第26卷第7期 电子设计工程 2018年4月Vol.26 No.7Electronic Design Engineering Apr.2018 l彳R T L-S D R的较件无残电辏收机锬针石剑，蒋立平，王建新(南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094)摘要：本文利用R T L-S D R软件无线电接收机，搭建了能够在windows桌面上运行的软件无线电接 收机框架，并利用该框架和实际使用的F M调频广播系统的结构，实现了F M调频广播的接收与解 调。

该接收机能够动态调节接收频带范围，并实时显示功率谱结构，最后将解调后的FM信号以声 音的形式展示出来。

关键词：软件无线电；RTL-S D R; F M;解调中图分类号：T N911.3 文献标识码：A文章编号：1674-6236(2018)07-0073-04 The design of software-defined radio receiver based on RTL-SDRSHI Jian, JIANG Li-ping,W A N G Jian-xin(School of E e lectronic and Optical Engineering y Nanjing University of S cience and Technology,Nanjing210094, China)Abstract：This paper s et up a software framework of software- defined radio that i s able t o run on Windows desktop based on R T L-S D R,and used the framework and the structure of commercial F M system t o receive and demodulate F M signal.The receiver can dynamically adjust i t s frequency bandwidth, and displays the power spectrum structure of the signal that i s received, f i n a l l y displays the demodulated F M signal in the form of sound.K eyw ords：software-defined radio; R T L-S D R; F M; demodulation随着无线通信技术的发展，传统的通信系统由 于对硬件的要求比较高，已不能满足现代通信系统 多标准多体制的要求m。

这时,一种新型的无线电应 用思想软件无线电逐渐发展起来。

根据定义[2]:软件 无线电是一种新型的无线电体系结构，它通过硬件 和软件的结合使无线网络和用户终端具有可重配置 能力。

软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案，可以通过软件的更新实现系统功能的变化。

最早的软件无线电平台是由美军研发的“易通 话”系统[3]。

其工作频带为2M H z~2G H z,能够兼容 美军15种以上的无线电平台。

之后软件无线电得 到迅速发展，但由于其设备价格髙昂,一般的中小型 企业和个人难以使用[4]。

本文采用的RTL-S D R作为 一款非常廉价的软件无线电接收机设备，非常适合 个人的学习和使用。

1 RTL-SDR的硬件结构和功能RT L-S D R是一个非常廉价的家用消费档次的 U S B接口的软件无线电接收机。

它由Realtek公司 的R TL2832U芯片和一个R820T调谐器组成。

它能 够接收周围空间中25 M H z到1.75 G H z之内的射频 信号,并将其下变频到基带，从U S B接口输出数字化 的8位采样信号。

其结构示意图以及工作流程如图 1所示。

从图1可以看到，该接收机在内部共进行了两 个流程：从R F到IF的模拟信号处理和从IF到基带 的数字信号处理。

RT L-S D R的压控整荡器（V C0)的振荡频率可 以由RTL2832U的I2C接口控制。

设其频率为厶，则 ■4=乂 _々，其中，4是中频频率，乂是待接收信号 的载波频率。

例如，当需要接收一个载波频率在 400 M H z的信号时，需要将其下变频到基带。

由于收稿日期=2017-04-18 稿件编号=201704122作者简介：石剑（1993—),男，安徽宿松人，硕士研究生。

研究方向：通信与信息系统。

《电子设计工程》2018年第7期Rafael Micro R820T Silicon Tuner RTL2832U - Digital IF to Baseband Receiver functionality图1 RTL-SDR信号处理过程1182(^的中频频率>4= 3.571\11^，故¥(：0的振荡频率为人=400 - 3.57 = 396.43 M H z，[cos 27T(400e6>] x [cos 2TT(396.43e6>] = |[cos 2TT(3.57e6> + cos 2TT(796.43e6>]。

混频后796.43 M H z的高频分量会被R820T的中频段 低通滤波器衰减掉，只有3.57 M H z的中频分量会进 入下一步的处理阶段。

信号到达中频段后，其带宽约为6 M H z,通过 A G C动态调整其幅度后，需要对其进行采样将其变为数字信号，采样频率为/_= 28.8 M H z，采样位数为8位。

采样后的数字信号经过数字正交下变频变换为 基带信号。

数字正交下变频即将信号分为两路，分别乘以cos 2t t厂’n与sin2t t厂’n，用指数形式表7KJ adc J adc^，fif r。

fif7^cos2tt-7—n+j sin2ir-^—n-eJ adc J adc为了进一步降低软件的计算压力，减少数据量，须对基带信号进行抽取，将其采样频率降低为约 2.8 M H z(该采样频率可控）。

最后，将这两路IQ数字 信号从U S B接口输出至计算机，由软件来进行数字 信号处理(D S P)。

2接收机的软件框架为了方便使用，厂商已经提供了 R TL-S D R的驱 动程序和动态链接库。

将R T L-S D R连接到计算机 后，安装好驱动程序，直接调用动态链接库函数就可 以控制R T L-S D R的各种参数，如采样频率，中心频 率等。

将采样数据通过U S B接口传输到计算机后，即可以通过软件来进行各种数字信号处理。

随着技术的进步、多核处理器的发展以及语言 的支持，计算机已经可以非常方便快捷的进行多线 程编程[5]，这对软件无线电来说具有非常重要的意 义。

软件无线电最大的一个问题是需要实时处理，这就对软件的算法和计算机的计算能力提出了很高 的要求。

而多线程编程通过并行处理，使软件的计 算速度有了很大的提升。

本文所采用的软件无线电接收机框架如图2所 示。

可以看到，该框架总共分为4个流程，可以分别 由4个独立的线程完成。

线程1负责将接收机接收 的数据放入缓存中，避免因后续处理速度慢而造成 数据的覆盖缺失。

线程2负责对原始数据进行预处 理。

线程3负责对信号进行功率谱估计并显示。

线 程4负责对接收到的F M信号进行解调并输出。

图2接收机软件处理框架3 FM广播解调接收3.1功率谱估计F M广播在世界上的大部分国家都有相同的标 准，其频率范围为88〜108 M H z，每个电台的频带宽 度为200 k H z。

而RT L-S D R的采样频率为2 M H z 以上，所以输出到计算机的数字信号中包含有多个 F M无线电台的信号，这可以通过实时的功率谱监视 窗口看到，如图3所示。

当前设置的中心频率为97.5 M H z，采样频率为2.4 M H z。

所采用的功率谱估计算法需要兼顾准确性与实-74-石剑，等基于RT L-S D R的软件无线电接收机设计图3功率谱估计显示窗口时性，文中采用的算法为Welch法[6_7]，即加窗处理与 时域平滑相结合的方法。

先对信号进行重叠的分 段，为了减小方差，Welch建议有50%的数据重叠。

然后对每一段信号进行加窗处理，利用周期图法求 出每一段的功率谱估计。

最后将所有的功率谱估计 取平均得到最终的功率谱估计。

Welch法可以很好 的改善谱估计曲线的平滑性，并提高谱估计的分辨 能力[8]〇3.2正交下变频无论是从功率谱估计显示窗口（上方)还是时频 显示窗口（下方）都可以看到，在当前的频带范围乂- 4到乂+4即％.3 M H z到98.7 M H z内，有两个电台正在进行广播，中心频率分别是97.5 M H z和 96.9M H z。

需要说明的是，这两个中心频率是通过 计算得到的，RTL-S D R输人到计算机的是基带信 号，所以这两个频率对应的为0 H z和-0.6 M H z。

当选择中心频率为96.9 M H z的电台时，需要将其基带 中心频率搬移到0 H z，即将接收到的信号乘以，其中，乂为信号的基带中心频率，在这里等 于一0.6M H z，乂为采样频率，等于2.4 M H z，几为接收 到的数字复信号的下标。

3.3抽取采样频率为2.4 M H z,而F M电台的频带宽度为 200 kHz，为了不影响信号所携带的信息而尽可能地 降低数据速率，需要进行12倍抽取。

抽取之前，需 要进行滤波来滤除其它电台以及防止频谱混叠' 本文的抽取结构中，采用多个半带滤波器级联加FIR滤波器的结构，如图4所示。

图4抽取结构半带滤波器的幅频响应如图5(a)所示，而FIR 滤波器的参数需要可控以满足不同的抽取要求。

利 用窗函数设计法[1°]来生成FIR滤波器，理想低通滤波器的冲激响应为A⑷=sin c2+，其为无限长序列，且是非因果的，需要利用一个窗函数来截断，该 窗函数和滤波器阶数可由软件控制。

图5(b)为生成 的用来进行3倍抽取的FIR滤波器。

(b)图5滤波器幅频响应3.4 FM解调算法调频信号的表达式如下所示：&⑴=4cosWj +〜⑴），如调制信号为单音信号si(t)=Ai cos(2t t/^) ,j3!j：d jJf)= 2^Kfm Ai x /1cos(2t t/.^)^=2警聲=-^sin(2T r/^)=亨s in(2T r/，）=Pfia sin(27r/.^)其中，4/*称为最大频偏，&称为调频指数。

F M广播中规定最大频偏A/为75 kHz,最高调 制频率/；为15ffiz，故调频指数~= 5。