动手玩:这些信号你见过多少?

动手玩:这些信号你见过多少?

SDR posts

前言

无线通信之所以让人着迷,是因为透过电磁波这种人类几乎无法感知的介质1,在我们呼吸的空气中、在我们生活的空间,我们人工构建了无数设计精巧的无线信号,这些无线信号籍着同样精确而复杂的通信协议,承载了人们移动生活的几乎全部信息。这是一件默默无闻,却又无比伟大的事情,意义重大却又带着浓重的神秘感。

无线信号就是人赋予无线通信的生命。通过RTL-SDR,现在可以轻易地一窥其中的究竟,在近乎无限的信号空间(其实,是有限的,毕竟无线通信使用的频带还是有限的),像哥伦布发现新大陆一样,发现那些优美、高效,并且肩负重任的无线信号。

那些美丽的信号

由于人类对绝大部份无线信号都不能直接感知,为了增加更加直观的“实在感”,接下来,将通过瀑布图(Waterfall)的形式,从时域(纵轴)、频域(横轴)以及能量(颜色)三个维度来认识一些与我们生活息息相关的无线信号。

(模拟)救生/定位信标


这就是我们经常在Discovery等探索自然的节目中见到的用来在海上定位沉船的浮标,以及用来定位落水人员的浮标发射的信号,图中这个是模拟信号。数字信号版本远没有这个模拟信号壮观,于是没贴,:P

OFDM信号


这个就不用多解释了吧,教科书一样经典,不过不是很完美:瀑布图(下半部分)的波动大概是因为画的时候,调整了SDR接收机中心频点的缘故?

GSM信号


历史悠久的2代移动通信系统。之前的动手玩:OSX下配置基于RTL的SDR中,已经把这个信号从接收到解码全过了一遍。当然,人家截的这个图更加标准,貌似还有业务,真好。

再贴过神物,德味老式GSM电话。话说,BOSCH这家公司也真是NB,小到家用电器,大到工程机械,居然连手机都做(过)。(上次去罗德交流,也是这个感觉,大概这些德国公司都这个风格)

LTE信号

4G LTE(下行信道)信号看起来是这样的:

信道的放大图,话说图里那些跨了整个带宽的部分是PDCCH信号吗?

MFSK调制信号

MFSK调制是一种普遍使用的调制方式,在业余无线电系统中普遍使用。下图是MFSK-8信号,看起来像某种生命形式,有没有?如果生命存在的意义(之一)就是承载并传递信息(遗传信息),说这个MFSK有(人工)生命体的特征似乎也不矛盾。

DECT(家用无绳电话)信号

数字增强无绳通信(Digital Enhanced Cordless Telecommunications ,DECT) 系统,是由ETSI(European Telecommunications Standards Institute)制定的增强型数字无绳电话标准,主要用于无绳电话系统,基于TDD方式,帧结构采用TDMA(据说也有FDMA的)采用DQPSK调制。采用DECT标准的设备几乎全球通用,但是根据美国FCC的要求,为了避免和北美地区使用蜂窝通信系统造成相互干扰,在北美的DECT系统要工作在1920 – 1930MHz频段,因此在北美地区单独使用“DECT 6.0”标准,这也造成了同一个品牌的产品,销往欧洲的和销往北美的不通用。


DECT的更多技术细节可以参考ETSI EN 300 175-2

PAL制式模拟电视广播信号

用过模拟老电视的同学应该都对这个有印象。PAL (Phase Alternating Line)逐行倒相是一种模拟电视广播信号的调制方式,对应的还有NTSC(以National Television Standards Committee,国家电视系统委员会缩写明明的制式,一看就知道是老美的),和SECAM(Sequentiel Couleur A Memoire,塞康,顺序传送彩色与存储,顺序与存色彩电视系统),不过现在已经不多见了,因为模拟广播电视已经普遍被DVB(数字广播电视)所取代了。

看到PAL,又勾起了一些往昔学习信号与系统以及通原时的记忆:DSB,SSB,VSB……

UTC授时信号

UTC的全称是协调世界时系统。采集的这个信号发自于美国的NIST (National Institute of Standards and Technology) 。

以下来自度娘:

由于国际原子时的准确度为每日数纳秒,而世界时的准确度为每日数毫秒。对于这种情况,一种称为协调世界时的折衷时标于1972年面世。为确保协调世界时与世界时相差不会超过0.9秒,在有需要的情况下会在协调世界时内加上正或负闰秒。因此协调世界时与国际原子时之间会出现若干整数秒的差别。位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。一般会在每年的6月30日、12月31日的最后一秒进行调整。

但是UTC这个名字却颇有意思,因为按照英文来翻译,协调世界时是Coordinated Universal Time,缩写理应是CUT。但是按照法语来翻译缩写却是Temps Universel Coordonné,TUC。为了折中CUT和TUC这两种写法,所以索性就改成了UTC,谁也不得罪 XD。至于为什么是法语?前面提到,国际地球自转事务中央局不是在法国吗?

VOR信号

VOR全称是甚高频全向信标(Very High Frequency Omnidirectional Radio Range)也叫伏尔导航系统,是一种用于航空的无线电导航系统。VOR的工作原理是通过比较位置已知的地面导航点发射的两个30赫信号的相位,来确定飞机相对导航点的磁方位角。这个信号采集自美国。

估计一般人都没有听说过VOR系统,因为一般人(包括我),在日常中真得很难感到它的等存在。之所以会把它列在这里,是因为一次偶然的经历,我见到了这样一套天线阵列系统:

当时还不知道VOR是啥,第一个感觉:这不是Massive MIMO吗,居然还是个环形阵列,有创意!第二个感觉:不对,建在这荒郊野岭的,不会是用来抓外星人用的吧(开始YY了)?第三个感觉:我不会是看到什么不该见的东西了吧….赶紧走。实际上,只要你坐过飞机,VOR系统就曾经为你的飞行安全服务过。VOR系统是引导飞机保持航向,近进、进场的重要系统。虽然现在的飞机,例如大型客机,普遍都装有惯性、GPS等更加先进的导航系统,但是VOR仍是每架飞机必备的导航装备。

数不胜数

雷达、遥测遥感、遥控车钥匙、蓝牙、WiFi,在我们身边的无线信号是数以万记的,这些还仅仅是一小部分,那些用于特殊用途的无线信号例如用于军事、外交用途的无线信号,则往往更加隐蔽,难得一见(见着了就麻烦了,哈)。

就像我们去参观博物馆、参观工厂一样,我们要带着这样的心情去看待这件事情:无线通信是人类文明和工程的杰作,RTL-SDR给一般人打开了一扇欣赏和了解无线通信的窗口,使更多的人能够对无线通信产生兴趣,让更多的人愿意去了解这门工程科学,这是一件多么有意义的事情!


  1. 严格来说,人类是可以直接看到可见光,也可以在一定程度上感觉到红外线等特定频段上的电磁波,但是这部分电磁波在整个电磁波频谱中只占极小的部分。

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