宽带广播设备的研制和应用

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摘要：本文提出了一种使用SDR技术实现的宽带广播设备，并且使用Hackrf ONE和GNURadio配合验证了该原理。使用该设备作为发射源，可以实现在该设备的覆盖范围内，任何正常工作的收音机无须调谐即可收到广播内容。该设备可用在应急救灾中以及隧道等交通设施中。

关键词：软件定义的无线电；HackRF ONE；宽带广播设备；应急救灾

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：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

自从广播技术问世以来，经过多年的发展和改进，已经成为一种重要的媒体手段，在信息传播，娱乐，消息传达，舆论导向等各个方面起到了重要的作用。广播接收装置即收音机原理简单，成本低廉，效果容易保证，因此直到互联网高度发达的今天，其拥有率仍然相当高，甚至成了汽车和手机上的必备配置。

通常的广播发射装置，基于AM（幅度调制）或者FM（频率调制）技术，将音频信号调制到固定频率的无线电波上发射出去，一台传统的发射机只能工作于一个频率上。不同的广播电台使用不同的无线电波频率，收音机只有在调谐到与该广播电台相同的频率上时，才可以收听该电台的信号。

AM方式的广播占用带宽窄（9Khz左右），FM方式的广播占用的带宽较宽（200Khz左右），因此FM方式的广播其音频信号质量明显好于AM方式的广播。另外，一般的AM广播频率范围是522Khz-1620Khz，总带宽为1098Khz，波长为数百米，一般需要磁性天线才可以取得较好的接收效果，其接收装置不易小型化模块化；而FM广播频率范围是88Mhz-108Mhz，总带宽为20Mhz，波长为3米左右，其接收装置容易小型化模块化。当前城市广播主要采用的方式为FM方式。

由于无线电波传播特性的原因，在地下室、隧道、桥下、防空洞或者因自然灾害造成的幽闭空间等遮蔽环境下，无线电波衰减严重，广播信号质量变差甚至完全无法接收，民众也就难以获得营救信息或者交通、天气信息。例如，汽车驾驶员正在通过FM广播获取交通信息，当汽车驶入隧道后，驾驶员便无法再获取交通信息，若此时前方发生紧急事件，则公安部门就无法将信息及时发送给驾驶员。虽然可以在隧道内架设广播电台将消息广播出去，但是因为每个司机在进入隧道前所收听的广播电台不尽一致，其频率无法获知，因此传统的广播发射机难以胜任，因为按照一般的收音机性能，可以接收250Khz带宽的信号，如果需要让每台收音机全部收到信号，则需要架设80台广播发射机，每台发射机工作于不同的频率。其安装成本与维护成本都是相当高的。

同样的情况，可能发生在于防灾以及救灾工作中。灾情预防阶段或者灾后，收音机是民众获取通知信息的重要手段，但是一方面，在紧急情况下，民众可能因为慌乱无法调谐到广播电台信号，另一方面，灾民所处的位置可能已经处于电磁波屏蔽环境中，无法接收广播电台信号。

如果能有一种广播发射设备可以发射宽带调制信号，使得在覆盖范围内的正常工作的收音机无须调谐（或者说无论调谐在什么频率）即可收到广播信号，则可有效解决上述问题。

2 实现原理

本文采用SDR（软件无线电）技术，将发射机的结构大为简化，将复杂的多频率调制用SDR方式实现，只需要一台发射机即可完成20Mhz带宽的FM广播全覆盖，任何一台工作正常的收音机，只要开机，无须调谐，即可收到本发射机发射的信号。而且其设备成本以及维护成本低，可以广泛应用于电磁屏蔽空间的信息传达，在防灾减灾方面有推广应用价值。

同样的方法，也可应用于AM方式的广播甚至数字广播。

采用SDR技术，使用数字中频，将广播发射机的调制工作完全由DSP（数字信号处理）方法实现，之后将数字中l传输给DAC，转换成模拟中频信号，再经过上变频转换到需要发射的频段，然后将射频信号放大，最后通过天线发射出去。

具体的步骤是，首先将音频信号进行FM调制，生成FM调制后的窄带数字中频（此时为零中频），将窄带数字中频用分配器分成80路。同时生成从1Mhz开始，到20.75Mhz结束的，以250Khz为间隔的80个数字本振信号，将这80个数字本振信号分别与80路窄带数字中频信号混频，并经过数字高通滤波，以实现数字上变频，得到80路位于不同频点的窄带数字中频信号。

为了节省资源，频率间隔也可以设置的大一些，例如300KHz，此时将节省大约17%的资源，但是效果会有所降低。如果频率间隔变化，则其余相关参数也要随之变化。

再将80路数字中频信号乘以一个系数（小于1，例如0.01），以调整振幅，以备下一步加法处理。

将调整振幅后的80路数字中频信号通过加法器相加，得到宽带数字中频。

将宽带数字中频送入DAC进行数字模拟转换，得到宽带模拟中频信号。

另产生一个87Mhz的模拟本振信号，将其与宽带模拟中频信号混频，并经过高通滤波，实现模拟上变频，得到从88Mhz到107.75Mhz，间隔250Khz的宽带射频广播信号。

随后将这个宽带射频广播信号经过射频功率放大器放大，最后经天线发射出去。

由于一般的收音机带通性能并非严格的矩形，因此此时，在收音机上，无论调谐频率是在88Mhz-107.75Mhz的以250Khz为间隔的频点上，还是在其余频点上，都可以收到该信号，只是如果没有调谐在这些调制频点上的时候，会有一定程度的失真现象。

图1是本方案的原理框图。

注意在本振信号（频率为flocal_osc）与中频fif的混频后，实际上生成了以本振信号为中心的两个互为镜像的信号：

（公式1）

在一般的无线电设备中，需要舍弃其中的一个镜像信号，而只保留一个。但是在本设备中，可以通过利用这个镜像信号来简化系统。如图2，只需使用0.25MHz到10.5MHz之间的数字本振，并增加一路直接将FM调制后的信号连接到加法器，然后将87Mhz的模拟本振改为98MHz，并将最后一级高通滤波器更改为特殊设计的带通滤波器，通过滤波器将射频信号平坦度进行调节，然后再放大、发射。这样，可以充分利用镜像信号，可节省一半的资源。

同样的，本方案也可应用于中波AM调制的宽带广播，由于其载波频率低，因此结构简单一些，实现方法为：

首先将数字音频信号分成62路，同时生成522Khz到1620Khz，间隔18KHz，一共62个不同的数字本振信号，将数字音频信号与这62路本振信号分别相乘，得到62路窄带数字信号，然后再乘以一个系数以调节幅度（系数应小于1，如0.02），再将调节过幅度的62路窄带数字信号相加，得到宽带数字信号，然后将这个数字信号直接通过DAC转换成模拟射频信号，随后经过放大器，最后通过天线发射出去即可。

3 具体实现

下面以 88Mhz-108Mhz的调频广播为例，说明本发明的具体实施方法。

为了快速验证本方案的可行性以及效果，下面用GNUradio 配合HackRF ONE进行具体实现。

GNURadio是一个开源的SDR开发应用平台。使用该平台，可以快速实现SDR的原型验证工作。其中的图形化编程工具grc，可以实现快速模块化SDR开发。

HackRF ONE是Michael Ossmann开发的一个完全开源的SDR硬件平台，其频率覆盖范围从1MHz到6GHz，采用半双工机制，8bit位宽，最高20Mhz正交采样。HackRF ONE是目前价格最低的收发一体的SDR硬件平台。其20Mhz的带宽刚好满足88Mhz-108Mhz的调频广播频率覆盖。

由于HackRF ONE自身没有FPGA，因此在本验证工作中，大部分的数字信号处理都由GNURadio在电脑上完成，HackRF ONE主要完成最后的发射工作，而这些信号处理会占据大量传统结构的 CPU资源，本实验平台运行在Intel I5 2.26Ghz CPU上，当频点达到12个的时候，CPU负荷已经处于90%，因此本实验仅覆盖了3.6MHz带宽，但也足以证明方法的可行性。本实验的参数如下：

开始频点：99MHz

频率间隔：0.3MHz

结束频点：102.3MHz

总频点数：12个

覆盖带宽：约3.6MHz

由于本实验仅为验证方法的可行性，因此未加任何的功率放大设备，此时HackRF ONE的射频输出功率大约有10 dBm。

图3是经本实验设备发射出来的频谱信号。

经实际收音机接收证明，收音机在98.8Mhz 到102.4Mhz整个范围内均可收到该设备发出的广播信号，无须调谐，但是在两个频点中心位置会有失真现象，例如在99.15MHz处，但是由于多数收音机以及电台的步进为0.1MHz，因此不会造成太大影响，在覆盖频率范围内语音完全可以辨别。同时，由于镜像信号的存在，在93.6MHz到97.2MHz之间，也可以连续收到信号。因此本实验设备的总频率覆盖范围超过了7MHz。

4 结语

本文提出的宽带广播发射设备可以使收音机无须调谐就能收到广播内容，可以应用于交通、急救灾等场合。文中的GNURado配合HackRF ONE实现方案仅仅为了快速验证本方案的可实施性，因此成本会略高，而且对电脑的要求较高，否则难以实现全频段的覆盖。如果需要批量生产以及实际应用，可以将GNU Radio所完成的数字处理工作由DSP/FPGA完成，再配合射频部分完成发射工作。

参考文献

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

[2]樊昌信.通信原理[M].第7版.北京：国防工业出版社，2012.

[3]Cai，Kunbao（蔡坤宝） Digital signal processing=数字信号处理/.Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2007.