

我希望你有興趣了解更多關於無線電的知識。 使用 SDR，您可以探索自己的設備產生的信號，例如來自汽車鑰匙扣或無線門鈴的信號。 請記住確保您在法律範圍內進行實驗。 如果您決定成為業餘無線電操作員，您可以開始傳輸並進行自己的對話！ 在巴基斯坦，如果他們正在培訓你，在他們的監督下，從持牌火腿運營的廣播電台進行傳輸是合法的。 我建議您加入 PARS 或您當地的業餘無線電協會以獲取更多信息。

我發現的關於業餘無線電的最佳資源是 ARRL 無線電通信手冊。 強烈推薦它，雖然這本書的內容乍一看是令人難以置信的技術性，但經過幾次閱讀，它開始變得有意義。 這是一種寶貴的資源，我發現自己經常提到它。 但是，這是一本付費書籍，但如果您想立即開始閱讀，請閱讀《發展中國家無線網絡》的前五章，這是一本免費（如自由）書籍和（免費）電子書，其中涵蓋了 I更詳細地討論。

*注： PARS 要求我不要在線發布真實數據。 這些是技術上準確的示例，但真實的示例僅適用於 PARS 成員。