使用RTL-SDR和Matlab Simulink玩转软件无线电（五）

1.6 RTL-SDR 硬件

RTL-SDR的硬件本来是用于DVB-T接收的，用户购买后可以插在电脑上观看数字电视。这个设备的设计初衷并不是SDR设备，我们要感谢大量的SDR爱好者，是他们发现了此款设备的潜力。他们发现了这个设备可以设置为测试模式，把DVB解码模块绕开，并且把设备调谐到25MHz到1.75GHz的范围，直接产生了8位的原始IQ数据，并且基带采样率也可以设置。

1.6.1 设备操作

RTL-SDR中的两个主要组件是调谐器R820T（少部分是E4000）和RTL2832U解调器。一些爱好者发现这个解调器可以设置成测试模式，这种模式中，设备可以作为IF数字广播接收机使用，相当于一个高速ADC，直接输出原始正交采样信号，分辨率是8位。然后人们把这个设备更名为RTL-SDR，意义是Realtek公司生产的可改造为SDR的设备。

图1.8展示了RTL-SDR的主要信号处理流程。射频RF信号进入调谐器后使用一个VCO下变频到low-IF。VCO可以用程序控制，RTL2832U通过I2C总线控制它。然后经过AGC，这个部分动态调整输入信号的幅度，使输出的信号保持在设备的允许范围。然后把中频IF信号变到基带。这一步的经典做法是把IF信号经一个抗混叠滤波器，用ADC采样然后用正交NCO把信号变到基带（可以用频率为与IF相同等的正弦信号完成这个操作）。

RTL2832U在原本的情况下会把基带IQ信号经过DVB-T解调，输出MPEG2-TS格式的视频流，然后从USB接口输出。在测试模式下，最终的解调模块被跳过，8位IQ数据直接输出。尽管RTL-SDR、RTL2832都没有公开的官方文档，R820T、E4000这两种调谐器的数据表示却可以在网上找到。另外有一个日本人写的博客在尝试设计原理图，来说明如何连接这些组件。

1.6.2 RTL-SDR一个只能收信号的设备

我们需要明确知道，RTL-SDR只能收不能发。幸运的是你身边有很多现成的RF信号（如图1.5），这样你不需要花太多功夫就能用RTL-SDR收到东西。你会发现你家里或者办公室有不少能发射信号的设备，各种温度传感器、报警器、车钥匙、无线门铃。

之前说过，有钱人或者需要给学生上课和其他实验室应用的可以考虑买一个SDR发射机，有很多可以买，比如USRP，加上RTL-SDR你就能研发通信系统。本书会讲到很多这样的例子。

1.6.3 RTL-SDR的驱动：小故事

用RTL2832U芯片的DVB接收设备本来只有windows驱动。2010年Realtek公司发布了一本操作手册给Linux开发者，希望Linux开发者能开发一套类似的用于Linux系统的驱动和软件。Eric
Fry就是其中之一，他花了很多时间来观察设备从USB口传出来的数据，并且写了一套Linux下的驱动。

2012年，芬兰的一个学生Antti Palosaari在V4L GMANE开发者论坛上说，他能够用RTL的DVB设备来侦听无线电信号。他发现如果设备工作于FM或者DAB（数字广播）模式，它的工作方式与平时是不同的，会直接输出原始的未解调信号，后期的解调工作是在电脑上用软件进行的。他捕捉了17秒的广播信号数据，并且在网上询问是否有人可以用软件来解调这个信号。36小时后，在各种网友的合作下，他发布消息称“我可能发现了一种超级廉价的SDR设备”。

这个发现使人们进一步研究了RTL-SDR的USB协议。调谐广播时发出的命令被记录下来，然后人们用这种命令来强制设备工作与这个测试模式。RTL2832U在这种模式下会直接输出8位的基带IQ信号，而不是经过解调的视频流。Osmocom的一些开发者，之前也有开发另一款’osmo-sdr’的经验，他们也加入其中，他们能够通过软件控制RTL2832U进而控制调谐器。

RTL-SDR在2013年爆发了，很多设备和软件都出现了。根据网上的情况来看RTL-SDR作为SDR设备的使用率远远超过了DVB接收机的使用率。NooElec公司大批量生产了这类改造后的设备，设备中使用了R820T调谐器，可以接收25MHz到1.75GHz的信号，采样率可以达到2.8MHz。

1.6.4 RTL-SDR调谐和解调

RTL-SDR不是图1.6和图1.7(c)中最理想的SDR，因为它的ADC不是宽频的，提供不了GHz的采样率。实际上有两种不同结构的RTL-SDR，下方详细说明。后文中我们提到设备硬件一般会以第一种结构的RTL-SDR为主，它可以看作是图1.7(b)中的IF数字SDR。

R820T+RTL2832U组合 R820T和R820T2的调谐器使用了3.57MHz的低中频low-IF，把6MHz带宽的RF信号下变频到中频。输出的信号作为IF采样值传给RTL2832U，RTL2832U把调谐到中频信号的频率，这样就把中频信号从中频下变频到基带。然后，RTL2832U使用28.8MHz的ADC来采样这个信号，并输出正交IQ信号。为了降低采样率，还做了抽取操作，采样率降为2.8MHz左右，然后把采样值输出到USB口。图1.11展示了这个结构的处理过程，也展示了关键的几个步骤的频谱。

E4000+RTL2832U组合 E4000调谐器与R820T不同，它直接下变频到零中频zero-IF。也就是说它直接把宽频RF信号（10MHz）下变频到基带，而没有IF这一级，然后进行正交解调。基带IQ信号输出给RTL2832U，采样，抽取，输出给USB，这一步和第一种结构相同。E4000在2012年停产，所以使用E4000的设备越来越少。你更可能买到的是R820T+RTL2832U的组合。

我们来讲讲实际工作中的RTL-SDR，假设你要接收一个标准的FM信号，频率是102.5MHz。你要把中心频率fc设置成102.5Mhz，然后使用一个合适的调谐器增益。信号被调谐器（R820T或E4000）下变频到中频或者零中频，然后RTL2832U使用28.8MHz进行采样，并输出基带IQ信号给电脑。到此为止，这个信号还是原来使用FM调制的信号，还未被解调只是搬移到了基带，需要进行解调才能变为声音信号。你接下来在本书中会看到如何使用Matlab或Simulink来解调信号，并实时地把广播中解调出的声音信号用喇叭播放出来。

RTL-SDR的输出采样率是可以设置的，降低采样率会提高基带处理的性能，尤其是在老式电脑上更为重要。把fs设置成2.4MHz，相当于在RTL2832U的抽取因子设为12（因为ADC的采样率是28.8MHz），也就是说12个IQ采样中只有一个被输出给电脑。这样降低后的采样率意味着带宽降到了2.4MHz（注意这是一个复数信号），他的范围是-1.2MHz(-fs/2)到1.2MHz(fs/2)，如图1.11。2.4MHz的带宽意味着，你调谐到一个FM电台的同时，会把附近的其他几个频率的FM信号也收到了。FM电台在英国的间隔是200kHz，所以我们最多能收到12个电台因为12x200kHz=2.4MHz。因此我们需要用数字滤波器把不要的电台信号过滤掉，之后再进行FM解调。

之前说了，R820T的调谐器范围事25MHz到1.75GHz，fc可以设置成这个范围内的任何值。E4000也是类似，它支持的范围是53MHz到2.2GHz，但其中1.1GHz到1.25GHz不支持。如果你把fc设置在这一段不支持的频率，E4000无法把信号下变频到基带。

1.6.5 NooElec NESDR RTL-SDR接收机

第一代NooElec NESDR RTL-SDR跟一个U盘差不多大，还会送天线和遥控器（只在作为数字电视接收机时有效），但是没有软件和文档。这是因为用户需要根据自己的需求自己写程序。2014年左右，NooElec开发了新的RTL-SDR的PCB板子，大概只有2平方厘米，并且组件换成了高质量的带屏蔽罩的（如图1.2），来解决干扰问题。这些都可以在nooelec.com买到。

图1.9展示了NooElec卖的最好的NESDR Mini和NESDR Nano的部件说明，包括：

MCX连接器
用于连接天线（设备自带的全向天线）

ESD二极管
用来保护调谐器免受天线的静电影响

R820T 调谐器芯片，它用来选择RF频段并下变频到中频

RTL2832U 解调芯片，把中频信号下变频到基带，数字化采样并降低采样率

28.8MHz的时钟晶体
用来作为频率合成的参考，用它可以产生本地振荡器和时钟（这个组件R820T和RTL2832U同时使用）

USB 2.0接口 RTL2832U的一部分，用来把基带IQ信号传给电脑

IR传感器
用来接收红外遥控信号，当设备作为IF SDR使用时，这个模块不可以使用

串行EEPROM 保存USB设置信息，并且通过I2C总线与RTL2832U连接。