使用RTL-SDR和Matlab Simulink玩转软件无线电（十二）

3.2 频谱使用和分割

频谱管理的方式不停地在进化，随着技术进化越来越多的频谱被引入到日常使用中来。基于这个原因，频谱规划不会一直是最合适的，就像前面说的，不同的国家的规划都不一样。也就是说不同国家把频谱用于各种不同的应用。因此我们现在有必要指出本书所说的频段及通信服务主要是说在英国的。在你的国家的情况可能不同，但是你可以在网上查一下你的国家的频谱规划。我们也在网上列出了一些信息。请访问desktopsdr.com/more/worldwide-frequency-allocation-tables。

全世界的规划机构都对RF频谱做了规定。他们提前规划、管理并发布许可，同时他们也对频谱进行实时监控，保证没有非法传输的信号。广播、数字电视、移动通信等业务在频谱利用上的竞争相当激烈，管理机构保证只有授权过的信号才会发射出来。除了管理外，Ofcom、FCC及其它机构也对新技术进行研发。尽管4G移动通信在2013年末才开始应用，他们已经开始提前规划5G技术。与国际上的各种公司、大学、研究机构进行合作，保持新技术的享有足够开放性的同时也保证了在全世界范围内的通用性。

不同的信号有不同的需求，它们使用了不同的调制和复用技术进行发射，保障了信息的可靠性。不同的技术使用的带宽，幅度，频率，相位都不同，你在后面的练习中可以观察到。不同的信号在频谱中看上去都完全不一样。

3.3 使用一个合适的天线

当你购买了一个RTL-SDR后，可能还会得到一个配套的全向天线，它是一个小的金属棒，如图3.3。你也可以用别的天线。IEEE对于天线的定义是“发射或接收系统的一部分，用于辐射和接收电磁波”。简单说来，它把发射和接收硬件与电磁波衔接在一起。对于任何的无线通信系统，选择合适的天线都非常重要，不同的应用要使用不同的天线。本书的一些简单的说明会告诉你天线的特性。更多的理论可以在本书列出的[2]和[25]里找到。

一般说来，天线可以设计成在指定频段提供定向增益（窄带天线），或者非定向的低增益天线（宽带天线）。不同的增益，不同的频率和极化方式导致天线都大不相同，摆放天线的最佳方式也不同。由于RTL-SDR的调谐器的操作范围很广，你最好就用一个宽带天线来观察频谱（也就是说这个天线在很大范围内都能工作，而不是适用于高速网络的天线）。

3.3.1 天线增益和方向性

技术上来说，无源天线不会增加物理上的增益，无论是发射还是接收。天线增益的定义是用来描述某一个特定天线与无损各向同性天线的比较。这个值用dBi来表示，这个值是相对于各向同性天线的分贝值。理论上的无损各向同性天线在各个方向上都一样，这种天线用于不同天线的比较，作为一种量度。

天线发射电磁波的形式是不一样的。各向同性天线在所有方向发射均匀的电磁波，也就是说它的方向性指标是0。定向天线主要在单一方向发射信号，因此方向性更高，并且有更大的增益。一般来说方向性高的天线效率更高，当把发射天线和接收天线匹配好后，它们工作得最好。

理论上来说，发射机需要一个高增益的定向天线，这样就能尽可能地发射一个很强的信号给接收机。使用一个类似的天线在接收端，你就不需要使用太多其它的功放硬件，也能获得一个好的效果。

3.3.2 专用频率天线

除了方向以外，天线在设计上也可以专门用于特定频率。专用的天线在特定电磁波下会发生共振，也就是说在这些频率上会获得最高的增益，在其它频率上增益较低。这些天线用来发射、接收移动通信、WiFi和数字电视信号，因为它们通常只在固定的频率范围上工作。尽管你手头的这个RTL-SDR自带天线是用于数字电视传输的UHF频段，但你还是可以用它来观察整个频谱。

3.3.3 天线极化和摆放方式

最后要讲的天线特性是极化方式。信号可以是线极化的（也就是说它们在一个平面内传输），也可以是圆极化的（也就是说它们的传播过程牵涉到两个平面，类似螺旋形），两端的天线的极化方式要统一。两种最常用的方式是线极化中的水平极化和垂直极化。信号也可以用其它不同的夹角发射。如果一个信号以水平极化的，为了接收到最大的信号，接收天线需要放在这个水平面内。如果接收天线在垂直平面内，也可以收到信号，只是接收到的能量会少很多。注意，RTL-SDR提供的全向天线是垂直极化的。

图3.4展示了不同类型的极化方式，我们画出了在空中的传输过程的平面，以及推荐的接收天线摆放方向和类型。

3.3.4 天线适配器

尽管这不是天线特性，但是我们还是考虑一下天线和接收机硬件之间的适配器。尽管定向天线可以提供高增益，但是如果使用了错误的适配器会把这种增益消耗掉。适配器有点像滤波器，所以它们的数量要尽量少，并且要用高质量的。适配器数量过多，或者天线和接收机之间线缆太长都是不推荐的，这样会消耗信号功率和信号质量，因为这样会产生电势差。你必须想办法使天线和接收机间的连接尽可能短。

NooElec RTL-SDR提供了一个MCX接口，对应于提供的天线上。如果你要用别的天线，你很可能要买一个适配器。图3.5时一种标准的MCX插头。无论你用什么适配器，它的一个头必须与这个保持一致。你可以在NooElec的SDR Adapters页面买到不同适配器。