二元干涉仪SDR接收机测试

# 传统接收机和 SDR 接收机

下面仅就个人目前的理解对 SDR（Software Defined Radio, 软件定义无线电）接收机进行若干阐述，如果对这些都不感兴趣可以直接跳到 RTL-SDR 干扰测试部分。

传统的模拟接收机通常不包括 ADC（数模转化器），信号的处理全在模拟电路上进行。例如老式的对讲机是传统的收发机，作为发射机时，对讲机把声音信号转为电信号，通过 FM（调频）/AM（调幅）的方式把这个电信号的信息加载到指定频率的电磁波上，整个过程被称为编码，然后发射出去。作为接收机时，接收者通过旋钮 / 按键来控制选频电路来指定接收频率，然后通过解调电路（FM/AM 解调）将信号转回声音，整个过程被称为解码，全程是在模拟电路上进行信号处理的。老式的收音机接收、处理信号的过程也类似于对讲机的接收模式，是传统的接收机。

然而模拟的解调电路的功能往往是固定，例如上述的 FM/AM 解调电路，只能按照规定的流程把使用 FM/AM 编码的电磁波解码为声音。但如果电磁波信号是按照另外的格式和顺序（传输协议、通信协议），例如 GNSS 信号、SSTV 信号、GSM 信号，此时还用这个 FM/AM 解调电路解码为声音，只能听到一连串滴滴答答、忽强忽弱的声音，单纯靠人的大脑去分析这些声音到底蕴含的信息是很困难的，只能再做一套相应的模拟解调电路。为了通用性和降低成本，便直接用 ADC 对接收到电磁信号进行采样，然后在数字电路中这些信号进行灵活的解码和处理，例如在 DSP 芯片、FGPA、CPU 中，我们在电脑使用软件对采样进行解码便属于使用了 CPU 这种通用数字电路对信号进行处理。这种加入了 ADC 采样从而减少了模拟电路使用的接收机便称为 SDR 接收机。当然，SDR 接收机也有一些额外的特征，例如可以通过数字电路对 ADC 之前模拟电路的若干参数进行控制（数控电路），例如利用电脑软件可以调节 SDR 接收机前端低噪放的增益值。

# RTL-SDR 接收机架构

性价比较高的 SDR 接收机有 RTL-SDR、Airspy、Hackrf、SDRPlay 等，其中 RTL-SDR 较为便宜，因此目前使用它进行观测。为了能够更好地使用 RTL-SDR，需要了解其内部架构。把常见的蓝壳 RTL-SDR 拆开后，其结构如下，主要包含 R820T 调谐器芯片、RTL2832U 解调器芯片、28.8MHz 的石英晶振、USB 接口等：

书上常见的接收机是由低噪放、混频器、滤波器、ADC 等器件组成，例如下面两张图所示，第一张图是传统的超外差接收机，即接收到的射频信号（RF）经过混频器（Mixer）下变频后得到了中频信号（IF），解调器直接对中频信号经过解调输出声音信号。第二张图是采用了超外差结构的 SDR 接收机 ，射频信号经过两次混频进行下变频，然后被 ADC 采样输出 IQ 两路数字信号。

RTL-SDR 接收机的结构也类似，只是其各种射频器件均被集成到了 R820T 和 RTL2832U 这两个芯片中，芯片上留有若干引脚来输入和输出信号，从而和其他分立元件 / 芯片相互连接在电路板上形成 SDR 接收机，各芯片内部的原理图如下图所示。

其中 R820T 为调谐芯片，包括射频可变增益低噪放、带通滤波器、混频器、中频低通滤波器、可变增益中频放大器，用来对接收到的射频信号（RF）进行放大、选频、下变频等操作，输出中频信号（IF）。整体是模拟射频电路，充当 RTL2833U 的射频前端。

RTL2832U 为解调芯片，即用采样率为 28.8MHz 的 ADC 对 R820T 输出的中频信号进行采样，得到总带宽为 28.8MHz 的中频信号，然后进行数字下变频（DDC）、抽取（例如采样因子为 12，则降采样后的带宽降为 2.4MHz），输出基带信号，即 8bit 的 IQ 信号。整体主要是数字电路，相当于上述所提到的 DSP 芯片，同时也能对 R820T 芯片中的射频 / 中频放大器增益进行控制。

为什么不直接 ADC 采样后输出带宽为 28.8MHz 的宽带信号，而是要进行下变频和抽样后再输出基带信号，主要是为了减少后面处理基带信号的压力，尤其是老式的电脑。

频率基准由 28.8MHz 的石英晶振提供，可为 R820T 的混频器提供本振，也为 RTL2832U 中的 ADC 采样提供时间基准（秒脉冲信号）。

需要指出的是，实际上 RTL2832U 有两个 ADC，可以采两路中频信号（所谓的 I 路和 Q 路），上图只给出了 I 路的 ADC，I 路的 ADC 对中频信号采样后，在 RTL2832U 的数字电路中输出 IQ 两路信号。更为具体的结构见于下图。从图中可以看出，RTL2832U 芯片中含有 DVB-T 的解码器，使用该解码器可以直接输出 mpeg 数据流，不过我们在 SDR 模式下未使用该解码器，而是直接输出 IQ 信号，从而在电脑上解码。

R820T 调谐器工作频率较高，无法接收低于 30M 的射频信号。但是由于 RTL2832U 的 Q 路未被使用，因此可以直接使用飞线跳过 R820T，使得低于 30M 的射频信号直接被 RTL2832U 的 Q 路 ADC 直接采样，如下图所示。由于 ADC 的采样率为 28.8MHz，因此只能只能接收 0-14.4MHz 的短波信号。

如果想制作相干的接收机，即类似于多个天线组成的相控阵接收机，可以使几个 RTL-SDR 都共用一个晶振，让它们有共同的频率和时间基准，例如下图：

# RTL-SDR 干扰测试

常见用来处理 RTL-SDR 输出 IQ 基带信号的软件有 GNURadio、SDRsharp 等，当然也可以使用 python 和 matlab 的库来使用 RTL-SDR。在此使用 Windows 上常用的 SDRsharp 作为处理软件，它有众多基础功能和可供使用的插件。

点击右上角的设置齿轮图标，可以调出 RTL-SDR 的控制器，如下图所示：

可以看出这个 RTL-SDR 使用的调谐器芯片是 R820T

其中 Sample Rate 用来设置 RTL-SDR 最终的采样率，建议的设置是 2.048 或 2.4MSPS，也可以设置为 2.8MSPS，相当于接收机的瞬时采样带宽为 2.8MHz。

Sampling Mode 为采样模式，一般设置为 IQ 两路正交采样，如 RTL2832U 中 Q 路的 ADC 被使用，也可以设置为 Q 路直采，这样就可以处理 0-14MHz 的短波信号。

另有 RTL AGC、Tuner AGC 两个自动增益是否开启选项。RTL AGC 开启 RTL2832U 芯片内部自动增益控制 （AGC） 算法，Tuner AGC 启用 R820T 的 AGC。不过 RTL-SDR 中使用的 AGC 设计是用于宽带 的 DVB-T 信号，不能很好地与窄带信号配合使用。

建议始终使用手动增益控制（RF Gain 滑块）来优化信号的增益。对于随意浏览，打开 Tuner AGC 可能就足够了。RTL AGC 几乎从未使用过，因为它往往只会引入大量不需要的噪声。

Frequency correction (ppm) 用来校正 RTL-SDR 中低质量的石英晶振而产生的频率偏移，关于频率偏移的原因可见于关于晶振频率偏差（Frequency Tolerance ）与频偏（Frequency Deviation）。

在此仅仅对测试中遇到的问题做一些阐述，主要还是打算排查影响观测的干扰从哪里来。

# 电脑充电器的干扰

如果使用劣质的电源适配器，当插上给电脑充电时，整个频谱的底噪会抬高，这一部分可见于充电器对频谱底噪的影响

# R820T 低噪放自激

RTL-SDR 不接任何设备，采样率设置为 2.4MSPS，RF Gain 设置为 20.7dB，调谐到 1425MHz，其频谱图和瀑布图显示如下（暂时不考虑 1425MHz 调谐频率的信号）

把 RF Gain 逐渐调高到 30dB 左右，仍然调谐在 1425MHz，其频谱图和瀑布图显示如下，会发现 1425.62MHz 附近出现一个尖峰，这应该是 R820T 中射频 LNA 产生自激了或者它的 AGC 电路产生震荡之类导致的。也可以尝试调谐观察其他频率，会发现其他频率也会出现若干尖峰。

# 采样率对调谐频率处的峰和 LNA 自激峰的影响

把采样率设置为 2.8MSPS，RF Gain 仍在 30dB 左右，其频谱图和瀑布图显示如下。可见调谐频率处的尖峰消失，同时 LNA 自激产生的峰也发生了频偏。

# 长 USB 扩展线的干扰

在室外使用增益 15dB 的八木天线 + 20dBi 的宽带低噪放（0-6GHz）+1425MHz 附近的带通滤波器 + RTL-SDR，RTL-SDR 的采样率设置为 2.8MSPS。之前使用 20dBi 增益的栅格抛物面时未遇到过该问题，可能是现在使用的是增益为 15dBi 的八木天线，有较为大增益的旁瓣和后瓣，因此易受 USB 扩展线（长度为 1m 左右）的影响；也可能是 USB 数据线中的数字信号收到了其他干扰信号的串扰。

具体的影响如下图所示（这里的每个曲线都是几秒时间内频谱的积分平均），其中蓝色为通过长 USB 扩展线把 RTL-SDR 连接到电脑上，绿色为 RTL-SDR 直接插到电脑上。可以明显看见蓝线有周期约为 50KHz 左右的小尖峰。其中在 1425.62MHz 附近是上述 R820T 低噪放的自激，经过 USB 扩展线传输后水平明显升高。蓝线最左边的的两个高峰看起来是绿线上原来较小的两个峰，也说明经过 USB 扩展线后水平明显升高。

尝试调谐到 1430MHz，结果如下图所示，发现仍然有周期为 50KHz 左右的小尖峰，可见是个宽频的干扰。

# 不加滤波器的结果

在室外使用两套（增益 15dB 的八木天线 + 20dBi 的宽带低噪放），观测 1430.5MHz，共有两路输出，连接到合路器的两路输入，合路器的输出不接滤波器直接连接到 RTL-SDR 上，RTL-SDR 的采样率设置为 2.4MSPS。

（图上的注释是错误的，只需关注频谱和瀑布图）下面黄色的瀑布图为两个低噪放没加电的状态，可以看到明显的 R820T 中射频 LNA 自激。橙色是仅一个低噪放加电时的瀑布图，由于没加滤波器，可能 RTL-SDR 已经过载了，产生了更为严重的自激，尖峰刚开始会随时间漂移（可能采样都漂移）且关于调谐频率对称。

（图上的注释是错误的，只需关注频谱和瀑布图）橙色的瀑布图为刚才仅一个低噪放加电的状态。红色的瀑布图为两个低噪放同时加电时的瀑布图，由于没加滤波器，可能 RTL-SDR 已经过载了，产生了更为严重的自激，尖峰刚开始会随时间大漂移，然后逐渐小漂移。且有明显周期为 50KHz 的漂移小条纹，这个估计就是之前 USB 线的干扰，在这里只是更加肉眼可见了。

这样看来所有的信号都在漂移，说明用宽带低噪放但是不加滤波器的话，带外的信号可能很强从而导致接收机过载，产生很糟糕的影响，甚至烧坏接收机。

各接收机最大功率如下所示，我在所有低噪放都加电的情况下，把合路器的输出连接到了 HackRF 上，目前它的接收电路估计已经被烧坏了，因为我用它收不到任何信号。

接收机	最大功率	最大功率
HackRF	– 5 dBm	0.3 毫瓦
RTL-SDR	+10 dBm	10 毫瓦
ADALM Pluto	+2.5 dBm	1.8 毫瓦
BladeRF	+2.5 dBm	1.8 毫瓦
SDRplay RSP1A	0 dBm	1 毫瓦