使用Adobe Audition使用SDR检查I / Q信号

很久以前，当我什至没有互联网时，我就从无线电爱好者那里了解了SDR接收器和收发器。 奇怪的是，很少有人真正了解这种技术。 当时我忙于音频处理，因此了解了SDR的思想和基本原理。 正如我当时所了解的那样，SDR是一个普通的直接转换接收器，主要包括一个混频器和一个固定或可调频率的参考本地振荡器。 天线和本地振荡器的输出被馈送到混频器输入，混频器的输出馈入声卡。 由于电台的频带很窄，并且声卡的宽度要宽得多，因此可以通过某种方式在固定的宽频带内以编程方式在电台之间进行更改。 此外，可以同时使用DSP处理接收到的信号。 我已经遇到了用于DSP的单独程序，这些程序处理来自无线电接收器低频输出（降噪，窄带滤波器等）的信号。 在我看来，这个想法颇具诱惑力，我对这个问题更加感兴趣。

一段时间后，我设法根据提供给我的方案之一组装了自己的SDR收发器。 总共有两种方案。 在一种方案中，具有可切换至所需业余无线电范围的石英的发生器用作参考频率，并以编程方式进行调谐。 第二个电路包含一个DDS合成器，该合成器能够生成任何频率（在其范围内），该频率由控制程序从计算机设置。 可以重建软件和硬件。 我选择了第二种方案。 管理程序非常复杂。 首先，它不仅允许您收听电台并查看其频谱，还可以查看声卡上的宽带信号的整个频谱。 此外，您可以使用鼠标立即重建到频谱在屏幕上可见的工作站。 这是SDR的主要功能之一。 在我之前组装相同电路的火腿中，我完全观察了它们在实践中是如何工作的。 让我感到惊讶的第一件事是声卡同时涉及两个声道：L和R。看起来，立体声在哪里？ 目前，我很清楚这一点，但是在省级城市普通房屋的互联网还处于起步阶段时，实际上没有详细的技术信息。 另外，以48 kHz的声卡采样率，观看宽度不是24（按照我的想法，根据Kotelnikov定理），而是相同的48 kHz。 没有人给我一个清楚的解释，为什么会这样。 但是我凭直觉理解：这完全是由于两个声音通道都涉及到这一事实。 信号通过整个观看频谱的前半部分的一个通道传输，并沿后半部分的第二个通道传输。 但这并非完全正确！ 从实践中可以知道，当两个通道之一消失时，声卡不会在频谱的屏幕一半上消失，但是会观察到“镜面”效果：频谱将相对于整个频谱全景的中心获得对称性。 而且，如果您交换频道，则整个频谱将被镜像。 当我组装此SDR收发器时，我自己找到了所有问题的答案。 考虑一下SDR接收路径的简短框图。



该方案非常简单。 我特别注意“ 4分频”节点。 事实是，调音台在“双通道模式”下工作。 要选择特殊的立体声信号（称为I / Q信号），必须在频率上应用来自本地振荡器的两个相同信号，但相位相差90度。 由于合成器初步形成了4倍以上的频率并使用触发器将其除以4（数字微电子学的经典之作），因此实现了这种转换。 值得注意的是，信号具有锯齿形（比较器是合成器的一部分），而键混音器是来自同一数字逻辑领域的普通开关。 在不涉及SDR软件和硬件结构细节的情况下，我将立即说该程序直接控制合成器的重组（无需中间FPGA或MK）。 通过LPT，可以实现与AVR STK200 MK编程器类似的SPI接口。

因此，我弄清楚了方案和软件，设计并配置了所有内容。 然后，使用Adobe Audition 1.5程序，我开始分析从SDR输出中记录的信号的I / Q片段，调到中间某个地方的业余无线电频段之一的频率。 该图显示了该程序的屏幕截图，其中显示了片段的相图和光谱图。



在频谱上，您可以看到宽度约为3 kHz的窄带电台。 左右声道的外观相同，但波形不同，这由相位图确定。 如果您分别收听，两个声道的声音听起来相同。 但是在使用耳机收听的同时，您可以注意相移。 相移的值为90度。 人们不仅可以从对图表的分析中猜测，而且可以从对图表的分析中猜测。 上面我注意到了一个事实，第二个通道是在输入信号（来自天线）的“混合”之后，由键混频器形成的，合成器的频率相移了90度。 但是，右声道不是左声道90度相移的直接结果（也已检查）。 实际上，即使从“计算机科学”的角度来看，也将是相同的信号。 上面的结论是，信号是不同的，因为在48 kHz的采样频率下，还可以获得48 kHz的带宽。

在音频录制模式下，观看广播广播的全景图并同时在Adobe Audition中观看I / Q信号的频谱，我能够了解到每个通道的频谱在视觉上都是广播广播整个频谱相对于中心的“卷积”。 在Adobe Audition中进行了90度相移以及加减通道的各种组合的进一步实验，帮助我弄清了所有问题。 凭经验证实了以下思想。 “ I”信号（左声道）是两个信号的总和（混合​​）：负责醚频谱左半部分的信号，以及偏移90度但占醚频谱右半部分的信号。 “ Q”（右声道）信号是两个信号的总和（混合​​）：负责醚频谱右半部分的信号，以及偏移90度但占醚频谱左半部分的信号。 逆相关性也非常相似。 我将使用数学公式抽象地显示这些转换。

给出两个不同的信号

$$

$$L = L（t），\ \ \ R = R（t）$$

如上所述，它们分别代表整个全景图光谱左半部分和右半部分的信号。 为了不堆积公式，将来所有信号都将不带时间参数地表示 $$$t$。

我们表示 $$$L_ {90}$信号移位 $$$90 ^ \约$和

$$

$$L_ {90} = f_ {90}（L）$$

相似地

$$

$$R_ {90} = f_ {90}（R），$$

在哪里 $$$f_ {90}$-相移信号运算符 $$$90 ^ \约$。

对于运营商 $$$f_ \ alpha$转移 $$$\ alpha$以下是明显的特性：

1.一致使用移位运算符 $$$f \ k$拐弯处的时代 $$$\ alpha_1，\ alpha_2，\点，\ alpha_k$给出一个角度偏移 $$$\ alpha$等于上述角度之和：

$$

$$f _ {\ alpha} = f _ {\ alpha_1} \ circ f _ {\ alpha_2} \ circ \点\ circ f _ {\ alpha_k}，\ \ \ \ alpha = \ sum \ limits_ {i = 1}$$

2.信号幅度 $$$S$在 $$$一$时间可以在操作员之前或之后更改 $$$f_ \ alpha$，但结果不会改变：

$$

$$f_ \ alpha（a \ cdot S）= a \ cdot f_ \ alpha（S）$$

3.信号移位的结果 $$$S$等于总和 $$$k$多条信号 $$$S_1，S_2，\点，S_k$倾斜 $$$\ alpha$等于以上信号相同角度的移位结果的总和：

$$

$$f_ \ alpha（S）= \ sum \ limits_ {i = 1} ^ kf_ \ alpha（S_i），\ \ \ S = \ sum \ limits {{i = 1} ^ kS_i。$$

4.信号 $$$S$相移了 $$$180 ^ \约$给出原始信号的“反相”：

$$

$$f_ {180}（S）=-S.$$

根据我的陈述，

$$

$$I = I（L，R）= L + f_ {90}（R）= L + R_ {90}，$$

$$

$$Q = Q（L，R）= f_ {90}（L）+ R = L_ {90} + R$$

根据这种表示，可以唯一地提取信号。 $$$L$和 $$$R$像这样：

$$

$$L = \ frac12 \ Big（I-f_ {90}（Q）\ Big），\ \ \ \ \（1）$$

$$

$$R = \ frac12 \ Big（Q-f_ {90}（I）\ Big）。\ \ \ \ \（2）$$

利用以上特性证明这些公式并不困难。

$$

$$\ frac12 \ Big（I-f_ {90}（Q）\ Big）= \ frac12 \ Big（L + R_ {90} -f_ {90}（L_ {90} + R）\ Big）=$$

$$

$$= \ frac12 \ Big（L + R_ {90} -f_ {90}（L_ {90}）-f_ {90}（R）\ Big）= \ frac12 \ Big（L + R_ {90} -f_ { 180}（L）-f_ {90}（R）\大）=$$

$$

$$= \ frac12 \ Big（L + R_ {90} + L-R_ {90} \ Big）= \ frac122L =L$$

同样的 $$$R$：

$$

$$\ frac12 \ Big（Q-f_ {90}（I）\ Big）= \ frac12 \ Big（L_ {90} + R-f_ {90}（L + R_ {90}）\ Big）=$$

$$

$$= \ frac12 \ Big（L_ {90} + R-f_ {90}（L）-f_ {90}（R_ {90}）\ Big）= \ frac12 \ Big（L_ {90} + R-f_ { 90}（L）-f_ {180}（R）\大）=$$

$$

$$= \ frac12 \ Big（L_ {90} + R-L_ {90} + R \ Big）= \ frac122R =R$$

现在，我们尝试使用Adobe Audition程序在实践中验证获得的公式。 实际上，从MatLab开始，有许多更方便的用于信号建模的程序，但我在Adobe Audition中工作。 我们将处理I / Q信号的一部分，其形式如上面的屏幕快照所示。 根据公式，需要从该信号中选择信号L和信号R，信号L对应于SDR全景图中频谱的左半部分。 这可以通过多种方式完成，但是我将考虑其中一种。

首先，您需要分别在文件“ i.wav”和“ q.wav”中分别保存信号I和信号Q（左右声道为两个单声道）。 然后，对每个保存的文件执行90度的相移操作。 这是通过“滤波器”部分中的“图形相移”效果完成的。 从列表中选择预设的预设“ +90度”并应用。



实际上，通常，您可以使用图形来手动设置频率相位响应，因为该处理基于直接和逆FFT。 但是在这种情况下，由于所有频率分量都需要偏移90度，因此这不是必需的。 应用效果后，我们将结果保存在名称分别为“ i90.wav”和“ q90.wav”的单独文件中。 然后，在“多轨”操作模式下，我们根据公式（1）和（2）收集立体声混音。 在左侧通道中-第一个公式，在右侧-第二个公式。 公式中有两个术语，第二个带有负号。 第一轨道是第一公式中的第一项。 在那里，我们放置了相应的信号，或者说是文件（“ i.wav”）。 第二轨道是第一公式的第二项（“ q90.wav”）。 但是他仍然需要“挂起”反演的效果。 可以使用“通道混音器”效果进行设置，如图所示进行设置。 两条轨道都完全输出到左声道。 对于第三和第四轨道（第二公式）也类似。 公式中的1/2系数可以忽略不计，样品已经安静了。 如果需要考虑到这一点，则需要将每个音轨的音量设置为-6 dB。



导出混音后，将创建一个新文件，其频谱如下图所示。



该文件的左声道代表与无线电广播全景图频谱的左半部分相对应的信号。 对-类似。 在频谱图中，从视觉上可以看到，直到一个小的“镜子”，通道都是不同的，在我看来，这是由于某些技术上的细微差别引起的。

因此，根据上述公式的任何两个信号都可以“折叠”为I / Q表示形式并“分解”回去。

以上所有思想都有存在的权利，但实际上，一切都简单得多（或更复杂）。 后来我发现了今天显而易见的事实：I / Q信号不同于具有实部和虚部的普通复数信号。 收发器SDR模块中的合成器与分频器一起发出一对信号，可以称为复数本机振荡器。 看起来很奇怪，进入声卡的复杂I / Q信号的频谱具有负分量。 在48 kHz的采样频率下，信号频带为-24至24 kHz。 我从I / Q中提取的信号L是I / Q信号频谱负部分的信号，信号R是正信号。

在实践中，从I / Q信号中得到的不是一个信号对（一半），而是一个具有相同48 kHz频带的信号，而是使频谱完全位于正频率范围（将频谱向右移动24 kHz），而不是像我之前所做的那样。 。 这样的信号将已经具有96 kHz的采样频率。 为了使用Adobe Audition获得这样的信号，必须根据已知算法执行正交调制操作。 此操作与正交检测操作相反，正交检测操作仅发生在硬件级别的接收器的SDR路径中，将无线电醚的整个频谱向“左”移动了本地振荡器频率。

让我们尝试在Adobe Audition中以以下著名的框图为指导进行正交调制。



我将简要介绍已完成的操作。 首先，出于形式上的考虑，您需要将原始文件从48 kHz上采样到96 kHz（尽管实际上，此过程是可选的）。 然后，有必要在一个空文件（采样频率为96 kHz）中以与I / Q信号原始片段相同的长度生成一个频率为24 kHz的正弦音调。 这将是一个正弦信号。



同样，我们为第二个新文件创建一个音调，但仅将“开始相位”参数从0更改为90。这样，将创建一个余弦信号。 根据框图，有必要将正弦信号与“ Q”分量乘以余弦信号与“ I”分量成对，然后相加。 首先，将“ Q”分量（右声道）从原始I / Q信号复制到剪贴板。 然后，在使用正弦波选择整个波形区域后，使用“编辑”菜单“带有参数“调制”的混合插入”，“来自缓冲区1”的功能。



单击“确定”按钮后，剪贴板信号将与所选信号相乘。 乘法的结果将代替正弦信号。 我们对余弦信号和Q通道执行类似的操作。 然后，我们在“多轨”模式下混合结果，然后立即将混合导出到“单声道”。 结果是一个信号，其频谱如下图所示。



这正是SDR全景图上绘制的相同光谱的图像。 使用Adobe Audition中本文所述的所有操作，您可以从I / Q记录中选择任何窄带广播电台。 在某些情况下，可能需要对上述操作进行一些小的修改（如果有必要将频谱上下颠倒）。 另外，您将需要带通滤波器，AGC和其他效果。

总而言之，值得注意的是关于SDR技术的几点。 迄今为止，已经存在并且非常容易获得的SDR，它们具有整个无线电频段（直接从天线输入端）直至几GHz的“直接数字化”。 它更加有趣和完美。 通过声卡进行SDR已经是“上个世纪”。 此外，“ DVB调谐器作为SDR接收器”，“ SDR在线”等主题现在最受欢迎。 当然，大多数现代读者至少听说过有关SDR的内容才是确切的意思。 但这是一个完全不同的话题。