寬帶廣播設備的研制和應用

張濤++徐亞明

摘要：本文提出了一種使用SDR技術實現(xiàn)的寬帶廣播設備，并且使用Hackrf ONE和GNURadio配合驗證了該原理。使用該設備作為發(fā)射源，可以實現(xiàn)在該設備的覆蓋范圍內，任何正常工作的收音機無須調諧即可收到廣播內容。該設備可用在應急救災中以及隧道等交通設施中。

關鍵詞：軟件定義的無線電；HackRF ONE；寬帶廣播設備；應急救災

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0045-04

Abstract：This paper presents a wideband broadcast device based on SDR ， then verified it use Hackrf ONE and GNURadio. Use this device as a broadcast transmitter， any radio receiver works normal in the cover field can receive the signal without tuning. This wideband broadcast device can be used in emergency rescue and some traffic facilities such as tunnel and bridge.

Key Words：SDR；Hackrf ONE；Wideband broadcast device；emergency rescue

1 引言

自從廣播技術問世以來，經過多年的發(fā)展和改進，已經成為一種重要的媒體手段，在信息傳播，娛樂，消息傳達，輿論導向等各個方面起到了重要的作用。廣播接收裝置即收音機原理簡單，成本低廉，效果容易保證，因此直到互聯(lián)網高度發(fā)達的今天，其擁有率仍然相當高，甚至成了汽車和手機上的必備配置。

通常的廣播發(fā)射裝置，基于AM（幅度調制）或者FM（頻率調制）技術，將音頻信號調制到固定頻率的無線電波上發(fā)射出去，一臺傳統(tǒng)的發(fā)射機只能工作于一個頻率上。不同的廣播電臺使用不同的無線電波頻率，收音機只有在調諧到與該廣播電臺相同的頻率上時，才可以收聽該電臺的信號。

AM方式的廣播占用帶寬窄（9Khz左右），F(xiàn)M方式的廣播占用的帶寬較寬（200Khz左右），因此FM方式的廣播其音頻信號質量明顯好于AM方式的廣播。另外，一般的AM廣播頻率范圍是522Khz-1620Khz，總帶寬為1098Khz，波長為數(shù)百米，一般需要磁性天線才可以取得較好的接收效果，其接收裝置不易小型化模塊化；而FM廣播頻率范圍是88Mhz-108Mhz，總帶寬為20Mhz，波長為3米左右，其接收裝置容易小型化模塊化。當前城市廣播主要采用的方式為FM方式。

由于無線電波傳播特性的原因，在地下室、隧道、橋下、防空洞或者因自然災害造成的幽閉空間等遮蔽環(huán)境下，無線電波衰減嚴重，廣播信號質量變差甚至完全無法接收，民眾也就難以獲得營救信息或者交通、天氣信息。例如，汽車駕駛員正在通過FM廣播獲取交通信息，當汽車駛入隧道后，駕駛員便無法再獲取交通信息，若此時前方發(fā)生緊急事件，則公安部門就無法將信息及時發(fā)送給駕駛員。雖然可以在隧道內架設廣播電臺將消息廣播出去，但是因為每個司機在進入隧道前所收聽的廣播電臺不盡一致，其頻率無法獲知，因此傳統(tǒng)的廣播發(fā)射機難以勝任，因為按照一般的收音機性能，可以接收250Khz帶寬的信號，如果需要讓每臺收音機全部收到信號，則需要架設80臺廣播發(fā)射機，每臺發(fā)射機工作于不同的頻率。其安裝成本與維護成本都是相當高的。

同樣的情況，可能發(fā)生在于防災以及救災工作中。災情預防階段或者災后，收音機是民眾獲取通知信息的重要手段，但是一方面，在緊急情況下，民眾可能因為慌亂無法調諧到廣播電臺信號，另一方面，災民所處的位置可能已經處于電磁波屏蔽環(huán)境中，無法接收廣播電臺信號。

如果能有一種廣播發(fā)射設備可以發(fā)射寬帶調制信號，使得在覆蓋范圍內的正常工作的收音機無須調諧（或者說無論調諧在什么頻率）即可收到廣播信號，則可有效解決上述問題。

2 實現(xiàn)原理

本文采用SDR（軟件無線電）技術，將發(fā)射機的結構大為簡化，將復雜的多頻率調制用SDR方式實現(xiàn)，只需要一臺發(fā)射機即可完成20Mhz帶寬的FM廣播全覆蓋，任何一臺工作正常的收音機，只要開機，無須調諧，即可收到本發(fā)射機發(fā)射的信號。而且其設備成本以及維護成本低，可以廣泛應用于電磁屏蔽空間的信息傳達，在防災減災方面有推廣應用價值。

同樣的方法，也可應用于AM方式的廣播甚至數(shù)字廣播。

采用SDR技術，使用數(shù)字中頻，將廣播發(fā)射機的調制工作完全由DSP（數(shù)字信號處理）方法實現(xiàn)，之后將數(shù)字中頻傳輸給DAC，轉換成模擬中頻信號，再經過上變頻轉換到需要發(fā)射的頻段，然后將射頻信號放大，最后通過天線發(fā)射出去。

具體的步驟是，首先將音頻信號進行FM調制，生成FM調制后的窄帶數(shù)字中頻（此時為零中頻），將窄帶數(shù)字中頻用分配器分成80路。同時生成從1Mhz開始，到20.75Mhz結束的，以250Khz為間隔的80個數(shù)字本振信號，將這80個數(shù)字本振信號分別與80路窄帶數(shù)字中頻信號混頻，并經過數(shù)字高通濾波，以實現(xiàn)數(shù)字上變頻，得到80路位于不同頻點的窄帶數(shù)字中頻信號。

為了節(jié)省資源，頻率間隔也可以設置的大一些，例如300KHz，此時將節(jié)省大約17%的資源，但是效果會有所降低。如果頻率間隔變化，則其余相關參數(shù)也要隨之變化。

再將80路數(shù)字中頻信號乘以一個系數(shù)（小于1，例如0.01），以調整振幅，以備下一步加法處理。

將調整振幅后的80路數(shù)字中頻信號通過加法器相加，得到寬帶數(shù)字中頻。

將寬帶數(shù)字中頻送入DAC進行數(shù)字模擬轉換，得到寬帶模擬中頻信號。

另產生一個87Mhz的模擬本振信號，將其與寬帶模擬中頻信號混頻，并經過高通濾波，實現(xiàn)模擬上變頻，得到從88Mhz到107.75Mhz，間隔250Khz的寬帶射頻廣播信號。

隨后將這個寬帶射頻廣播信號經過射頻功率放大器放大，最后經天線發(fā)射出去。

由于一般的收音機帶通性能并非嚴格的矩形，因此此時，在收音機上，無論調諧頻率是在88Mhz-107.75Mhz的以250Khz為間隔的頻點上，還是在其余頻點上，都可以收到該信號，只是如果沒有調諧在這些調制頻點上的時候，會有一定程度的失真現(xiàn)象。

圖1是本方案的原理框圖。

注意在本振信號（頻率為flocal_osc）與中頻fif的混頻后，實際上生成了以本振信號為中心的兩個互為鏡像的信號：

（公式1）

在一般的無線電設備中，需要舍棄其中的一個鏡像信號，而只保留一個。但是在本設備中，可以通過利用這個鏡像信號來簡化系統(tǒng)。如圖2，只需使用0.25MHz到10.5MHz之間的數(shù)字本振，并增加一路直接將FM調制后的信號連接到加法器，然后將87Mhz的模擬本振改為98MHz，并將最后一級高通濾波器更改為特殊設計的帶通濾波器，通過濾波器將射頻信號平坦度進行調節(jié)，然后再放大、發(fā)射。這樣，可以充分利用鏡像信號，可節(jié)省一半的資源。

同樣的，本方案也可應用于中波AM調制的寬帶廣播，由于其載波頻率低，因此結構簡單一些，實現(xiàn)方法為：

首先將數(shù)字音頻信號分成62路，同時生成522Khz到1620Khz，間隔18KHz，一共62個不同的數(shù)字本振信號，將數(shù)字音頻信號與這62路本振信號分別相乘，得到62路窄帶數(shù)字信號，然后再乘以一個系數(shù)以調節(jié)幅度（系數(shù)應小于1，如0.02），再將調節(jié)過幅度的62路窄帶數(shù)字信號相加，得到寬帶數(shù)字信號，然后將這個數(shù)字信號直接通過DAC轉換成模擬射頻信號，隨后經過放大器，最后通過天線發(fā)射出去即可。

3 具體實現(xiàn)

下面以 88Mhz-108Mhz的調頻廣播為例，說明本發(fā)明的具體實施方法。

為了快速驗證本方案的可行性以及效果，下面用GNUradio 配合HackRF ONE進行具體實現(xiàn)。

GNURadio是一個開源的SDR開發(fā)應用平臺。使用該平臺，可以快速實現(xiàn)SDR的原型驗證工作。其中的圖形化編程工具grc，可以實現(xiàn)快速模塊化SDR開發(fā)。

HackRF ONE是Michael Ossmann開發(fā)的一個完全開源的SDR硬件平臺，其頻率覆蓋范圍從1MHz到6GHz，采用半雙工機制，8bit位寬，最高20Mhz正交采樣。HackRF ONE是目前價格最低的收發(fā)一體的SDR硬件平臺。其20Mhz的帶寬剛好滿足88Mhz-108Mhz的調頻廣播頻率覆蓋。

由于HackRF ONE自身沒有FPGA，因此在本驗證工作中，大部分的數(shù)字信號處理都由GNURadio在電腦上完成，HackRF ONE主要完成最后的發(fā)射工作，而這些信號處理會占據(jù)大量傳統(tǒng)結構的 CPU資源，本實驗平臺運行在Intel I5 2.26Ghz CPU上，當頻點達到12個的時候，CPU負荷已經處于90%，因此本實驗僅覆蓋了3.6MHz帶寬，但也足以證明方法的可行性。本實驗的參數(shù)如下：

開始頻點：99MHz

頻率間隔：0.3MHz

結束頻點：102.3MHz

總頻點數(shù)：12個

覆蓋帶寬：約3.6MHz

由于本實驗僅為驗證方法的可行性，因此未加任何的功率放大設備，此時HackRF ONE的射頻輸出功率大約有10 dBm。

圖3是經本實驗設備發(fā)射出來的頻譜信號。

經實際收音機接收證明，收音機在98.8Mhz 到102.4Mhz整個范圍內均可收到該設備發(fā)出的廣播信號，無須調諧，但是在兩個頻點中心位置會有失真現(xiàn)象，例如在99.15MHz處，但是由于多數(shù)收音機以及電臺的步進為0.1MHz，因此不會造成太大影響，在覆蓋頻率范圍內語音完全可以辨別。同時，由于鏡像信號的存在，在93.6MHz到97.2MHz之間，也可以連續(xù)收到信號。因此本實驗設備的總頻率覆蓋范圍超過了7MHz。

4 結語

本文提出的寬帶廣播發(fā)射設備可以使收音機無須調諧就能收到廣播內容，可以應用于交通、應急救災等場合。文中的GNURado配合HackRF ONE實現(xiàn)方案僅僅為了快速驗證本方案的可實施性，因此成本會略高，而且對電腦的要求較高，否則難以實現(xiàn)全頻段的覆蓋。如果需要批量生產以及實際應用，可以將GNU Radio所完成的數(shù)字處理工作由DSP/FPGA完成，再配合射頻部分完成發(fā)射工作。

參考文獻

[1]Grayver，Eugene.author.Implementing Software Defined Radio.

[2]樊昌信.通信原理[M].第7版.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[3]Cai，Kunbao（蔡坤寶） Digital signal processing=數(shù)字信號處理/.Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2007.