Nghiên cứu phát triển bộ thu mềm hệ thống thông tin tương tự dựa trên công nghệ RTL-SDR phục vụ đào tạo

Bài viết này giới thiệu phát triển một bộ thu mềm RTL-SDR cho hệ thống thông tin tương tự sử dụng điều tần (FM - Frequency Modulation). Bộ thu FM RTL-SDR có thể làm việc để thu được tín hiệu FM của các đài phát thanh FM như Hải Phòng, tại tần số 93,7MHz.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA H C - CÔNG NGH NGHIểN C U PHỄT TRI N B THU M M H TH NG THÔNG TIN T NG T D A TRểN CÔNG NGH RTL-SDR PH C V ÀO T O RESEARCH ON DEPLOYING AN EDUCATIONAL ANALOGUE COMMUNICATION RECEIVERS BASED ON RTL-SDR NGUY N PH NG LỂM, PH M VI T H NG* Khoa i n - i n t , Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam *Email liên h : phamviethung@vimaru.edu.vn Tóm t t Hi n nay, b thu cho h th ng thông tin t ng t thông tin s d a công ngh vô n u n b ng ph n m m (SDR) đ c ng d ng nhi u th c t V i n n t ng ph n c ng RTL-SDR (Realtek SDR), kh n ng s d ng tích h p mơi tr ng l p trình Matlab/Simulink giúp cho vi c phát tri n h th ng SDR s d dàng h n Vi c phát tri n b thu RTL-SDR s t o mơ hình h c t p thu n ti n, b ích thi t th c cho c gi ng viên sinh viên Bài báo gi i thi u phát tri n m t b thu m m RTL-SDR cho h th ng thông tin t ng t s d ng u t n (FM - Frequency Modulation) B thu FM RTL-SDR có th làm vi c đ thu đ c tín hi u FM c a đài phát FM nh H i Phòng, t i t n s 93,7MHz T khóa: Vơ n u n b ng ph n m m, RTL-SDR, u ch FM, gi i u ch FM Abstract Nowadays, analog receivers based on Software Defined Radio (SDR) have many applications Since the availability of hardware platform of RTL- SDR (Realtek SDR), many devices with very low cost and interact with Matlab/Simulink allow many real SDR systems be developed Developing RTL-SDR receivers creates useful tools and actual system models for lecturers and students In this paper, a RTL-SDR receiver for FM communications is presented The presented receiver can receive FM signals of FM stations such as Haiphong TV at 93,7MHz Keywords: Sofware Defined Radio, RTL-SDR, FM modulation, FM demodulation Gi i thi u Trong nh ng n m g n đây, công ngh vô n u n b ng ph n m m (SDR - Software Defined Radio) tr thành m t h ng nghiên c u phát tri n r ng rưi đáng quan tâm Ban đ u, công ngh SDR S 70 (04-2022) đ c s d ng ch y u quân s đ truy n thơng gi a thi t b địi h i tính b o m t [1] Sau đó, ng d ng dân s nh n tho i di đ ng c ng s d ng cơng ngh SDR đ có th ho t đ ng v i nhi u tiêu chu n khác Các h th ng nh thông tin di đ ng, truy n hình s , phát qu ng bá, truy n hình qu ng bá, m ng WLAN (Wireless Local Area Network) t n t i nhi u chu n truy n thơng khác Các chu n địi h i nhi u thi t b n t ph c t p, làm t ng giá thành h th ng gi m giá thành, ki n trúc dành riêng đ c phát tri n N u ki n trúc chuyên bi t đ c s d ng đ phát tri n s n ph m, vi c nâng c p thi t b ho c h th ng nh m t ng thích v i m t tiêu chu n m i ho c b sung thêm tính n ng m i s g p r t nhi u khó kh n Gi i pháp s d ng SDR s gi i quy t đ c v n đ V i ki n trúc SDR đ m nh kh trình, h th ng s d ng SDR có th đáp ng, t ng thích v i nhi u chu n khác m t n n t ng thi t b Các h th ng vơ n kh trình nh v y có th d dàng đ c nâng c p đ kh c ph c l i (bug) ho c thêm ch c n ng h tr chu n m i ng th i, v i SDR, v n đ , l i v ph n c ng s chuy n đ i thành v n đ , l i v ph n m m nên vi c x lý s tr nên thu n ti n linh ho t h n Các b thu SDR lý t ng có thành ph n đ u cu i s d ng ph n c ng r t nh , ch có anten m t b l y m u t c đ cao c GHz đ th c hi n thu s hóa đ c c nh ng tín hi u b ng r ng t n s vô n H u h t kh i x lý nh b tr n, b l c, b u ch b gi i u ch h th ng truy n thông vô n đ u đ c thay th b ng SDR V i thi t b RTL-SDR (Realtek SDR) có chi phí t ng đ i r , công ngh SDR tr thành m t đ ng l c nghiên c u, phát tri n cho k s truy n thông c ng nh cho sinh viên, h c viên sau đ i h c [2-4] Khi thi t b RTL-SDR đ c phát tri n v i trình u n mư ngu n m , thi t b RTL-SDR đ c s d ng m t cách ph bi n h n đ x lý v i tín hi u vơ n (RF) c ng nh tín hi u I/Q (Inphase/Quadrature) s hóa có d i t n t 25MHz đ n 1,75GHz [5-7] D i t n làm vi c r ng nh v y giúp cho thi t b RTL-SDR có 95 TẠP CHÍ KHOA H C - CƠNG NGH th x lý đ c v i tín hi u nh tín hi u FM (FM - Frequency Modulation), tín hi u GSM (Global System for Mobile Communications), tín hi u 3G, tín hi u GPS (Global Positioning System),… Bài báo phát tri n m t b thu cho h th ng thông tin t ng t s d ng u t n (b thu FM), s th c hi n c ch u ch khác s d ng thi t b RTL-SDR, đ ng th i k t h p v i Matlab/Simulink [8] đ thi t k tri n khai ch c n ng c a b thu FM V i m c đích ph c v đào t o, b thu FM s d ng RTL-SDR có th d dàng thay đ i thông s h th ng, u ch nh đ thu đ c tín hi u c a đài FM H i Phòng t i t n s 93,7MHz Vi c phát tri n m t b thu FM máy tính PC ho c laptop d dàng quan sát, u ch nh tham s k thu t s giúp cho sinh viên, h c viên sau đ i h c l nh v c n t truy n thông hi u sâu s c h n v c ch ho t đ ng, đ c m k thu t c a h th ng thông tin t ng t FM c ng nh h th ng thông tin t ng t khác nh AM (Amplitude Modulation) u m c a b thu FM kh n ng d dàng quan sát đ c ph t n s , d ng sóng mi n th i gian c a tín hi u FM khu v c đ t b thu ng th i, có th u ch nh linh ho t tham s c a b thu, ph ng th c tách sóng khác cho b thu, ho c d ng b thu khác (1 kênh - mono ho c kênh - stereo) Bài báo g m có ph n sau: Ph n mô t s đ kh i ch c n ng c b n c a thi t b RTL-SDR Ki n trúc b thu FM s d ng RTL-SDR k t h p Matlab/Simulink đ c đ a ph n k t qu th nghi m b thu FM đ c trình bày ph n Cu i cùng, ph n đ a m t s k t lu n h ng phát tri n C u trúc thi t b RTL-SDR RTL-SDR m t thi t b có giá thành r , nh g n, ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY d dàng s d ng chu n k t n i USB đ thu nh n tín hi u RF (Radio Frequency) nh minh h a Hình 1[5] ây m t s n ph m đ c ch t o b i hưng NooElec Ban đ u thi t b đ c s d ng cho d ch v truy n s m t đ t qu ng bá DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) v i thành ph n chipset Realtek RTL2832U k t h p v i IC tuner nh Rafael Micro 820T RTL-SDR có th d dàng ho t đ ng ch đ khác có kh n ng thu nh n b t k tín hi u RF ph m vi u ch nh c a IC tuner D i t n làm vi c c a RTL-SDR t 25MHz đ n 1,75GHz RTL-SDR thu nh n tín hi u RF, h t n xu ng b ng g c, th c hi n s hóa tín hi u Các m u c a tín hi u s b ng g c đ c đ a c ng USB đ truy n thông v i máy tính Hình Thi t b RTL-SDR c a NooElec th c hi n x lý tín hi u, thi t b RTL-SDR có thành ph n ch c n ng nh minh h a Hình Tín hi u RF qua RT802T đ c h t n xu ng t n s trung t n IF (Intermediate Frequency) nh b dao đ ng u n b ng n áp VCO (Voltage - Controlled Oscillator) B dao đ ng VCO kh trình đ c u n b i RTL2832U Sau qua b AGC (Automatic Gain Control), tín hi u IF đ c ti p t c h t n xu ng Hình S đ kh i ch c n ng thành ph n RTL-SDR 96 S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA H C - CÔNG NGH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY b ng g c thông qua ph ng th c c b n nh l c, l y m u tín hi u l i b ng b chuy n đ i t ng t /s (ADC - Analog Digital Converter) sau gi i u ch v b ng g c b ng b dao đ ng u n s (NCO - Numerically - Controlled Oscillator) c u ph ng Cu i cùng, m u kênh I/Q bit đ c đ a c ng USB đ có th x lý d li u b ng ph n m m Matlab/Simulink cài đ t máy tính thi t l p ch đ làm vi c khác c a RTL-SDR, thông s nh t n s trung tâm RF , t n s l y m u b ng g c h s khu ch đ i c a b khu ch đ i cao t n có th đ c thi t l p Matlab/Simulink Phát tri n b thu tín hi u FM s RTL-SDR d ng có th giao ti p đ c v i thi t b RTL-SDR, Mathworks đư cung c p gói h tr ph n c ng cho RTL-SDR cho phép Matlab Simulink có th giao ti p u n RTL-SDR Khi đó, m u tín hi u b ng g c l i t RTL-SDR đ c đ a đ n môi tr ng ph n m m đ cho phép ng i s d ng có th tri n khai d ng khác c a b thu d ng mơ hình Simulink ho c ch ng trình Matlab Các d li u kênh I/Q có th đ c l u tr d i d ng file x lý c n thi t ho c v i thi t b máy tính PC đ m nh, d li u có th đ c gi i u ch , gi i mư th i gian th c T n s trung tâm đ c thi t l p giá tr ) T n s l y m u b ng g c đ c thi t l p giá tr ; thi t l p h s khu ch đ i , h s có th đ c u ch nh tùy thu c vào ch t l ng c a tín hi u FM thu đ c Tín hi u vơ n FM RTL-SDR [9] có d ng: cos⁡ thu b i (1) tín hi u b n tin; Trong s u ch FM h ng Tín hi u đ c tr n t n v i tín hi u dao đ ng VCO t n s đ h t n v tín hi u b ng g c d ng ph c Tín hi u l i c a RTL-SDR s có d ng (2) Trong đó: tín hi u ph c c a b VCO s là: Tín hi u h t n cos Trong đó: cos cos (3) qua b l c thông th p đ lo i Tín hi u b thành ph n t n s cao, ch l i thành ph n tín hi u b ng g c d ng ph c: (4) Trong tr ng h p lý t ng, t n s s d ng đ x px gi i u ch t n s c a sóng mang t i nhau, có th b ng nên đ t: (ho c ) Do đó, tín hi u RF s đ c gi i u ch hồn h o v tín hi u b ng g c ph c: (5) Tín hi u FM d ng ph c m u b ng g c đ a đ n n n t ng Matlab/Simulink Trong Simulink, thành ph n giao ti p đ c v i RTL-SDR đ c đ t vào mơ hình v i thành ph n đ th c hi n b gi i u ch u c a kh i u ch tín hi u âm đ c đ a đ n loa c a máy tính Hình S đ b thu FM mono RTL-SDR S 07 (04-2022) 97 TẠP CHÍ KHOA H C - CƠNG NGH JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 3.1 B thu FM kênh (mono) Mơ hình Simulink đ th c hi n gi i u ch tín hi u FM t RTL-SDR đ c minh h a H.3.2 B thu FM kênh (stereo) T hoa tiêu Mono [L+R] 15 19 tách tín hi u hoa tiêu 19kHz; nhân đơi t n s đ đ c tín hi u 38kHz s d ng đ gi i u ch thành ph n stereo, gi i mư stereo đ l c kênh mono stereo l i Do đó, mơ hình Simulink c a b thu stereo RTL-SDR đ c minh h a Hình K t qu vƠ đánh giá Stereo [L+R] (Stereo) LSB 23 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI (Stereo) USB 53 f (kHz) 38 Hình Ph b ng g c c a tín hi u FM đ c ghép kênh Trong tr ng h p đài phát FM th c hi n phát kênh (ch đ stereo) v n trì ch đ phát mono cho b thu FM mono Khi đó, phía phát th c hi n tách hai thành ph n “Mono” “Stereo”, đó, kênh “mono” đ c h n b ng kho ng 15kHz, m i kênh “stereo” c ng có m t kho ng b ng thơng 15kHz, sau kênh đ c th c hi n ghép kênh s d ng m t sóng mang 19kHz g i tín hi u hoa tiêu (Pilot tone) nh minh h a Hình B thu FM stereo có th đ c c i ti n t b thu FM mono đư tri n khai có thêm m t s thay đ i thơng s c u hình Do tín hi u FM stereo có d i t n s đ n 53kHz v y, t n s l y m u c a kh i FIR decimation ph i nâng lên 120kHz thay ch 48kHz nh b thu FM mono Ngoài ra, c n ph i b sung thêm kh i tách kênh FM stereo Kh i tách kênh th c hi n x lý nh c tr ng c a tín hi u FM đ c đánh giá c mi n t n s mi n th i gian Trong mi n t n s , ph c a tín hi u FM thu đ c t b thu RTL-SDR có b r ng ph 240kHz ho c 2,4MHz tùy thu c vào c u hình b thu Bên c nh đó, ph c a tín hi u gi i u ch c ng đ c đánh giá Trong mi n th i gian, d ng sóng c a tín hi u tr c gi i u ch đ c quan sát d ng g m tín hi u d ng ph c (kênh I/Q) tín hi u b n tin sau gi i u ch 4.1 B thu FM mono Các k t qu tri n khai b thu FM mono đ c th hi n Hình 6, Hình Hình Hình ph c a tín hi u FM tr c gi i u ch ây tín hi u FM đ c thu b i b thu RTL-SDR Quan sát ph nh n th y có vùng t n s quanh t n s sóng mang 93.7MHz có tín hi u FM v i b r ng ph kho ng 2,4MHz Ph c a tín hi u FM sau gi i u ch đ c minh h a Hình 7, ph có b r ng kho ng 20kHz D ng sóng mi n th i gian c a tín hi u kênh I, kênh Q d ng sóng c a tín hi u b ng g c thu đ c t b thu RTL-SDR đ c minh h a Hình Biên đ c a tín hi u kênh I, kênh Q tín hi u b ng g c s có s thay đ i khác tùy thu c vào thông tin, n i dung b n tin t i th i m c a đài phát Hình S đ b thu FM stereo RTL-SDR 98 S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA H C - CÔNG NGH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Ph tín hi u l i vào b gi i u ch FM Hình D ng sóng tín hi u FM thu đ c Hình 10 Ph tín hi u l i b gi i u ch FM stereo 4.2 B thu FM stereo i v i b thu FM stereo, k t qu đánh giá hi u n ng ho t đ ng c a b thu RTL-SDR đ c th hi n Hình 9, Hình 10 Hình 11 Hình ph c a tín hi u FM tr c gi i u ch Hình Hình gi ng đ u th hi n ph c a tín hi u FM thu đ c t b thu RTL-SDR tín hi u l i vào b gi i u ch , sau đư qua trình h t n t cao t n RF v d ng s b ng g c module RTL-SDR Ph c a tín hi u FM stereo l i audio c a b thu đ c th hi n Hình 10 Do b thu FM stereo đ c c i ti n b sung t b thu FM mono b ng cách thêm kh i x lý tín hi u FM stereo nên hình 10 có tín hi u, t ng ng v i tín hi u mono tín hi u kênh stereo Hai tín hi u audio thu đ c có ph c kho ng 15kHz m i kênh, nh mơ t Hình Cu i cùng, Hình 11 th hi n ph c a tín hi u FM stereo l i vào b tách kênh FM stereo úng nh mơ t lý thuy t Hình 4, quan sát Hình 11 cho th y ph c a tín hi u FM stereo S 07 (04-2022) Hình Ph tín hi u FM mono l i Hình Ph tín hi u l i vào b gi i u ch FM Hình 11 Ph tín hi u l i vào b tách kênh FM stereo c kho ng 53kHz N u mu n quan sát đ c ph c a c kênh g m kênh mono kênh stereo, b thu FM stereo s ph i s d ng c u trúc thu khác nh c u trúc gi i u ch FM s d ng b tách sóng đ ng bao So sánh Hình Hình 10 đ th y đ c s khác c a tín hi u l i c a b thu FM mono FM stereo Rõ ràng b thu FM stereo cho tín hi u audio l i kênh đ c l p b thu FM mono ch có đ c kênh tín hi u i u s mang đ n ch t l ng tín hi u, ch t l ng âm c a b thu FM stereo s khác bi t rõ r t so v i b thu FM mono K t lu n B thu FM s d ng c u trúc RTL-SDR đ c thi t k tri n khai n n t ng Matlab/Simulink có đ linh ho t cao, có th d dàng thay đ i sang c u trúc thu khác Các c u trúc thu tín hi u FM có th tri n khai cho b thu RTL-SDR nh : b thu FM 99 TẠP CHÍ KHOA H C - CÔNG NGH JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY mono s d ng tách sóng d ng ph c, b thu FM stereo s d ng tách sóng d ng ph c ho c tách sóng đ ng bao ng th i, u m c a b thu RTL-SDR có th d dàng quan sát đ c tín hi u b t k khâu x lý tín hi u b thu c m mi n th i gian mi n t n s B thu RTL-SDR s r t ti n d ng, h u ích trình đào t o, nghiên c u tri n khai d ng b thu khác nh b thu AM, b thu thông tin s , L ic m n Nghiên c u đ c tài tr b i Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam đ tài mư s : DT21-22.53 TÀI LI U THAM KH O [1] T Ulversoy, Software defined radio: Challenges and opportunities, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol.12, No.4, 2010 https://doi.org/10.1109/SURV.2010.032910.00019 [2] A L Reis, A F Selva, K G Lenzi, S E Barbin, and L G Meloni, Software defined radio on digital communications: A new teaching tool, WAMICON 2012 IEEE Wireless & Microwave Technology Conference, IEEE, 2012 https://doi.org/10.1109/WAMICON.2012.6208436 [3] E Grayver, Implementing software defined radio Springer Science & Business Media, 2012 [4] P S Narayana, M S Kumar, A K Kishan, K Suraj, Design approach for wideband receiver using RTL-SDR and raspberry International Journal of Engineering and FM PI, & Technology, Vol.7, No.2.31, pp.9-12, 2018 [5] R Stewart, K Barlee, and D Atkinson, Software Defined Radio using the MATLAB & Simulink and the RTL-SDR, Strathclyde Academic Media, ISBN 978-0-9929787-2-3, 2015 [6] S Meshram and N Kolhare, The advent software defined radio: FM receiver with RTL SDR and GNU radio, International Conference on Smart Systems and Inventive Technology (ICSSIT), IEEE, 2019 https://doi.org/10.1109/ICSSIT46314.2019.8987588 [7] R Aguilar-Gonzalez, A Prieto-Guerrero, V Ramos, E Santos-Luna, and M Lopez-Benitez, A comparative study of RTL-SDR dongles from the perspective of the final consumer, IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE), IEEE, 2020 https://doi.org/10.1109/ICCE46568.2020.9043161 [8] A B Sergienko, Software-defined radio in MATLAB Simulink with RTL-SDR hardware, International Conference on Computer Technologies in Physical and Engineering Applications (ICCTPEA), IEEE, 2014 https://doi.org/10.1109/ICCTPEA.2014.6893337 [9] R W Stewart et al., A low-cost desktop software defined radio design environment using MATLAB, simulink, and the RTL-SDR, IEEE Communications Magazine, Vol.53, No.9, 2015 https://doi.org/10.1109/MCOM.2015.7263347 Ngày nh n bài: Ngày nh n b n s a: Ngày t đ ng: 100 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 16/03/2022 23/03/2022 29/03/2022 S 70 (04-2022) ... b thu FM V i m c đích ph c v đào t o, b thu FM s d ng RTL-SDR có th d dàng thay đ i thông s h th ng, u ch nh đ thu đ c tín hi u c a đài FM H i Phòng t i t n s 93,7MHz Vi c phát tri n m t b thu. .. ng g c thu đ c t b thu RTL-SDR đ c minh h a Hình Biên đ c a tín hi u kênh I, kênh Q tín hi u b ng g c s có s thay đ i khác tùy thu c vào thông tin, n i dung b n tin t i th i m c a đài phát Hình... nghi m b thu FM đ c trình bày ph n Cu i cùng, ph n đ a m t s k t lu n h ng phát tri n C u trúc thi t b RTL-SDR RTL-SDR m t thi t b có giá thành r , nh g n, ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG