如何實現FM廣播回放？

04-19

FM（Frequency Modulation）即頻率調製，人們習慣上用FM來指一般的調頻廣播（在中國為88-108MHz）。注意FM廣播一般為WBFM（寬頻調頻），對講機一般為NBFM（窄帶調頻）。FM調製一般是把基帶信號（比如說語音信號）體現在載波的頻率信息中，正如下面的公式所描述的：

$A_{m}cosomega_{m}t ightarrow Acos(omega_{c}t+eta_{F}cosomega_{m}t) = Re[Ae^{jomega_{c}t}e^{jeta_{F}cosomega_{m}t}]$

其中 $eta_{F}$ 為調製指數且 $eta_{F} = frac {K_{F}A_{m}}{omega_{m}} = frac {Delta omega_{max}}{omega_{m}} = frac {Delta f_{max}}{f_{m}}$

FM解調即是把基帶信號從載波的頻率中解析出來，二者互為逆過程。

接下來要介紹一下本文的主角了——HackRF！

HackRF是一款簡易的開源SDR（軟體定義無線電），SDR是一種無線電廣播通信技術，它基於軟體定義的無線通信協議而非通過硬連線實現。頻帶、空中介面協議和功能可通過軟體下載和更新來升級，而不用完全更換硬體。

更多關於SDR的故事請詳見下面鏈接：

【Software Defined Radio】軟體無線電的過去、現在和未來

下圖為HackRF硬體架構圖：

HackRF硬體結構圖

以接收過程為例，信號由天線進入後流程如下：

由射頻開關決定是否經由14dB的放大器進行放大（RF放大）
經過鏡像抑制濾波器對信號進行高通或低通濾波。
信號進行RFFC5072晶元混頻到2.6GHz固定中頻。
信號送入MAX2837晶元混頻到基帶，輸出差分的IQ（兩路正交）信號（帶寬限制）
MAX5864晶元對基帶信號進行數字化後送入CPLD和單片機。
LPC4320/4330處理器將採樣數據通過USB送至計算機。

HackRF支持Windows、Linux、Mac、安卓等系統，推薦大家使用Linux的GNU Radio軟體環境，本文會以Linux的一個完全支持HackRF和GNU Radio的distribution——pentoo為實例展示。

在pentoo的text模式輸入以下命令進入X Windows界面:

$ startx

為了驗證HackRF是否被系統檢測到，可以觀察電路板的USB燈是否點亮，點亮說明已被檢測到；或者是在終端輸入hackrf_info，若輸出類似以下信息說明已被檢測到。

hackrf_info version: 2017.02.1
libhackrf version: 2017.02.1 (0.5)
Found HackRF

Index: 0
Serial number: 0000000000000000################
Board ID Number: 2 (HackRF One)
Firmware Version: 2017.02.1 (API:1.02)

Part ID Number: 0x######## 0x########

打開終端，輸入：

$ gnuradio-companion

gnuradio-companion是一個類似於Labview的圖形化程序開發環境，採用python編寫，其中每個模塊的屬性配置均可採用python語法的表達式，最後編譯為py文件，可以在GUI上運行程序或者在終端輸入以下指令運行：（FM_Radio為我編譯的該常式名）

$ python ./FM_Radio.py

默認的空白界面應該是有options和一個Variable模塊，其中options可以配置常式名字和使用的GUI庫，比如WX庫或者QT庫；Variable模塊可以理解為一個全局變數，其有ID和Value兩個屬性，ID為變數名稱，Value為變數值，默認自帶的一個變數是samp_rate，其默認值為32e3，這個變數特別重要，代表著HackRF的採樣速率，在後面也會提到。

下面就按照模塊化的實例進行說明。

osmocom Source可以理解為配置HackRF為接收狀態，這裡需要把RF Gain設置為0dB，表示旁路射頻增益放大器，這裡注意一下，RF Gain雖然可以輸入任意數，但是實際只有兩檔：0dB和14dB，在這裡旁路是因為防止高功率的射頻信號再經過放大損壞電路板。Ch0:Frequency表示接收信號的中心頻率，我設置其為97.5e6。

Multiply（即乘法器）的作用是混頻，本質就是頻譜搬移。因為如果我們確定了Ch0的頻率（方便觀察FFT實時頻譜圖），便不能改變接收信號的中心頻率（即換台），那麼我們就可以與一個可變頻的本地信號源混頻（定義一個Slider），把中心頻率進行搬移，再進行低通濾波即可獲取我們想要的信號了。

濾波器的參數設置必須符合WBFM的特點，在這裡我們把採樣速率下降50倍，因為信號要進行解調處理，降低採樣速率可以降低運算負擔（當然如果省略這一步也可以），Rational Resampler其實進行的是採樣率的乘除法，先乘12再除5，到這一步採樣率應該為 $samp\_rate = frac{10e6 imes12}{5 imes50} = 480e3$

再進行WBFM接收（解調），這裡還需將採樣率縮小10倍，採樣率變為 $samp\_rate = frac{480e3}{10} = 48e3$

這樣才可以匹配計算機音效卡的採樣率，Audio Sink即為計算機音效卡輸出，這時運行該程序即可收聽FM廣播了，如果想更改頻道的話可以拖動Slider滑塊。

下面就是本文的最終部分了：如何實現廣播回放？

其實很簡單，我們只需要把FM信號錄製下來就可以了，但是我們應該從哪一步開始錄製呢？理論上哪一步都可以：如果在接收機或者混頻之後錄製，那麼採樣率沒有經過調整，計算機還會以預設的採樣率進行錄製，這樣就會導致錄製文件比較龐大，浪費硬碟資源。所以我建議放在WBFM解調之後，這樣會以音效卡的採樣速率錄製文件，而且在回放的時候步驟也很簡單，僅需要File Sink和Audio Sink兩個模塊。

gnuradio-companion編譯界面

幾點解釋：

經過正交檢波後，IQ採樣可以放寬對ADC採樣速率的限制，比如某信號頻域的最高頻率為10MHz，但我們手上僅有採樣率為10MS/s的ADC，如果進行直接採樣的話，勢必會造成頻譜混疊（採樣率低於Nyquist率），但是如果為IQ採樣的話就可以避免這一情況了，我們可以理解為IQ實際採樣率為其標稱採樣率的兩倍。

MCU通過USB匯流排將採樣數據傳送到計算機上，所以其實HackRF只是一個信號採集設備，信號分析、處理都是在計算機上完成的，這就對計算機的CPU和USB匯流排性能有一定的要求。如果HackRF的採樣速率為20MS/s（HackRF的最大採樣率），那麼就需要USB的傳輸速率達到20Mbps以上才可以匹配，所以在操作HackRF時盡量關掉佔用匯流排的設備。

HackRF在其SMA插頭沒接天線的時候盡量不要打開電源，以免高頻信號反射燒壞晶元IC，然而可以接50歐姆的負載做阻抗匹配。在天線端若使用有線的高頻線纜連接的話最好接一個10dB的衰減器，而且一定要把射頻增益放大器的增益開關關閉。

GUI可以選擇QT庫還是WX庫，如果選擇QT庫的話在編程區拖入WX模塊的話就會報錯，反之同理。

低通濾波器參數的設置使它看起來像一個模擬的低通濾波器，但它實際上是一個FIR濾波器，只不過設置它的截止頻率和過渡帶寬會自動計算出FIR濾波器的響應，有興趣的話可以直接使用FIR濾波器來取代該低通濾波器。

一定要注意數據類型的匹配，不匹配會報錯，比如說WBFM Receive的輸出為float型，但是File Sink的輸入為complex型，這時需要調整File Sink的輸入為float型來匹配。