W0007关于软件定义无线电
一、什么是软件定义无线电（SDR）？
- 传统无线电：功能由硬件电路决定（如滤波器、调制解调器等），改功能就得换硬件。
- SDR：尽可能把信号处理交给软件完成，只需更换软件就能支持不同频段、不同调制方式（AM/FM/SSB/数字信号等）。
核心思想：用通用硬件采集射频信号，用计算机软件进行解调、分析和处理。
二、什么是射频信号？
射频信号（Radio Frequency Signal，简称 RF 信号）是指频率范围在 3 kHz 到 300 GHz 之间的电磁波信号。这个频率范围被广泛用于无线通信、广播、雷达、卫星通信、Wi-Fi、蓝牙、移动通信（如4G/5G）、遥控设备等众多领域。
射频信号的基本特点：
- 频率高、波长短
相比音频或低频电信号，射频信号的频率更高，因此可以携带更多信息，适合远距离无线传输。 - 以电磁波形式传播
射频信号通过天线发射后，以电磁波的形式在空间中传播，接收端通过天线接收并解调出原始信息。 - 可调制性
射频信号通常作为“载波”，通过调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）或数字调制方式（如QPSK、OFDM等）将信息加载到载波上进行传输。 - 穿透性和绕射能力有限
高频射频信号（如毫米波）容易被障碍物阻挡，而低频射频信号（如中波、短波）具有更强的绕射和穿透能力。
常见射频应用频段举例：
| 应用 | 典型频段 |
|---|---|
| AM 广播 | 530–1700 kHz |
| FM 广播 | 88–108 MHz |
| 电视广播 | 54–890 MHz |
| Wi-Fi（2.4 GHz） | 2.4–2.4835 GHz |
| 5G 移动通信 | 600 MHz – 39 GHz（含毫米波） |
| 蓝牙 | 2.4 GHz |
| GPS | 1.575 GHz |
射频系统的基本组成：
- 信号源：产生原始信息（如语音、数据）
- 调制器：将信息加载到射频载波上
- 功率放大器：增强信号强度以便远距离传输
- 天线：发射或接收电磁波
- 接收机与解调器：从接收到的射频信号中还原原始信息
简而言之，射频信号是实现无线通信的核心载体，它让我们的手机、无线耳机、卫星导航、广播电视等现代技术成为可能。
三、一个具体的例子
先记住核心逻辑（比喻版）
- 你的声音 = 要运输的 “乘客”（低频，走不远）
- 射频信号 = 高速火车（高频，能远距离跑）
- 调制 = 把乘客送上火车（让音频 “附着” 在射频上）
- 发射 = 火车出发（射频带着音频发射到空中）
- 解调 = 收音机把乘客从火车上接下来（把音频从射频上剥离）
- 发声 = 乘客下车（音频驱动喇叭发出声音）
完整过程拆解（以 FM 广播为例，你日常听的最多）
整个过程分发射端（电台） 和接收端（收音机） 两部分，共 8 步：
第一步：声音变成电信号（发射端）
你说话 / 主播播音的声音是机械波（空气振动），电台会用麦克风把这种机械振动转换成音频电信号（低频，频率 20Hz–20kHz）。
- 特点：这个信号频率太低，直接发射的话，电磁波波长太长，需要几十公里的天线，根本没法实现，所以必须 “搭车”。
第二步：产生高频射频载波（发射端）
电台的发射机生成一个高频射频信号（比如 FM 广播的 88–108MHz），这个信号就是 “火车”，也叫 “载波”。
- 举例：你听的 FM93.8MHz，就是这个载波的频率，是电台专属的 “火车轨道”。
第三步：调制（把音频 “挂” 到射频上）
这是核心步骤！发射机会通过调制器，把音频信号 “叠加” 到射频载波上。
FM 广播用的是频率调制（FM） —— 音频信号的强弱变化，会让射频载波的频率轻微变化（但幅度不变），就像：
- 音频音量大 → 火车速度略快
- 音频音量小 → 火车速度略慢（对比：AM 广播是幅度调制，火车速度不变，车厢高度随音频变化）
第四步：放大信号（发射端）
调制后的信号功率很小，需要功率放大器放大（比如电台发射功率几十千瓦），才能传得远。
第五步：通过天线发射（发射端）
放大后的信号送到发射天线，天线把电信号转换成电磁波，发射到空中（以光速传播）。
第六步：收音机接收信号（接收端）
你的收音机天线会捕捉到空中的电磁波，转换成微弱的电信号。
- 收音机的 “调台” 功能 = 选特定频率的射频信号（比如只选 93.8MHz），过滤掉其他频率的信号。
第七步：解调（把音频 “拆” 下来）
收音机的解调器会把射频载波上的音频信号剥离出来，还原成最初的低频音频电信号。
第八步：放大并发声（接收端）
音频电信号经过音频放大器放大后，送到扬声器（喇叭），喇叭把电信号转换成机械振动（空气振动），你就听到了声音。
为什么 FM 比 AM 音质好？
- FM 用频率调制，抗干扰能力强（比如雷电、电器干扰只会影响幅度，不影响频率），所以音质清晰；
- AM 用幅度调制，容易被干扰，音质差，但绕射能力强（能绕开建筑物 / 山脉），传得更远。
关于评率的高低影响
频率越低 → 波长越长 → 绕射越强 → 传得越远
频率越高 → 波长越短 → 越像光线 → 传得越近
四、SDR 的基本工作原理
- 天线接收空中电磁波；
- SDR 硬件（如 RTL-SDR）将射频信号下变频并数字化（ADC 转换）；
- 数字信号通过 USB 传给电脑；
- 软件（如 SDR#、GQRX、CubicSDR）对信号进行：
- 频谱显示（看频率分布）
- 解调（听声音、解码数据）
- 记录、分析、转发等操作。
![简化流程：天线 → SDR设备 → USB → 电脑软件 → 用户]
五、SDR 的核心组成部分
| 组件 | 说明 |
|---|---|
| 天线 | 接收特定频段的信号（可自制或购买） |
| SDR 接收器 | 将模拟射频信号转为数字信号（关键硬件） |
| 电脑/树莓派 | 运行软件，处理数据 |
| 软件 | 控制频率、带宽、解调方式等 |
六、常见 SDR 硬件（按价格和性能排序）
| 设备 | 价格（约） | 频率范围 | 特点 | 适合人群 |
|---|---|---|---|---|
| RTL-SDR（基于 RTL2832U 芯片） | ¥80–200 | 24 MHz – 1.7 GHz | 超高性价比，社区支持好 | ✅ 新手首选 |
| Airspy R2 | ¥800–1000 | 24 MHz – 1.8 GHz | 动态范围更好，抗干扰强 | 进阶用户 |
| SDRplay RSP1A | ¥1000 左右 | 1 kHz – 2 GHz | 灵敏度高，支持 HF（短波） | 短波爱好者 |
| HackRF One | ¥2000+ | 1 MHz – 6 GHz | 可收可发（半双工） | 开发者/研究者 |
| USRP / LimeSDR | ¥3000+ | 宽频段，高性能 | 专业级，支持 5G/WiFi 实验 | 科研/高校 |
注意：在中国，未经许可不得发射无线电信号！像 HackRF 这类能发射的设备需谨慎使用，仅限接收或实验室环境。
七、你能用 SDR 做什么？（超多有趣项目！）
1. 收听各种广播
- FM 广播（88–108 MHz）
- AM 中波/短波广播（需支持 HF 的设备）
- 航空通信（118–137 MHz）：听飞行员与塔台对话
- 海事通信、铁路调度、出租车对讲（部分地区开放）
2. 追踪飞机（ADS-B）
- 频率：1090 MHz
- 软件：dump1090 + Virtual Radar Server
- 效果：在地图上实时看到附近飞机的位置、高度、航班号！
3. 接收气象卫星云图（NOAA / Meteor）
- 卫星过境时自动发送图像
- 需要：VHF 天线（如 QFH 或 Turnstile）、SDR、解码软件（WXtoImg / SatDump）
- 成果：自己接收到的地球云图！（如下图风格）
[想象一张黑白/彩色的地球云图，由你自己接收]
4. 解码数字信号
- POCSAG：医院/消防寻呼机信息
- ACARS：飞机与地面的文字通信
- APRS：业余无线电位置信标
- LoRa / ISM 频段信号：物联网设备通信（需合法）
5. 深空/卫星通信（进阶）
- 接收国际空间站（ISS）的 SSTV 图片
- 与业余无线电卫星通联（需执照+发射设备）
6. 科研与安全研究
- 分析遥控器、无线门铃、汽车钥匙信号（仅限合法用途！）
- 学习调制解调原理（BPSK, QPSK, OFDM 等）
八、新手入门步骤（以 RTL-SDR 为例）
第 1 步：购买设备
- 推荐套件：RTL-SDR Blog V3（带 HF 模式、金属屏蔽壳、天线）
- 淘宝/京东搜索 “RTL-SDR V3” 即可，约 ¥150
第 2 步：安装驱动和软件
- Windows：用 Zadig 安装驱动，运行 SDR#（SDRSharp）
- macOS：用 GQRX 或 CubicSDR
- Linux：GQRX、SDR++、rtl_sdr 命令行工具
第 3 步：连接天线，打开软件
- 插上 SDR，接上天线（原装 telescopic 天线即可）
- 打开 SDR#，选择频率（比如 100.0 MHz 听 FM 广播）
- 调整增益、带宽、解调模式（WFM 用于 FM 广播）
第 4 步：尝试项目
- 先听 FM 广播 → 再听航空 → 再试试 ADS-B 飞机追踪
- 加入中文社区（如“无线电论坛 QRZ.CN”、“B站 SDR 教程”）
九、常用软件推荐
| 软件 | 平台 | 特点 |
|---|---|---|
| SDR#（SDRSharp） | Windows | 插件丰富，界面直观 |
| GQRX | macOS / Linux | 类似专业接收机界面 |
| SDR++ | 跨平台 | 现代化 UI，支持多设备 |
| CubicSDR | 跨平台 | 开源，功能全面 |
| dump1090 | 命令行 | 专用于 ADS-B 飞机解码 |
| SatDump / WXtoImg | 多平台 | 气象卫星图像解码 |
十、注意事项（尤其在中国）
- 只能接收，不能擅自发射！发射需《业余无线电台执照》。
- 不得监听国家禁止的频段（如公安、军事、保密通信）。
- 尊重隐私：不要传播解码到的私人信息（如医院寻呼内容）。
- 使用室外天线时注意防雷、安全、合规。
十一、延伸学习资源
- 📘 书籍：《SDR for Dummies》《Understanding Software Defined Radio》
- 🌐 网站：
- RTL-SDR.com（全球最大 SDR 教程站）
- CRAC 中国无线电协会
- ▶️ B站关键词：“SDR 入门”、“RTL-SDR 教程”、“气象卫星接收”
- 💬 社区：QRZ.CN 论坛、Reddit r/RTLSDR、Discord SDR 群组
