业余界:用你手上的SDR接收QO-100数字业余电视

业余界:用你手上的SDR接收QO-100数字业余电视自2019年2月14日起,持照的业余无线电操作员可以通过QO-100进行视频会议,QO-100是首个在地球静止轨道上运行的业余无线电转发器。在本文中,笔者将解释如何使用廉价的现成设备和开源软件接收一些下行信号。笔者还讨论了目前这种方法相对于现有解决方案的局限性。

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目录

  • 1.介绍

  • 2.动机

  • 3.硬件

    • 3.1抛物面卫星天线
    • 3.2.选项1:通用LNB和偏置三通
    • 3.3.选项2:四输出LNB
    • 3.4.LNB电源
    • 3.5.衰减器
    • 3.6.RF电缆及适配器
    • 3.7.SDR接收机
  • 4.软件

  • 5.操作

文献目录

插图目录

1.SDR设置

表格目录

1.(C+N)/N到C/N的转换表

1.介绍

在写这篇文章的时候,QO-100是业余界的一个热门话题。许多期刊和网站上都可以找到介绍性的文章。总之,QO-100在地球静止轨道上提供了一个8MHz宽的业余无线电转发器,覆盖范围从巴西到泰国。这使得数字业余电视(DATV)活动可以从视距和本地中继扩展到全球范围。

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这篇文章是为那些没有DATV的经验和空间通信设备的读者准备的。从本质上讲,目标是接收和解码数字视频信号,这些信号与主流卫星电视广播类似,但它们是由业余爱好者自行自作并通过自己的电台上行到卫星。这在一定程度上很像电视记者通过转播车提供现场报道和现场采访。

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理想的接收方式是使用现成的卫星电视设备(抛物面天线、LNB、机顶盒)。不幸的是,频带和数据速率并不完全兼容。业余无线电社区已经成功地开发了几种基于修改过的或专用硬件的解决方案。在这个项目中,笔者本着软件定义无线电(SDR)的精神探索了一种不同的方法。

有关进一步的背景资料,请参阅:

2.动机

业余无线电总是鼓励操作员使用最有效的功率、带宽和调制组合,来建立两个电台之间的通信。使用DVB-S2很容易做到这一点,因为该标准允许微调调制和编码参数。不幸的是,除非你与少数几个具有发射能力的电台之一保持联系,否则你无法控制这些参数。偶尔会有一些上行信号能够超过建议的功率谱密度下限,或者采用了较慢的编码速率,一般来说,你应该假设信号“很难被解码”。所以,如果你想接收并解码传输内容,你的设备必须和内行人的一样好。围绕这条规则,只有两种简单的方法:

  • 离位于非洲中部的卫星覆盖的峰值区越近越好。但这只会给你带来几个dB的信噪比(SNR)改善;相比之下,在地面通信中,只要处在两个电台之间的中点,就可以获得6dB的优势。
  • 使用更大的天线。虽然理论上没有限制抛物面反射器的口径,但业余无线电爱好者已经在以合理的成本使用最大的电视抛物面天线,而且为小众应用而设计的超大型号价格昂贵,安装起来也很麻烦。

综上所述,对于有技术头脑的爱好者来说,QO-100 DATV接收是一项极具挑战性和有益的活动。

3.硬件

3.1抛物面卫星天线

本文描述的方法是在西欧采用一个低成本的120x110cm偏置抛物面天线进行了测试。稍微小一点的天线,现在也可以工作,但应该注意的是,随着QO-100吸引更多的同时用户,转发器的功率预算可能最终会扩展到两到三倍的带宽。这将使SNR降低3到5dB。因此,选择尽可能大的抛物面天线是个好主意。严格地说,抛物面天线的大小也是有阙值的,当它大到转发器噪声超过LNB噪音时,再大就没有意义了。当然,这个阙值很难达到。

卫星天线不仅大小不同,而且建造质量也不同。根据经验,为了获得最佳增益,ku波段抛物面天线的绝对几何精度必须达到3毫米。很容易看出,一个大型的压制金属反射器不能保持一个精确的形状。玻璃纤维支撑的抛物面天线更坚硬,也更重,更贵。

许多电台都精心优化了2米抛物面天线,它们也用于发射信号。这为在这个波段上看到的最极端的信号设定了基线。这些信号看上去不会比其他信号更强或更弱;事实上,根据政策,发射机的功率谱密度不应超过信标的功率谱密度(PSD),并鼓励功率有限的发射机降低其符号速率,直到达到最大的PSD,以避免浪费有价值的频谱。相反,这些信号将使用更积极的调制和编码方案,产生更高的数据吞吐量,但需要高达16dB的信噪比。

请注意,如果你的抛物面天线对于本项目来说太小或损耗太大,则可以退回到带有CW、语音和低带宽数字传输的QO-100窄带下行链路实验中。

3.2.选项1:通用LNB和偏置三通

位于反射器焦点处的LNB接收并放大ku波段(> 10GHz)信号,并转换到一个更易于管理的中频范围(IF,950-2150MHz)。有关LNBs的背景资料见LNBLINEUP

任何现代的通用LNB都值得一试,前提是它采用的是锁相环技术,而不是一个较老的介质共振振荡器设计。由Octagon生产的OTLSO在业余无线电爱好者中很受欢迎。

面向大众市场的LNB必须通过承载中频输出的端口供电。这需要一个叫做偏置三通的小装置。

3.3.选项2:Quattro LNB

“Quattro”LNB可以通过专用端口供电,无需偏置三通。这种方法还没有得到验证。

3.4.LNB电源

大多数LNBs在12V时会产生100到200mA的电流。为了方便起见,笔者使用USB供电的DC-DC转换器,但是任何具有适当特性的调节电源都应该这样做。

3.5.衰减器

卫星LNBs的设计目标是通过数十米的民用同轴电缆传输1GHz的高清电视信号。它们的典型输出功率约为1mW–在异常情况下可能会更高。相比之下,大多数SDR接收机的灵敏性更高,可以从一个简单的线天线上接收无线电信号。因此,插入衰减器是一个很好的主意。它会防止饱和,并降低损坏SDR设备的风险。笔者选择了一个30dB的型号。衰减器可以级联。

在电视界使用的衰减器带F形连接器而专业领域的则装有SMA连接器。

3.6.RF电缆及适配器

3.7.SDR接收机

任何能够调谐到700-800MHz并能够实现2.4MSPS采样率的SDR接收机都应该能工作。4MSPS采样率(或感兴趣信号符号率的两倍)的设备能产生更稳健的结果。

本文的重点是RTL-SDRdongles,因为它们很便宜。一个带有TCXO和SMA连接器且屏蔽良好的变体更好。

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4.软件

这个项目的关键构成是leandvb。笔者在2016年初编写了最初的版本来接收来自国际空间站的DVB-S传输(SOFTDATV),并在2018年添加了DVB-S2支持,因为预计到了Es’Hail 2/QO-100。你将需要编译leandvb和第三方LDPC解码器,ldpc_tool。有关安装说明、文档,请参见LEANDVB

你还需要软件来控制SDR设备。惟一的要求是它必须能够以uint8、int16或float32格式保存I/Q样本。下面的指令引用rtl_sdr命令行实用程序和gqrx图形应用程序。

5.操作

装配好抛物面天线,将天线指向东经26度的QO-100。关于如何指向卫星电视天线有很多教程。主要的困难是,制造商很少指定偏移角度,旋转安装没有准确的标记。所以,最好的方法是将天线朝适当的方位平移,不用太担心仰角。

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警告:当使用偏置三通时,通电侧(通常标记为“ANT”或“HF+DC”)朝向LNB。永远不要将其连接到SDR接收机上;可能会破坏模拟前端,也可能损坏主机。

图1-SDR设置

LNB电缆,偏置三通,30dB衰减器,rtl-sdr接收机,Linux笔记本电脑。

未显示USB DC-DC转换器。

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为了对正天线方向,我们利用窄带应答器,它恰好是非常强大的,并且适合于rtl-sdr的带宽。安装垂直极化LNB:电缆指向向下,然后倾斜角度。偏斜值-20°,如下图所示。将SDR接收机调至739.675MHz;这是IF窄带下行链路的中心。现在倾斜和摆动天线,直到你看到一个信号。由于目前还没有其他这种频率的地球同步发射机,这个过程实际上比将卫星电视天线指向正确的卫星更容易。你可能想把LNB移动到它指定的位置,以防你天线的几何形状不准确。最终你会看到:

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在这幅频谱图中,我们注意到:

  • 转发器的本底噪声比接收机高12dB。这是极好的,但考虑到这是一面超大的接收QO-100窄带下行链路信号的抛物面天线。
  • 信号频率比正常情况高225kHz。这是由于LNB和SDR设备中局部振荡器的组合误差造成的。一个精确的值可以通过观察始终处于频带末端的信标来确定,它的标称频率接近739.7975MHz。所有进一步的调优操作都应该应用相同的频率校正。

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现在将LNB切换到水平偏振模式,也就是说,将其旋转90°。调整角度,直到信号在频谱显示中尽可能微弱。这将产生两个极化之间的最佳隔离。

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接下来,我们将查看宽带下行链路的视频信标,它在IF中以742.5MHz为中心。由于信标的宽度超过2MHz,我们无法用RTL-SDR信标来真正识别它的形状。因此,相反,我们调到它的上边缘743.5MHz(加上或减去之前确定的校正值)。

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在这个频谱图中,我们可以测量信标和本底噪声之间的距离。这是(C+N)/N(载波加噪声对噪声)的比值。如果你得到7dB或更高,就有希望解调信号,

表1.(C+N)/N到C/N的转换表

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现在,调到742.5MHz(正负校正),以2.4Msamples/s的速度记录大约30秒的I/Q数据。请注意,如果主机无法跟上数据速率,rtl-sdr将默默地丢弃样本。这将导致解调在没有明显原因的情况下失败。因此,建议保存到内存虚拟盘(/tmp、/var/tmp或/mnt/tmp,具体取决于OS的变化),关闭任何不必要的应用程序,并在I/Q捕获过程中降低频谱瀑布动画的速度。

要进行解调,可以使用以下命令(假设gqrx以复浮点格式保存I/Q数据):

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有一个已知的错误似乎会导致去同步攻击,但你应该能够解调足够多的MPEG数据包,以查看由此产生的高清视频流,该视频流显示卫星发射的片段和其他宣传材料:

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一旦你成功地接收到视频信标,你就可以在宽带下行链路中搜索实际的DATV信号。解码这些信号的最佳SDR设置尚未得到验证。

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使用一些UNIX脚本技术和一台快速计算机,应该可以设置leandvb来扫描QO-100带宽,并可能同时解码多个视频流。这留给读者作为练习(提示:要获得实时操作,请参阅文档中的选项——nhelper和——inpipe)。注意,由于LDPC解码的工作原理,随着信噪比接近可解码性的极限,CPU使用量将显著增加。

如果你关注QO-100用户之间的讨论,你会注意到他们的硬件DVB-S2接收机能够以低于SDR设置的信噪比解调信号。leandvb目前需要一些dB的边界。这是信号处理和错误解码算法的复杂性和实时吞吐量之间的一种妥协。希望这一差距在未来几个月能够缩小。

文献目录

修正版

1.0–2019-02-22—初始版本

http://www.pabr.org/radio/qo100sdr/qo100sdr.en.html

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