💃🏼 👩‍👧 🗻 सॉफ्टवेयर डिफाइंड रेडियो - यह कैसे काम करता है? भाग 3 🎭 🤛🏾 👶🏾

हाय, हैब्र।

दूसरे भाग ने एसडीआर के उपयोग के व्यावहारिक पहलुओं की जांच की। इस भाग में, हम देखेंगे कि पायथन और सस्ती ($ 30) आरटीएल-एसडीआर रिसीवर का उपयोग करके एनओएए मौसम उपग्रह डेटा कैसे प्राप्त किया जाए। माना कोड हर जगह काम करेगा - विंडोज, ओएसएक्स, लिनक्स और यहां तक कि रास्पबेरी पाई पर भी।

कौन परवाह करता है, कट के नीचे जारी रहा।

SoapySDR

विभिन्न एसडीआर उपकरणों के काफी निर्माता हैं, और प्रत्येक को अलग-अलग समर्थन करना बहुत असुविधाजनक होगा, और परीक्षण के लिए हार्डवेयर खरीदने के मामले में यह महंगा है। सिद्धांत रूप में, एकीकृत पहुंच के लिए, दो पुस्तकालय हैं जो अनिवार्य रूप से मानक बन गए हैं। पहला पहले से ही काफी पुराना एक्सटीआईओ डीएलएल इंटरफ़ेस है, जो शायद कम से कम 10 साल पुराना है, दूसरा अधिक आधुनिक थेरेपी एसडीआरएस लाइब्रेरी है, जिसे हम देखेंगे।

SoapySDR C ++ में लिखा गया क्रॉस-प्लेटफॉर्म लाइब्रेरी का एक सेट है जो एसडीआर उपकरणों, रिसीवर और ट्रांससीवर्स दोनों के लिए एकीकृत पहुंच प्रदान करता है। यदि निर्माता ऐसा इंटरफ़ेस बनाता है, तो उसका डिवाइस स्वचालित रूप से काफी लोकप्रिय कार्यक्रमों (GQRX, GNU Radio, CubicSDR, आदि) के साथ काम करेगा। कुछ को छोड़कर लगभग सभी पर्याप्त निर्माता, ~~(इस अवसर को लेते हुए, मैं EE को शुभकामनाएँ भेजता हूँ)~~ SoapySDR समर्थन है, समर्थित उपकरणों की एक सूची परियोजना पृष्ठ पर पाई जा सकती है। जैसा कि आप देख सकते हैं, यह काफी बड़ा है और इसमें HackRF, USRP, SDRPlay, LimeSDR, RTL-SDR, Red Pitaya और कई अन्य शामिल हैं।

SoapySDR लाइब्रेरी क्रॉस-प्लेटफ़ॉर्म है, अर्थात इसके लिए लिखा गया कोड विंडोज, ओएसएक्स, लिनक्स और यहां तक कि रास्पबेरी पाई के तहत काम करेगा। विंडोज के लिए, आवश्यक लाइब्रेरीज़ पोथोसॉरडीआर पैकेज का हिस्सा हैं, अन्य प्लेटफ़ॉर्म के लिए, सोपएसडीआर को स्वतंत्र रूप से अनुपालन करना होगा। दो भागों को संकलित करना आवश्यक है - स्वयं पुस्तकालय , और वांछित रिसीवर के लिए "प्लग-इन", हमारे मामले में यह SoapyRTLSDR होगा (विंडोज के तहत, पुस्तकालय को स्रोत से भी इकट्ठा किया जा सकता है, इसके लिए आपको Visual Studio, Cmake, और SWIG की आवश्यकता है)। अब सब कुछ तैयार है, और आप कोड लिख सकते हैं।

हम पुस्तकालय का आयात करते हैं और प्राप्तियों की सूची प्राप्त करते हैं:

from __future__ import print_function import SoapySDR # Enumerate devices print("SDR devices:") for d in SoapySDR.Device.enumerate(''): print(d) print()

हम रिसीवर कनेक्ट करते हैं, कोड चलाते हैं और उपकरणों की एक सूची देखते हैं, जिनके बीच हमारा आरटीएसएलआरडी है।

बाकी डिवाइस साउंड कार्ड हैं, जैसा कि हम याद करते हैं, ऐतिहासिक रूप से पहले एसडीआर ने पीसी रैखिक इनपुट के माध्यम से ठीक काम किया था, और पुस्तकालय भी उनका समर्थन करता है। हम डिवाइस के बारे में जानकारी प्राप्त करते हैं - उपलब्ध चैनलों की संख्या, आवृत्ति रेंज, आदि ।:

 soapy_device = "rtlsdr" device = SoapySDR.Device(dict(driver = soapy_device)) channels = list(range(device.getNumChannels(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX))) print("Channels:", channels) ch = channels[0] sample_rates = device.listSampleRates(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch) print("Sample rates:\n", sample_rates) bandwidths = list(map(lambda r: int(r.maximum()), device.getBandwidthRange(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch))) print("Bandwidths:\n", bandwidths) print("Gain controls:") for gain in device.listGains(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch): print(" %s: %s" % (gain, device.getGainRange(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch, gain))) frequencies = device.listFrequencies(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch) print("Frequencies names:", frequencies) frequency_name = frequencies[0] print("Frequency channel name:", frequency_name) print("Frequency range:", device.getFrequencyRange(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch, frequency_name)[0])

हम कार्यक्रम शुरू करते हैं और रिसीवर के बारे में जानकारी देखते हैं:

हम देखते हैं कि रिसीवर के पास "RF" नाम का एक इनपुट चैनल है, संभव नमूना आवृत्तियों [250000.0, 1024000.0, 1536000.0, 1792000.0, 1920000.0, 2048000.0, 2160000.0, 2560000.0, 2880000.0, 3200000.0] और 24 MHz-1.7 GHz की आवृत्ति रेंज।

जीवन हैक - कमांड थेरेपी SoDRSDRUtil --probe = "ड्राइवर = rtlsdr" टाइप करके समान डेटा भी प्राप्त किया जा सकता है।

यह जानकर, हम WAV में डेटा स्ट्रीम रिकॉर्ड कर सकते हैं। जैसा कि पिछले भाग में उल्लेख किया गया है, एसडीआर से डेटा को I और Q नामक संकेतों की एक धारा द्वारा दर्शाया जाता है, जो कि ADC से नमूने हैं, मोटे तौर पर उन्हें कैमरे से RAW डेटा के रूप में दर्शाया जा सकता है। अधिक विवरण में रुचि रखने वाला कोई भी व्यक्ति यहां उदाहरण के लिए पढ़ सकता है। हमारे लिए यह जानना पर्याप्त है कि हम इस डेटा को लिख सकते हैं, और अन्य एसडीआर कार्यक्रम फिर उनके साथ काम कर सकते हैं।

रिकॉर्ड अपने आप में काफी सरल है - रीडस्ट्रीम फ़ंक्शन बफर भरता है यदि डेटा है, अगर अभी तक कोई डेटा नहीं है, तो -1 वापस आ जाएगा। नीचे 10 नमूनों का एक रिकॉर्ड कोड है (कोड के गैर-आवश्यक भागों को छोड़ दिया गया है)।

 device.setFrequency(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, channel, "RF", frequency) device.setGain(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, channel, "TUNER", gain) device.setGainMode(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, channel, False) device.setSampleRate(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, channel, sample_rate) # Number of blocks to save block, max_blocks = 0, 10 block_size = device.getStreamMTU(stream) print("Block size:", block_size) buffer_format = np.int8 buffer_size = 2*block_size # I+Q buffer = np.empty(buffer_size, buffer_format) while True: d_info = device.readStream(stream, [buffer], buffer_size) if d_info.ret > 0: wav.write(buffer[0:2*d_info.ret]) print("Bytes saved:", 2*d_info.ret) block += 1 if block > max_blocks: break

स्क्रीनशॉट में परिणाम:

जैसा कि आप देख सकते हैं, हमें डिवाइस से डेटा ब्लॉक मिलते हैं, एक ब्लॉक का आकार 131072 बाइट्स है, जो कि 250,000 के नमूने दर पर हमें लगभग आधे सेकंड की अवधि देता है। सामान्य तौर पर, जो लोग पहले विंडोज में साउंड कार्ड के साथ काम करते थे, वे आम में बहुत कुछ पाएंगे।

परीक्षण के लिए, फ़ाइल लिखें और जांचें कि सब कुछ ठीक है - यह एसडीआर # में खेला जा सकता है। यहाँ एक और चाल है - SDR # के लिए स्टेशनों की आवृत्तियों को सही ढंग से दिखाने के लिए, फ़ाइल नाम को HDSDR के साथ संगत प्रारूप में लिखा जाना चाहिए, फ़ॉर्म का "HDSDR_20190518_115500Z_101000k_RF.wav" (जैसा कि आप अनुमान लगा सकते हैं, तिथि और समय शुरुआत में GMT में है, फिर आवृत्ति)। । यह पायथन में लिखना आसान है:

 frequency = 101000000 file_name = "HDSDR_%s_%dkHz_RF.wav" % (datetime.datetime.utcnow().strftime("%Y%m%d_%H%M%SZ"), frequency/1000)

सबसे पहले, एफएम बैंड पर जांच करें। सब कुछ ठीक है, स्टेशन दिखाई दे रहा है, संगीत बज रहा है, आरडीएस काम कर रहा है।

आप NOAA रिकॉर्डिंग शुरू कर सकते हैं।

NOAA सेवन

तो, हमारे पास एक रिसीवर और एक रिकॉर्डिंग प्रोग्राम है। हमें NOAA 15, NOAA 18 और NOAA 19 मौसम उपग्रहों में दिलचस्पी होगी जो पृथ्वी की सतह की छवियों को 137.620, 137.9125 और 137.100 MHz की आवृत्तियों पर संचारित करेंगे। यहां मुख्य कठिनाई यह है कि आपको उस क्षण को "पकड़ने" की आवश्यकता है जब उपग्रह हमारे ऊपर उड़ता है। आप फ्लाइट का समय ऑनलाइन https://www.n2yo.com/passes/?s=25338 , https://www.n2yo.com/passes/?s=28654 और https://www.n2yo.com पर देख सकते हैं। / पास / एस = 33591 क्रमशः।

कंप्यूटर पर नहीं बैठने के लिए, प्रोग्राम को सही समय की प्रतीक्षा में जोड़ें। यह बिना डिस्प्ले और कीबोर्ड के भी रास्पबेरी पाई पर प्रोग्राम को चलाने की अनुमति देगा।

 import datetime def wait_for_start(dt): # Wait for the start while True: now = datetime.datetime.now() diff = int((dt - now).total_seconds()) print("{:02d}:{:02d}:{:02d}: Recording will be started after {}m {:02d}s...".format(now.hour, now.minute, now.second, int(diff / 60), diff % 60)) time.sleep(5) if diff <= 1: break wait_for_start(datetime.datetime(2019, 5, 18, 21, 49, 0))

वैसे, रास्पबेरी पाई पर स्क्रिप्ट को चलाने के लिए और कंसोल को बंद करने के बाद काम करना छोड़ देना है, आपको "nohup python रिकॉर्डर.py" कमांड दर्ज करने की आवश्यकता है।

सब कुछ तैयार है, स्क्रिप्ट चलाएं और अन्य काम कर सकते हैं, रिकॉर्डिंग लगभग 20 मिनट तक रहती है। समानांतर में, सवाल उठ सकता है - क्या उपग्रह को नग्न आंखों से देखना संभव है? तालिका के अनुसार, इसकी अधिकतम चमक लगभग 5.5 मीटर की परिमाण है , आदर्श परिस्थितियों में मानव आंख की सीमा 6 मी है। यानी वास्तव में अंधेरे आकाश में, शहर के बाहर, एनओएए उपग्रह के मार्ग को सैद्धांतिक रूप से देखा जा सकता है, शहर में, निश्चित रूप से, कोई मौका नहीं है (जैसा कि उन्होंने हैबे पर लिखा है , उन लोगों की एक पीढ़ी, जिन्होंने अपने जीवन में मिल्की वे को पहले कभी नहीं देखा है)।

स्क्रिप्ट का परिणाम एक रिकॉर्डेड wav फ़ाइल है, इसका स्पेक्ट्रम स्क्रीनशॉट में दिखाया गया है।

हम पूरी तरह से अलग संकेत देखते हैं, हालांकि NOAA प्राप्त करने के लिए एक विशेष एंटीना के साथ, गुणवत्ता बहुत बेहतर होगी। सिग्नल प्रारूप को एपीटी ( ऑटोमैटिक पिक्चर ट्रांसमिशन ) कहा जाता है, इससे आप पृथ्वी की सतह की एक छवि प्राप्त कर सकते हैं, अगर किसी को भी दिलचस्पी है, तो आप अलग से इसके डिकोडिंग पर विचार कर सकते हैं। लेकिन, निश्चित रूप से, तैयार किए गए कार्यक्रम हैं, आप WxToImg या MultiPSK का उपयोग करके ऐसे संकेतों को डिकोड कर सकते हैं।

यह दिलचस्प है कि डॉपलर को स्पेक्ट्रम में स्थानांतरित कर दिया जाए, जो तब होता है क्योंकि उपग्रह हमारे ऊपर उड़ता है। शायद, हर्ट्ज में समय और आवृत्ति बदलाव को जानते हुए, इसकी गति की गणना करना मुश्किल नहीं है।

बेशक, कार्यक्रम का उपयोग न केवल एनओएए रिकॉर्डिंग के लिए किया जा सकता है, किसी भी बैंडविड्थ और आवृत्ति को सेटिंग्स में निर्दिष्ट किया जा सकता है। जो लोग खुद SoapySDR के साथ प्रयोग करना चाहते हैं, उनके लिए प्रोग्राम कोड पूरी तरह से स्पॉइलर के नीचे स्थित है।

स्रोत कोड

 from __future__ import print_function import SoapySDR import numpy as np import struct import sys import time import datetime def wait_for_start(dt): # Wait for the start while True: now = datetime.datetime.now() diff = int((dt - now).total_seconds()) print("{:02d}:{:02d}:{:02d}: Recording will be started after {}m {:02d}s...".format(now.hour, now.minute, now.second, int(diff / 60), diff % 60)) time.sleep(5) if diff <= 1: break def sdr_enumerate(): # Enumerate SDR devices print("SDR devices:") for d in SoapySDR.Device.enumerate(''): print(d) print() def sdr_init(): soapy_device = "rtlsdr" device = SoapySDR.Device({"driver": soapy_device}) channels = list(range(device.getNumChannels(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX))) print("Channels:", channels) ch = channels[0] sample_rates = device.listSampleRates(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch) print("Sample rates:\n", sample_rates) print("Gain controls:") for gain in device.listGains(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch): print(" %s: %s" % (gain, device.getGainRange(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch, gain))) frequencies = device.listFrequencies(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch) print("Frequencies names:", frequencies) frequency_name = frequencies[0] print("Frequency channel name:", frequency_name) print("Frequency range:", device.getFrequencyRange(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, ch, frequency_name)[0]) print() return device def sdr_record(device, frequency, sample_rate, gain, blocks_count): print("Frequency:", frequency) print("Sample rate:", sample_rate) print("Gain:", gain) channel = 0 # Always for RTL-SDR device.setFrequency(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, channel, "RF", frequency) device.setGain(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, channel, "TUNER", gain) device.setGainMode(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, channel, False) device.setSampleRate(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, channel, sample_rate) data_format = SoapySDR.SOAPY_SDR_CS8 # if 'rtlsdr' in soapy_device or 'hackrf' in soapy_device else SoapySDR.SOAPY_SDR_CS16 stream = device.setupStream(SoapySDR.SOAPY_SDR_RX, data_format, [channel], {}) device.activateStream(stream) block_size = device.getStreamMTU(stream) print("Block size:", block_size) print("Data format:", data_format) print() # IQ: 2 digits ver variable buffer_format = np.int8 buffer_size = 2 * block_size # I + Q samples buffer = np.empty(buffer_size, buffer_format) # Number of blocks to save block, max_blocks = 0, blocks_count # Save to file file_name = "HDSDR_%s_%dkHz_RF.wav" % (datetime.datetime.utcnow().strftime("%Y%m%d_%H%M%SZ"), frequency/1000) print("Saving file:", file_name) with open(file_name, "wb") as wav: # Wav data info bits_per_sample = 16 channels_num, samples_num = 2, int(max_blocks * block_size) subchunk_size = 16 # always 16 for PCM subchunk2_size = int(samples_num * channels_num * bits_per_sample / 8) block_alignment = int(channels_num * bits_per_sample / 8) # Write RIFF header wav.write('RIFF'.encode('utf-8')) wav.write(struct.pack('<i', 4 + (8 + subchunk_size) + (8 + subchunk2_size))) # Size of the overall file wav.write('WAVE'.encode('utf-8')) # Write fmt subchunk wav.write('fmt '.encode('utf-8')) # chunk type wav.write(struct.pack('<i', subchunk_size)) # subchunk data size (16 for PCM) wav.write(struct.pack('<h', 1)) # compression type 1 - PCM wav.write(struct.pack('<h', channels_num)) # channels wav.write(struct.pack('<i', int(sample_rate))) # sample rate wav.write(struct.pack('<i', int(sample_rate * bits_per_sample * channels_num/ 8))) # byte rate wav.write(struct.pack('<h', block_alignment)) # block alignment wav.write(struct.pack('<h', bits_per_sample)) # sample depth # Write data subchunk wav.write('data'.encode('utf-8')) wav.write(struct.pack('<i', subchunk2_size)) while True: d_info = device.readStream(stream, [buffer], buffer_size) if d_info.ret > 0: data = buffer[0:2*d_info.ret] fileData = data if data_format == SoapySDR.SOAPY_SDR_CS8: fileData = data.astype('int16') wav.write(fileData) print("Block %d saved: %d bytes" % (block, 2*d_info.ret)) block += 1 if block > max_blocks: break device.deactivateStream(stream) device.closeStream(stream) if __name__ == "__main__": print("App started") # Forecast for active NOAA satellites # NOAA 15: 137.620, https://www.n2yo.com/passes/?s=25338 # NOAA 18: 137.9125, https://www.n2yo.com/passes/?s=28654 # NOAA 19: 137.100, https://www.n2yo.com/passes/?s=33591 # Wait for the start: 18-May 21:49 21:49: wait_for_start(datetime.datetime(2019, 5, 18, 21, 49, 0)) device = sdr_init() t_start = time.time() sdr_record(device, frequency=137912500, sample_rate=250000, gain=35, blocks_count=2100) print("Recording complete, time = %ds" % int(time.time() - t_start)) print()

SoapySDR प्लस यह है कि न्यूनतम परिवर्तन वाला एक ही कार्यक्रम अन्य रिसीवर्स के साथ काम करेगा, उदाहरण के लिए SDRPlay या HackRF के साथ। वैसे, क्रॉस-प्लेटफॉर्म के बारे में भी, पहले ही उल्लेख किया जा चुका है।

यदि पाठकों को अभी भी रेडियो रिसेप्शन के विषय में रुचि है, तो आप एक हार्डवेयर पर आधारित कई आभासी रिसीवर बनाकर जीएनयू रेडियो के साथ एसडीआर का उपयोग करने के एक उदाहरण पर विचार कर सकते हैं।

सॉफ्टवेयर डिफाइंड रेडियो - यह कैसे काम करता है? भाग 3

SoapySDR

NOAA सेवन

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