使用RTL-SDR和Matlab Simulink玩转软件无线电（二十一）

3.13 扫描频谱：把25MHz到1.75GHz的信号都收下来。

这一节我们会做本章最后一个练习，使用一个RTL-SDR扫描整个频率范围内的信号。对于大多数RTL-SDR设备来说（R820T版本，1.6节里讲过）这个范围是25MHz到1.75GHz，整个宽度是1.725GHz。（注意，有些少见的RTL-SDR使用了E4000的调谐器，它的范围是从53MHz到2.2GHz，但是它在1.1GHz和1.25GHz间不能用，我们会用它和R820T版本对比）

我们定义“扫描”是一个不断调谐RTL-SDR到不同中心频率并获取频谱信息的过程。图3.17介绍了这一过程如何产生整个频谱的信息。

在理想情况下，我们会把SDR的采样率设置得很高，比如100MHz，但是我们现在的设备只是一个RTL-SDR，它的带宽最大只有2.8MHz，每次重新调谐只能增加2.8MHz的一小段。每次选择的新的中心频率都比之前的高2.8MHz。因此如图3.17，fc(i+1)=fc(i)+2.8MHz，调谐15次产生42MHz带宽的信息，之间没有重叠。

我们写了一个Matlab脚本，你可以运行一下试试。

练习3.13 扫描整个频率范围从25MHz到1.75GHz

这个练习中你会使用RTL-SDR来扫描整个频谱，并且绘图。我们提供了脚本，你不需要自己写，只需要点击运行即可。如果你想知道更多的原理，可以先看看练习4.2。

(a)打开Matlab。把工作文件夹设置到练习目录/spectrum/sweep，然后打开脚本…/rtlsdr_rx_specsweep.m

(b)检查参数。rtlsdr_rx_specsweep函数开头有各种参数。这些参数用来控制最低和最高频率，以及RTL-SDR的设置。

(c)更改location为你自己的地名。默认是我们的地名glasgow。这个参数决定了标题和文件名。设置start_freq和stop_freq，这是你要扫描的范围。你需要确定你的RTL-SDR可以调谐到这些频率上。R820T和E4000的范围在表3.2中给出。

（注意：如果是E4000的RTL-SDR，你需要你要分两段扫描，因为调谐器内部的PLL不能设置在它的死区里）

你可以更改RTL-SDR相关的参数，比如rtlsdr_id和rtlsdr_gain。你也可以更改rtlsdr_fs。但是如果你改了以后就与我们后面的解释不相符了。

默认情况下，RTL-SDR的采样率是2.8MHz，同时有2个通道I和Q。也就是说在matlab代码里，信息的带宽是2.8MHz，并且包含了fc-1.4MHz到fc+1.4MHz的频谱信息。由于频率响应不平坦，见练习3.12，把每次扫描的步进设置为低于2.8MHz更好。Matlab脚本的信息范围减小为fc-1.2MHz到fc+1.2MHz，这样RTL-SDR的响应足够平台。每次重新调谐，增长的频率值是1.4MHz，这样不停重复这个步骤就会得到完整、平坦的频率信息。

其他参数可以看看函数开头。

nfrmhold表示的是RTL-SDR每次重新调谐后收取的帧数。理想情况下这个数字越大越好，但是如果增加这个数字将极大提高程序处理时间。fft_hold控制了取值的方式。如果设置为avg，就是把每个频率分量的功率的平均值算出来，如果设置为max，这个操作使用的就是这段时间内这些分量的功率的最大值。

nfft设置的是FFT计算的点数。dec_factor用来控制显示图像时的抽取率。我们设置的是16，这样最终的图像看上去不会太繁杂。overlap是表示两次调谐间重叠覆盖的范围。正如我们之前所说。默认的重叠值是0.5，表示RTL-SDR每次调谐后增加fs/2Hz。最后一个参数，nfrmdump表示的是每次重新调谐后要扔掉多少数据。RTL-SDR每次重新调谐后大概有100帧的IQ采样是要扔掉的，后面的数据才会是有效数据。在脚本中我们把无效数据扔掉，这样它们不会影响平均值的计算。

我们前面说过，更改这些参数可能造成不好的结果。你现在先不要改。

(d)观察剩余代码。与练习2.6里的代码相比，我们这里的代码更复杂一些，在显示前要处理更多数据。大致的代码工作流程如图3.18，你要能把这些部分的描述和代码对应起来。

Function:rtlsdr_rx_specsweep

%用户可以设置仿真参数和扫描范围

%做了一些计算来找到所有要调谐的中心频率点

%调用create_spectrum和capture_and_plot函数

%画图并保存

Function:create_spectrum

%创建并自定义图像窗口，使其看上去类似频谱仪

%运行axes_position，创建两个轴

Function:axes_position

%通过当前的图像大小（单位是像素）来重新调节两个轴在图像窗口中的位置

Function:resize_spectrum

%用户每次重新调整图像窗口就会回调这个函数

%调用axes_position来重新在窗口里绘制坐标轴

Function:capture_and_plot

%创建RTL-SDR对象和其他接收机组件

%把数据帧从RTL-SDR采集下来

%把数据转到频域

%然后把RTL-SDR调谐到下一个中心频率点，重复前面的过程

%所有数据都得到后，把它们绘制到图像窗口上

(e)信号分析：提供了频谱扫描功能。在你运行脚本扫描你附近的频谱活动前，你可以先看看其他地方的结果。打开’R820T Glasgow’的扫描结果（如图3.19）或者点击下面的超链接。

这幅图展示的是Matlab图像窗口（由脚本绘制，使其看起来像个频谱仪），它显示的是整个频谱范围内各信号在各频率分量上的功率。你可以把窗口最大化，这样你就能看到完整标题。上方的蓝线展示的是dBm为单位的频率分量功率，下面橘黄色的线表示的功率值的单位是瓦特。

(f)看看频谱图，观察整个扫描结果里有多少频率峰值，我们可以看到Glasgow有大量不同的信号。使用放大工具可以仔细观察，把这些信号与下表3.3的介绍相互参照一下。

在这几个频率上放大，你可以看到各种信号都有自己的特性，幅度，带宽，调制类型都不同。

有些信号的功率很高，带壳很窄，有些信号的带壳很大，有许多载波，但是强度都低一些。

(g)还有些别的扫描图像。在/sweep文件夹里，你可以看到许多地方的扫描结果有美国的英国的，还有大西洋上方30000英尺高空的。你可以在网上查查这些信号是什么。

(g)准备运行脚本。你熟悉了脚本并预见了它大概的结果，是时候运行了。确保RTL-SDR接入电脑，Matlab能够调用它，然后把别的无关程序关掉释放内存。

(i)运行脚本。点击运行按钮，等待几秒，Matlab会与RTL-SDR建立连接，然后开始接收数据。在运行过程中，RTL-SDR的当前频率值会以如下方式在Matlab命令窗口中显示。

这个脚本会持续运行，直到所有频谱活动都记录下来。这个过程可能需要10分钟，如果你电脑的内存小可能时间更长。如果你要终止程序，可以在键盘上按下CTRL+C。

如果你在运行完成前就终止，那么你不会看到图像。只有当它完全扫描后，才能看到图像。

完成后，频谱仪的图像就出来了，这个图像表示的是你附近的频谱活动，你可以看到两个坐标轴。你可能需要最大化窗口，这样图像标题和坐标轴的显示才会正确。

(j)除非你在Strathclyde大学运行程序，否则你的结果会跟我们的结果很不一样。因为世界上所有地方的频谱图都不一样。这也是本练习有趣的地方。

(k)观察你的频谱。使用放大工具看看你附近的频谱，你找到和我们前面说过的类似信号了吗，你能猜猜它们是什么吗？

(i)识别信号。把信号的中心频率记住，然后找找你的国家的相关信息，认出这个信号的种类。英国读者可以查一下Ofcom的频率分配表。

(m)E4000的RTL-SDR。/sweep文件夹还给了E4000的扫描结果。你看到区别了吗

E4000是零中频调谐器。基带信号很可能含有很大的直流波峰。这与R820T完全不同，R820T的DC分量附近没有东西。E4000的直流分量太大，甚至不能用练习3.1的方法来去除，它会保留在频谱里，这就产生了一个问题。

观察E4000的2GHz的范围，你还能看到7个2100MHz的UMTS频道，每个5MHz宽。注意频谱看上去毛刺很多。这些毛刺是每次调谐的DC分量。也就是说每个毛刺都对应了一个中心频率。R820T设备不会有这种现象，但是R820T设备不能接收1.75GHz以上的信号。

3.14总结

本章节的练习帮助你了解RF频谱，正是它们实现了我们的日常通信。你可以看到我们用了不同的调制方式。你也能通过频谱特性把它们区分出来。我们介绍了通过观察来调谐无线电的方法，你学会了如何调谐RTL-SDR的增益。你现在学的东西对后面的部分很有用。