使用RTL-SDR和Matlab Simulink玩转软件无线电（一）

1 介绍

从第一部2G数字手机出现在市场上到现在不到20年。90年代中期开始流行短信交流，然后GSM和GPRS为基础的调制解调器开始涌现，然而那时的连接速率很慢只有几kbps。这就是无线数字革命的开端。90年代末期到2000年左右，3G移动通信开始能够提供几百kbps的带宽，WiFi也出现了，当时的WiFi可以使设备在20米内与AP通信。最早WiFi的带宽只有几Mbps，到2005年我们开始可以使用54Mbps，然后又发展到300Mbps，2010年以后MIMO技术的引用，带宽又进一步提高。智能手机也不停地在进化。WiFi和蓝牙现在已经是智能手机的标配，当然智能手机还必备了2G，3G甚至4G的连接能力。家庭和办公室都安装了高速WiFi，城市、乡村到处都有移动基站。然而，无线革命还只是刚刚起步。越来越多的近距离通信设备SRD和物联网IoT设备的普及，不久的将来每个人都必然拥有更多的联网设备，而不仅仅是手机、电脑或平板，10台以上都很有可能，包括钥匙，传感器，GPS跟踪器，等等。所有的东西都将会装上无线网络。

软件无线电SDR的定义是大多数的物理层功能都使用数字信号处理算法实现，理想的SDR接收机的组成部分是很少量的硬件前端、天线和高速GHz的采样器，采样器能够捕获大范围的无线信号并转换为数字信号。任何的解调、同步、解码、解密都是用软件来实现，这个设备的处理速度必须非常快。

目前大多数智能手机及类似的设备都拥有多达8种无线模块，用于处理不同频段的信号，比如WiFi(2.4GHz)、LTE(800MHz)、GSM(900MHz)、UMTS(2.1GHz)、GPS(1.5GHz)、蓝牙(2.4GHz)、NFC(13.56MHz)和FM(100MHz)，将来可能还要包括IoT和电视频段UHF(400MHz)。最终的解决方案是用一个单一的SDR以GHz的带宽来采样，并且把这些信号进行数字化，把从基带到3GHz的所有信号都直接用软件来解调。图1.1表示我们日常生活中使用的信号及它们的频段。

本书中我们会使用USB接口的RTL-SDR作为SDR硬件，并且使用MATLAB和Simulink软件来设计和实现真正可用的SDR系统。我们会获取到从25MHz到1.75GHz的信号，并且使用硬件把它们数字化，然后用软件来解调并获取信息。我们会设计调幅(AM)接收机、调频(FM)接收机，正交振幅调制(QAM)接收机，频谱分析仪等系统；硬件只使用廉价的RTL-SDR，算法都用MATLAB和Simulink实现。我们会在1.6节讲到，RTL-SDR是一种中频(IF)采样接收机，而不是射频(RF)采样接收机，我们会展示这种类型的SDR设备如何接收到25MHz到1.75GHz的信号。