为你的SDR增加数字方式


你的电脑可以做得更多——以数字方式接收同时解调SDR信号

作者:Robert Nickels,呼号W9RAN

翻译:LifeWieller

本文已发表于《电子制作》2014年12月刊

 

我刊登在2013年二月QST杂志上的《简单廉价的SDR》文章提供了一种利用便宜的短波变频器和20美元的电视棒实现整个短波和超短波频段的频谱显示的方法,为火腿、短波监听者和业余爱好者提供一种新的可能[1]。

多数人能够想到的是调到业余频段或国际短波广播频段,在数字信号处理软件的帮助下接收高质量的AM和SSB信号。然而火腿和短波监听者会被短波频段中不时出现的非语音信号困扰。我们已经习惯了用电脑处理CW,RTTY,BPSK或其他的数字信号,那么如果把电脑作为接收机不可缺少的一部分,而不仅仅是解调软件的运行平台呢?

利用Windows多任务处理和声卡的支持,我们有多种方法可以让一台电脑同时执行两种任务。

 

传统方法——数字解调

随着基于声卡的数字解调软件的发展,将电台和电脑连接起来变得十分简单,只需将接收机或电台的音频信号连接到声卡的线路输入即可,如图1所示。

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VHF/UHF数字解调,除了一些数字模式信号,如天气卫星信号等需要直接从FM鉴频器获取音频信号外,与此类似。不管怎样,总是要将接收机的音频信号被数字化之前输入到电脑,并由电脑解调,获取其中信息展现给操作者。

直到最近,低成本SDR才开始利用DVB-T电视棒取代电脑声卡获得并处理从射频前端得到的I/Q信号。使用DVB-T电视棒通过USB接口传输高速数字I/Q信号可以消除电脑声卡的瓶颈,但是又有新的问题:如何在一台电脑上将一个程序输出的音频信号输入到另一个程序中?

 

虚拟化解决方案

为使用户轻松流畅的使用电脑,我们越来越多的被“屏幕背后”繁杂的工作困扰。例如,我们可以打开一个网页,里面的音频、视频或其他多媒体就能自动播放。如果SDR输出的数字信号也能这样,那将会是很有意义的一件事。换句话说,就是SDR输出的数字音频信号直接以数字方式传输至解调软件。为了实现数字传输,我们需要某种虚拟连接,将两个程序在“屏幕背后”连接起来。

这就是Virtual Audio Cable(VAC),由Eugene Muzychenko编写的程序所要完成的。通过VAC,任何程序都可以将音频信号通过虚拟的音频连接线传输至另一个的程序,没有音质损失。我们要做的只是选择音频输入为VIRTUAL AUDIO CABLE。对于需要进行复杂的音频处理的情况,我们可以使用多条虚拟连接线组成虚拟配线架(Virtual Patch Panel)以实现灵活的连接方式。图2和图3说明如何使用控制面板(Control Panel)和音频中继器(Audio Repeater)配置虚拟音频线。

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虽然VAC使用方便,但是它并不是共享软件或免费软件,虽然有试用版可以免费下载,但是会叠加语音提示。正式版的功能超出多数用户的需要,特别是那些只需要一条虚拟音频线的用户。

 

替代软件

一些电脑自身就能够实现这种功能。一些Windows7和Vista声卡驱动提供立体声混音功能。但不是所有驱动都提供——在网上搜索“stereo mix”可以根据教程确认你的电脑能否支持这个功能(如图4所示)。立体声混音的工作方式类似于磁带录音机的双声迹录音(sound on sound)方式 (还记得吗?)。在示例中,输出的信号一部分被送到输入通道。这就是将SDR声音信号送至解调软件所需要的。

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对于创新Labs声卡的用户来说,另一个功能,波形输出混音(What U Hear or wave out mix)也可以起到相同效果。

对于声卡没有立体声混音功能或不想购买VAC软件的用户来说,有另外一种实现方法,就是使用音频线连接,或AAC(actual audio cable)。

 

AAC——实体音频线

多数用户可能没有意识到电脑的声卡是可以全双工工作的,即录音和播放功能可以同时工作互不影响。这样就可以将声卡的输出声音信号直接连接至线路输入端,作为数字解调软件的信号输入。由于SDR通常使用廉价的DVB-T电视棒通过USB端口获得I/Q采样信号,所有工作都可以通过一块声卡完成。

 

实现方法

声卡可以通过独立的数模/模数转换器或编解码器(CODEC)芯片,将数字信号转化为模拟信号以供扬声器播放(回放模式),也可以将话筒或线路输入的模拟信号转化为数字信号(录音模式)。

当然,在实现这些功能过程中,会有很多参数需要设定,如采样率,采样精度,混叠等,但是对于我们的SDR应用,只需要用音频线将SDR输出的音频连接至数字解调器输入端即可,如图5所示。

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立体声Y形分线器(如图6所示)用来将线路输出(电脑声卡上蓝色的插座)分成两路信号,一路连接至扬声器,另一路通过对录线(如图6所示)连接至线路输入端口(声卡上的绿色插座)。这样做虽然会有阻抗不匹配的问题,但是对声音质量不会有显著影响。

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这样连接以后,音频信号仍然可以输出至扬声器,因此在日常使用或是SDR的语音模式下和之前没有区别。音频连接线把线路输出信号送至线路输入端,可作为数字解调软件的信号输入。这样就可以同时使用SDR软件和数字解调软件,和传统的接收机同样简单。

除了以下两种附件之外,这种实现方法不需要额外驱动或配置:

  • 3.5mm立体声Y形分线器,例如RadioShack编号274-879这样的。其他商家会有不同型号的可供选择(如图6所示)。
  • 3.5mm立体声对录线。满足使用要求的情况下长度越短越好。长度为12英寸或更短的对录线是理想的选择。RadioShack编号42-962的36英寸对录线也可以(如图6所示)。

 

优缺点

使用音频线的实现方法有以下优点:

  • 便宜——能在周围的商店里以5美元或更低的价格买到,甚至免费——如果你手头有现成的话。
  • 方便——如图7和图8所示,可以在几秒之内实现。
  • 对于其他需要将音频从一个程序传输至另一个程序的应用,这种方法同样适用。
  • 不需要安装软件,不需要额外驱动程序,没有额外CPU占用

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除此之外,这种方法有以下局限性:

  • 通常电脑声卡用来将来自接收机的模拟信号转化为数字信号。在上述实现方案中,会先将数字信号转化为模拟信号,然后再转化为数字信号。但是到目前为止我并未发现这样连接有什么问题。
  • 电脑音量控制会影响到输入数字解调器的音频音量,类似于调节接收机的音量旋钮。如果在Windows中调节音量大小,会影响到输入数字解调器的输入电平。
  • 因为使用Y形分线器连接,接收到的音频会通过扬声器放出(不通过Windows混音器),无法单独关闭扬声器输出。

对于前两个问题,可以通过调节扬声器的音量旋钮而不是Windows的音量控制解决。

Windows音量控制中的的线路输入混音器应该调节至不会使数字解调器过载或产生失真的水平(可以通过解调器自动增益控制(AGC)辅助调节)。

由于音频信号经过输出环路连接至输入,任何接触不良都会导致噪音或声音断续,射频信号也有可能通过连接线耦合至音频输入,特别是当电台紧挨电脑时。使用高质量的插头和带屏蔽的连接线有助于减少问题出现的几率,或者可以使用RF陷波器和滤波器以减少影响。

 

软件注意事项

通过VAC软件或立体声混音功能,SDR的音频信号可以直接以数字形式传输至解调程序,这减少了噪声和射频干扰,但是会占用一些CPU资源。在我的电脑上,每条VAC虚拟音频线会增加少于1%的CPU占用。

VAC提供的音频中继功能可以实现监听虚拟音频线中传输的内容等功能。这个功能需要额外CPU资源(在我的电脑上约1%)。

VAC提供了很多灵活的配置,其中多数对于基本应用是不需要的。其中绝大部分我采用默认设置,也可根据自己的需要调整。考虑到它能实现的功能,软件价格还算合理。软件提供了全面的手册,但是在数字音频部分略显复杂。VAC不是免费软件,其定价取决于支持程度。

波形输出混音(What U Hear or wave out mix)和其他Windows音频软件一样易于使用,但是只有创新声卡才能使用,并且在新的操作系统上没有提供。在网上有些用户升级之后发现没有立体声混音功能,并有可能无法恢复[2]。

 

测试结果

我使用音频连接线方法测试过几个数字解调软件,包括流行的Fldigi软件。图8是分屏显示界面,上方是W1AW 40米波段解调界面,下方是SDR#界面[3]。接收机是DVB-T电视棒配合W9RAN短波变频器工作在USB模式并开启2.7KHz滤波器。经过测试,使用虚拟音频线和实体音频线连接的效果无明显区别。

并且,两个软件都使用了复杂的数字信号处理技术,但在高性能的处理器和Windows多任务处理能力的支持下,两个软件都能进行实时处理。这使我们向全数字化业余无线电爱好者的方向更进一步。

SDR同时为解调宽带数字信号提供了一种新的实现方法,如APT天气传真图片,中继或其他需要从鉴频器引出信号的数字信号(有些甚至需要更换中频滤波器)。借助SDR提供的多种多样的数字信号处理方式,解调以上信号将会变得和宽带网络上打字一样容易。最新版本的SDR#,一种流行的SDR软件,甚至提供了在进行卫星通信时自动跟踪并调节多普勒频移的功能。

 

SDR和数字模式通信——未来的通信方式

毫无疑问数字模式通信和软件定义无线电会是未来业余通信的重要部分。目前,我们正处于技术的前沿,但每项技术都需要经过不断发展才能成熟,并提供更多功能。随着SDR的发展,数字模式解调器不可避免的会成为扩展SDR功能的另一个重要方面,就像浏览器和其他软件工具一样。

事实上,最近的一个测试版(SDR J)已经提供了一系列内置的数字模式解调器,可以像选择AM或SSB模式一样选择数字解调器。在SDR愿望清单里包括能分析数字信号格式并自动选择相应解调器的智能解调器——令人振奋的一件事。

高速廉价的模数转换器带给软件无线电(SDR)用户一个全新的频谱世界。简单的实体音频线和下一代SDR软件一起,将基于电脑的解调软件和软件定义无线电连接起来,将用户带入全新的数字通信模式。

 

注释:

[1]R. Nickels,呼号W9RAN,”Cheap and Easy SDR,” QST 2013年2月刊,页码30-35

[2]参见superuser.com/questions/299082/whats-the-reason-behind-stereo-mix-becoming-a-missing-option和stream-recorder.com/forum/missing-sound-recording-option-stereo-mix-record-t4876.html?s=91322d7dd878a2104de253de50fc8361&amp

[3]SDR#(发音SDR Sharp)软件在[1]中有介绍

 

Robert Nickels,呼号W9RAN,是ARRL会员,业余高级执照持有者。在1965年Robert 14岁时候在Nebraska获得WN0OHO的呼号。在他获得Kansas州Fort Hays州立大学学士学位之后在电子制造业的35年职业生涯里,业余无线电给他带来了巨大影响。作为3个美国专利持有者,Bob最近从Honeywell退休。在Honeywell期间,他曾任职首席工程师,工程主管,战略市场主管。目前他任职于提供商业和技术咨询的RAN Technology公司。作为活跃的自行车和越野滑雪爱好者,Robert同样喜欢业余无线电历史和自制业余无线电设备,和收集、修复、使用经典电子锚式收音机一起,是他近50年来的最大的爱好。Robert的地址是2645 East Dr, Freeport, IL, 61032,电子邮箱是w9ran@arrl.net

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