几日前和一个朋友聊起 SDR，在感叹两年的芯片短缺潮终于快要翻篇之余，朋友还提到了快二十年前他在玩的一种 SDR。
RTL-SDR 的出现在 2012 年左右，值得一提的是，博主入坑 SDR 的第一台设备，也是 RTL-SDR。而在这之前，SDR 设备主要还是集中在专业领域，成本较高且功能也相对有限，仅有 USRP、BladeRF 等几种选择，对于博主这样的业余玩家来说，要是当年购买一套 USRP 或是 BladeRF，恐怕就要掏空好几个腰包了。
即便如此，也没有难住那时的玩家：在遥远的当年，比较流行的一个方案就是 DIY 一块包含了射频信号采集、混频、放大、滤波的板卡，然后将其与 PC 上的声卡相连，以声卡作为 ADC，再透过软件进行信号处理，这就是声卡 SDR。
在兴趣驱使之下，博主最终也打算 DIY 一块声卡 SDR 板卡，重温那个没有 RTL-SDR 的年代。本系列文章将会分成三篇，本篇文章将会介绍声卡 SDR 的原理及电路，另外两篇文章将会介绍博主制作声卡 SDR 板卡、上机测试及性能调优的全部过程。
同时，博主希望能藉由自制 SDR 的过程，对 SDR 的基本原理有更深入的了解，也希望能够帮助到有兴趣 DIY 简单 SDR 的朋友；另外，由于本系列文章涉及范围较广，文中提到的部分概念及内容可能存在一些漏洞或错误，也欢迎在评论区中给予指正。
上图是一个典型的声卡 SDR 架构框图，在博主正式给出声卡 SDR 的原理图之前，还需要引入一些概念和理论做铺垫，便于以出浅入深的方式去分析及理解声卡 SDR 的工作原理。
I/Q 信号
在通常的数字通信中，通常将复杂信号以两个正交的信号分量 I 和 Q 来表示，其中，I 指代同相（In-phase），Q 则指代正交（Quadrature），另外，I 分量和 Q 分量之间的相位差通常为 90 度。
I 分量表示信号在实轴上的幅度或幅度变化，Q 分量表示信号在虚轴上的幅度或幅度变化。若将这两个信号组合起来，则可以表示复杂信号的幅度和相位信息。
要生成 I/Q 信号，可以透过混频器和振荡器来实现，其基本原理是将原始信号与正弦（I）和余弦（Q）波形进行乘法运算，即可得到对应的 I/Q 信号。
使用 I/Q 信号的意义在于，I/Q 信号在数字信号处理中提供了更大的灵活性。透过对 I/Q 信号进行数字信号处理操作，如滤波、频谱分析、调制解调等，可以实现更高级的信号处理功能，例如信号的解调、编码解码、信道估计、自适应调制等。
例如在 GNURadio 中，complex 数据类型就表示了 I/Q 数据，生成一个余弦信号，并使用 Time Sink 查看其时域波形，可以看到，实部信号（即 I 分量）与虚部信号（即 Q 分量）之间相位差刚好为 90 度。
由于本文的重点不在 I/Q 调制和解调的原理上，所以这里只会简单介绍 I/Q 信号的构成及应用领域，有兴趣的朋友可以自行查阅相关资料及文献。
移相器与触发器
刚刚上文提到，I 分量和 Q 分量之间相位差为 90 度，而要实现这样的相位差，硬件层面则需要透过移相器（Phase Shifter）来实现。移相器的主要功能是将输入信号的相位进行可控的变化，可以增加或减小信号的相位角度，或者将相位角度移动到不同的位置。
从硬件层面来说，虽然可能有人没接触过移相器的概念，但是如果曾经有学过数字电路，那么多半会接触到触发器（Flip-Flop）这一器件。触发器是一种存储器件，可以将输入信号的状态（高电平或低电平）先存储起来，然后在时钟信号的作用下，将存储的状态输出。
所以，结合上述两个器件的共通之处，就可以透过触发器来实现移相器的功能，例如使用 D 触发器、JK 触发器等。向触发器输入的时钟信号可以由 SI5351 等模块产生，透过调整 SI5351 等模块产生的时钟频率，即可实现移相的操作，从而调制出 I/Q 信号。
本文决定采用 D 触发器来实现移相器的功能，74HC74 双 D 触发器就是一个不错的选择。借助此 IC 中的两个 D 触发器，可以产生相位差分别为 0 度、90 度、180 度和 270 度的 4 个信号，而我们只需要取出其中相位差为 90 度的任意两路信号即可构成 I/Q 信号。博主使用了 Proteus 来模拟 74HC74 用作移相器的电路，如下图所示。
仿真结果如下所示，可以明显看到不同输出端有不同的相位差，从而验证了这套方案的可行性。
值得一提的是，由于此电路的工作原理和双 D 触发器的特性使然，当使用 74HC74 作为移相器时，其输出频率为输入频率的 1/4，所以在使用时，需要将输入信号的频率调整到 4 倍，这样才能得到正确的输出信号。例如要产生 9 MHz 的 I/Q 信号，那么输入信号的频率应该为 9 * 4 = 36 MHz，这样才能得到正确的 9 MHz 的 I/Q 信号。
模拟开关与混频器
混频器的主要功能是将两路信号做乘法运算，其输出信号的频率为两路输入信号频率的和与差。
下面是使用 GNURadio 进行混频的例子，原始信号频率 10 kHz，用于混频的信号频率为 -9 kHz，那么最终能得到混频后的信号频率为 1 kHz。
又例如使用使用 48 Ksps 采样率的声卡 SDR 接收 9.75 MHz 上的电台，那么就需要将 9.75 MHz 的信号降频到 -24 kHz 至 +24 kHz 的范围之内（声卡左右声道对应 I/Q 信号，每个声道带宽 24 kHz），所以通过计算可得，若要在声卡 SDR 上接收 9.75 MHz 的电台，则需要将 9.75 MHz 的信号降频到 9.75 MHz - 24 kHz = 9.726 MHz 至 9.75 MHz + 24 kHz = 9.774 MHz 的范围内，而这一段频率，就需要由上面合成的 I/Q 信号来提供了。
本文选用 74HC4052 双 4 通道模拟开关来实现混频器的功能，其真值表如下所示。
| 通道选择 - A | 通道选择 - B | 连通通道 - X | 连通通道 - Y |
|---|---|---|---|
| L | L | X -> X0 | Y -> Y0 |
| H | L | X -> X1 | Y -> Y1 |
| L | H | X -> X2 | Y -> Y2 |
| H | H | X -> X3 | Y -> Y3 |
其中，上文中由双 D 触发器产生的相位差为 90 度的 I/Q 信号可以作为 74HC4052 的通道选择输入端 A、B；由天线接收到的信号则可以先分成两路，分别输入到 74HC4052 的连通通道输入端 X、Y，这样一来，就可以实现混频器的功能了。下图是 74HC4052 的接线图，值得一提的是，Xn 和 Yn 的引脚（n = 0, 1, 2, 3）应当相互连接起来，实现所选的输入信号直接连接到输出端口，进而实现信号的直通功能。
放大器及滤波器
由于混频过后的信号仍然较弱，所以需要经过放大器进行放大，而放大器的输出信号则需要经过滤波器进行滤波，以去除掉不需要的频率分量。本文选用了 LM358 作为放大器，并使用一个电容作为降频滤波器。
透过原理图，可以得知如下几点。
- 为了降低元件耦合到电源端的噪声，运放输入端各连接了一个电容到 GND
- 反相输入端通过反馈电阻连接到运放的输出端，用于控制增益和频率响应
- 反馈电阻上还并联了一个电容，实现一个低通滤波器，使得高频噪声能够被滤除
完整电路图
若将上述内容综合起来，其实一个完整的声卡 SDR 电路已经呼之欲出了。最后附上完整电路图，细心的人可能已经发现，其实博主要 DIY 的这款声卡 SDR，就是曾流行一时的 ZetaSDR。另外，在原理图中，时钟输入（即 CLK_IN 标签）将由 SI5351 模块来完成，以实现频率范围调节的功能。
这个系列的下一篇文章将会介绍博主打板、组装、焊接及上机测试的过程，敬请期待。