English
Dutch
French
Ukrainian
Chinese
Spanish
Japanese
9. RTL-SDR у Python¶
RTL-SDR є беззаперечно найдешевшим SDR (близько 30 доларів) і чудово підходить для початку знайомства. Хоча він працює лише на прийом і може налаштовуватися лише до ~1,75 ГГц, існує безліч застосувань, де його можна використати. У цьому розділі ми навчимося налаштовувати програмне забезпечення RTL-SDR та користуватися його Python API.
Передумови RTL-SDR¶
RTL-SDR з’явився приблизно у 2010 році, коли ентузіасти виявили, що можуть зламати недорогі DVB-T-адаптери з чипом Realtek RTL2832U. DVB-T — це стандарт цифрового телебачення, що переважно використовується в Європі, але цікавинкою RTL2832U було те, що до сирих IQ-відліків можна було отримати прямий доступ, що дозволило застосовувати чип для побудови універсального приймального SDR.
Чип RTL2832U містить аналого-цифровий перетворювач (ADC) та USB-контролер, але його необхідно поєднати з ВЧ-тюнером. Популярні тюнери — Rafael Micro R820T, R828D та Elonics E4000. Діапазон налаштування залежить від тюнера і зазвичай становить приблизно 50–1700 МГц. Максимальна частота дискретизації, своєю чергою, визначається RTL2832U та шиною USB вашого комп’ютера й зазвичай становить близько 2,4 МГц без значних втрат відліків. Варто пам’ятати, що ці тюнери дуже дешеві й мають слабку чутливість RF, тож для прийому слабких сигналів часто доводиться додавати малошумний підсилювач (LNA) та смуговий фільтр.
RTL2832U завжди використовує 8-бітні відліки, тому хост-машина отримує два байти на один IQ-відлік. Преміальні RTL-SDR зазвичай постачаються з термостабілізованим генератором (TCXO) замість дешевшого кварцового, що забезпечує кращу частотну стабільність. Інша опціональна функція — це bias tee (bias-T): вбудоване коло, яке подає ~4,5 В постійної напруги на SMA-роз’єм для зручного живлення зовнішнього LNA чи інших RF-компонентів. Ця додаткова постійна напруга подається на ВЧ-сторону SDR, тому не заважає основній роботі з прийому.
Для тих, хто цікавиться визначенням напряму приходу (DOA) чи іншими задачами формування променя, KrakenSDR — це фазово-узгоджений SDR, побудований з п’яти RTL-SDR, що мають спільні генератор та тактовий сигнал.
Встановлення програмного забезпечення¶
Ubuntu (або Ubuntu у WSL)¶
В Ubuntu 20, 22 та інших системах на базі Debian ви можете встановити програмне забезпечення RTL-SDR за допомогою такої команди.
sudo apt install rtl-sdr
Це встановить бібліотеку librtlsdr та інструменти командного рядка, зокрема rtl_sdr, rtl_tcp, rtl_fm і rtl_test.
Далі встановіть Python-обгортку для librtlsdr командою:
sudo pip install pyrtlsdr
Якщо ви використовуєте Ubuntu через WSL, на стороні Windows завантажте останню версію Zadig і встановіть драйвер “WinUSB” для RTL-SDR (може бути два інтерфейси Bulk-In — у такому разі встановіть “WinUSB” для обох). Після завершення роботи Zadig від’єднайте і знову під’єднайте RTL-SDR.
Далі потрібно пробросити USB-пристрій RTL-SDR у WSL. Спершу встановіть останню msi-версію утиліти usbipd (у цьому посібнику передбачається, що у вас usbipd-win 4.0.0 або новіша), потім відкрийте PowerShell з правами адміністратора та виконайте:
# (від’єднайте RTL-SDR)
usbipd list
# (під’єднайте RTL-SDR)
usbipd list
# (знайдіть новий пристрій і підставте його індекс у команді нижче)
usbipd bind --busid 1-5
usbipd attach --wsl --busid 1-5
У WSL ви повинні мати змогу запустити lsusb і побачити новий запис під назвою RTL2838 DVB-T або щось подібне.
Якщо виникають проблеми з дозволами (наприклад, тест нижче працює лише з sudo), потрібно налаштувати правила udev. Спочатку виконайте lsusb, щоб знайти ID вашого RTL-SDR, після чого створіть файл /etc/udev/rules.d/10-rtl-sdr.rules з таким вмістом, підставивши idVendor та idProduct вашого пристрою, якщо вони відрізняються:
SUBSYSTEM=="usb", ATTRS{idVendor}=="0bda", ATTRS{idProduct}=="2838", MODE="0666"
Щоб перезапустити udev, виконайте:
sudo udevadm control --reload-rules
sudo udevadm trigger
Якщо ви користуєтесь WSL і отримуєте повідомлення Failed to send reload request: No such file or directory, це означає, що служба udev не запущена. Додайте в sudo nano /etc/wsl.conf такі рядки:
[boot]
command="service udev start"
Після цього перезапустіть WSL у PowerShell з правами адміністратора командою wsl.exe --shutdown.
Може також знадобитися знову від’єднати й під’єднати RTL-SDR (у WSL його доведеться знову підключити за допомогою usbipd attach).
Windows¶
Користувачам Windows варто звернутися до https://www.rtl-sdr.com/rtl-sdr-quick-start-guide/.
Тестування RTL-SDR¶
Якщо встановлення пройшло успішно, ви зможете виконати такий тест, що налаштує RTL-SDR на FM-діапазон і збереже 1 мільйон відліків у файл recording.iq у каталозі /tmp.
rtl_sdr /tmp/recording.iq -s 2e6 -f 100e6 -n 1e6
Якщо ви отримуєте No supported devices found, навіть із sudo, це означає, що Linux взагалі не бачить RTL-SDR. Якщо команда працює з sudo, значить проблема у правилах udev; спробуйте перезавантажити комп’ютер після виконання вказівок з налаштування udev вище. Або ж можете використовувати sudo всюди, включно із запуском Python.
Перевірити, чи Python бачить RTL-SDR, можна таким скриптом:
from rtlsdr import RtlSdr
sdr = RtlSdr()
sdr.sample_rate = 2.048e6 # Hz
sdr.center_freq = 100e6 # Hz
sdr.freq_correction = 60 # PPM
sdr.gain = 'auto'
print(len(sdr.read_samples(1024)))
sdr.close()
який має вивести:
Found Rafael Micro R820T tuner
[R82XX] PLL not locked!
1024
Код RTL-SDR на Python¶
Код вище можна вважати базовим прикладом використання RTL-SDR у Python. Далі ми детальніше розглянемо різні параметри та прийоми роботи.
Запобігання збоїв RTL-SDR¶
Наприкінці скрипта або щоразу, коли завершили зчитування відліків із RTL-SDR, викликайте sdr.close(), щоб уникнути зависань пристрою, коли його доводиться фізично від’єднувати й під’єднувати. Навіть із викликом close() це може статися — ви це зрозумієте, якщо RTL-SDR зависне під час read_samples(). Якщо так сталося, потрібно від’єднати і знову під’єднати RTL-SDR і, можливо, перезавантажити комп’ютер. Якщо ви використовуєте WSL, доведеться повторно підключити RTL-SDR за допомогою usbipd.
Налаштування підсилення¶
Параметр sdr.gain = 'auto' вмикає автоматичне керування підсиленням (AGC), через що RTL-SDR регулює підсилення, намагаючись заповнити 8-бітний ADC без його насичення. У багатьох випадках, наприклад для побудови аналізатора спектра, корисно тримати підсилення сталим, тобто доводиться задавати його вручну. RTL-SDR не підтримує довільні значення підсилення; список допустимих значень можна отримати командою print(sdr.valid_gains_db). Якщо задати інше значення, пристрій автоматично вибере найближче допустиме. Поточне підсилення можна перевірити командою print(sdr.gain). У прикладі нижче ми встановлюємо підсилення 49,6 дБ, зчитуємо 4096 відліків і будуємо їх у часовій області:
from rtlsdr import RtlSdr
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
sdr = RtlSdr()
sdr.sample_rate = 2.048e6 # Hz
sdr.center_freq = 100e6 # Hz
sdr.freq_correction = 60 # PPM
print(sdr.valid_gains_db)
sdr.gain = 49.6
print(sdr.gain)
x = sdr.read_samples(4096)
sdr.close()
plt.plot(x.real)
plt.plot(x.imag)
plt.legend(["I", "Q"])
plt.savefig("../_images/rtlsdr-gain.svg", bbox_inches='tight')
plt.show()
Тут варто звернути увагу на кілька моментів. Перші ~2 тисячі відліків майже не містять енергії сигналу, бо це перехідні процеси. Рекомендується щоразу відкидати перші 2 тисячі відліків, наприклад, виконавши sdr.read_samples(2048) і не використовуючи результат. Інше спостереження — pyrtlsdr повертає нам відліки у вигляді чисел з рухомою комою в діапазоні від -1 до +1. Хоча пристрій використовує 8-бітний ADC і видає цілі числа, pyrtlsdr ділить їх на 127.0 для нашої зручності.
Допустимі частоти дискретизації¶
Більшість RTL-SDR вимагають, щоб частота дискретизації лежала або в діапазоні 230–300 кГц, або 900–3,2 МГц. Зверніть увагу, що на високих частотах, особливо понад 2,4 МГц, через USB можуть не проходити всі відліки. Якщо задати непідтримувану частоту, ви отримаєте помилку rtlsdr.rtlsdr.LibUSBError: Error code -22: Could not set sample rate to 899000 Hz. Після встановлення допустимого значення в консолі з’явиться точна частота дискретизації; цю ж величину можна отримати викликом sdr.sample_rate. У деяких застосунках може бути важливо враховувати саме точне значення в обчисленнях.
Як вправу встановімо частоту дискретизації 2,4 МГц і побудуємо спектрограму FM-діапазону:
# ...
sdr.sample_rate = 2.4e6 # Hz
# ...
fft_size = 512
num_rows = 500
x = sdr.read_samples(2048) # позбавляємося початкових порожніх відліків
x = sdr.read_samples(fft_size*num_rows) # зчитуємо всі відліки для спектрограми
spectrogram = np.zeros((num_rows, fft_size))
for i in range(num_rows):
spectrogram[i,:] = 10*np.log10(np.abs(np.fft.fftshift(np.fft.fft(x[i*fft_size:(i+1)*fft_size])))**2)
extent = [(sdr.center_freq + sdr.sample_rate/-2)/1e6,
(sdr.center_freq + sdr.sample_rate/2)/1e6,
len(x)/sdr.sample_rate, 0]
plt.imshow(spectrogram, aspect='auto', extent=extent)
plt.xlabel("Частота [МГц]")
plt.ylabel("Час [с]")
plt.show()
Параметр PPM¶
Щодо параметра ppm: кожен RTL-SDR має невелику частотну похибку через низьку вартість тюнерів та відсутність калібрування. Це зміщення частоти здебільшого лінійне (а не сталий зсув), тож ми можемо компенсувати його, вказавши значення PPM у частинах на мільйон. Наприклад, якщо налаштуватися на 100 МГц і задати PPM = 25, сигнал зміститься вгору на 100e6/1e6*25 = 2500 Гц. Вужчі сигнали чутливіші до помилок частоти. Водночас багато сучасних сигналів мають етап синхронізації частоти, який компенсує похибки на передавачі, приймачі або через доплерівський зсув.
