當 IGate 戀上 SDR

自從考獲業餘電台牌照成為「火腿操作員」(HAM operator) 後，從未認真履行應有責任，進行無線電相關研究及測試。雖然有著「一係唔做，一做就要做到最好」的決心，但業餘無線電博大精深，範圍又廣，找一個合適的研究題目並不容易。又要 topic 勁，又要新奇好玩無得頂，在幾經思索後，決定由 APRS 開始。

由 Bob Bruninga (WB4APR) 研發，APRS (Automatic Packet Reporting System) 是一個供業餘電台使用的數據通訊系統，於業餘頻道以模擬 FM 調製方式傳送即時資訊，包括通告、信息、警報、位置、及天氣情況等等。「火腿操作員」只需配備有 APRS 功能的通訊器材，完成設定後調校至指定頻道（大中華區為 144.640 MHz），就可以收發資訊。資訊可透過數據中繼 (digipeater) 傳播到更遠地方，亦可透過 IGate (Internet Gateway) 經互聯網轉送到 APRS-IS (APRS Internet Service) 核心 ，讓大家只需上網便能一覽世界各地 APRS 實時情況。

IGate 是今次研究對象，目標是利用 RTL-SDR 技術架設 IGate。IGate 於整個 APRS 架構中處於非常重要位置，它將互聯網及無線電世界聯繫起來，一方面利用 IP (Internet Protocol) 連接互聯網，另一方面透過無線電設備收發 APRS 資訊。使用 RTL-SDR 好處是硬件售價便宜，對應軟件齊備，易於與電腦整合，靈活性及擴展性又高，絕對適合作為 IGate 接收 APRS 訊號的最佳拍檔。

【相關文章：次世代無線電 RTL-SDR】

▲ RTL-SDR 手指麻雀雖小但用途多多

架設 IGate 需要以下設備：

1. RTL-SDR 手指，即使用 Realtek RTL2832U demodulator 及 Rafael Micro R820T tuner 晶片的數碼電視及電台 USB 接收器
2. 可連線上網的電腦或 Raspberry Pi
3. Dire Wolf 電腦軟件

在香港購買 RTL-SDR 手指可能比較困難，但在淘寶卻非常容易 ，而且數十元就有交易。IGate 軟件方面採用由 WB2OSZ 開發的 Dire Wolf。它是一個軟件音效卡、modem/TNC (terminal node controller)、及 APRS 編碼及解碼器，可作 digipeater 及 IGate 之用。Dire Wolf 好處是跨平台 (cross platform)，無論於 Windows、OS X、Linux 或 Raspberry Pi 平台上都可以安裝，又支援 RTL-SDR，而且 hackable，可透過編寫程式發放不同 APRS 資訊，所以選用 Dire Wolf。電腦方面使用運行 Linux Mint 17.3 Rosa MATE Edition 操作系統的 Acer Aspire One D250 netbook。

【相關文章：去吧！轉用 Linux 啦！】

安裝 Dire Wolf

1. 首先到 Dire Wolf GitHub 網頁下載最新版本源碼（現時最新版本為 1.3）。

https://github.com/wb2osz/direwolf/releases

2. 開啟 Terminal，輸入以下指令，進入 Downloads 文件夾。

$ cd ~/Downloads

3. 將 Dire Wolf 1.3 源碼檔案解壓。

$ tar xfz direwolf-1.3.tar.gz

4. 將解壓出來的 direwolf-1.3 文件夾移送到 /opt/。

$ sudo mv direwolf-1.3 /opt/

5. 進入 /opt/direwolf-1.3/ 文件夾。

$ cd /opt/direwolf-1.3/

6. 透過 APT 套件管理員安裝 libasound2-dev 套件。

$ sudo apt-get install libasound2-dev

7. 更新 APRS 符號檔案。

$ make tocalls-symbols

8. 一切準備就緒，現在使用 make 指令建立程式。

$ make

9. 成功建立後便安裝程式。

$ sudo make install

10. 最後，安裝原廠設定檔案。

$ make install-conf

安裝 Dire Wolf 大致完成，然後開始更改設定。開啟任何 text editor（例如 gedit 或 Leafpad 等等)，打開位於 home directory ~/ 的 direwolf.conf 檔案，然後更改或加入以下設定：

ADEVICE stdin null
CHANNEL 0
MYCALL VR2ZDX-10
IGSERVER asia.aprs2.net
IGLOGIN VR2ZDX-10 123456
PBEACON sendto=IG delay=0:30 every=60:00 symbol="igate" overlay=R lat=22^20.20N long=114^2.2E comment="RX-only IGate using RTL-SDR"

說明：

ADEVICE stdin null
代表 Dire Wolf 可使用 RTL-SDR 手指內置的音效卡作為唯一音頻設備，並選擇從 stdin 讀取音頻訊號。 因選用的 RTL-SDR 手指不能發射訊號，所以在輸出一欄填上 null。

CHANNEL 0
代表只有一條無線電頻道。（0 代表一條頻道，1 代表兩條）

MYCALL VR2ZDX-10
寫上自己業餘電台呼號，加上 “-” 及合適的 SSID (substation ID)。IGate 的 SSID 是 10，所以在呼號後填上 “-10″。

SSID	Applications
0	Your primary station usually fixed and message capable
1	Generic additional station, digi, mobile, wx, etc
2	Generic additional station, digi, mobile, wx, etc
3	Generic additional station, digi, mobile, wx, etc
4	Generic additional station, digi, mobile, wx, etc
5	Other networks (D-STAR, iPhone, Android, BlackBerry, etc)
6	Special activity, Satellite ops, camping or 6 meters, etc
7	Walkie talkies, HT’s or other human portable
8	Boats, sailboats, RV’s or second main mobile
9	Primary Mobile (usually message capable)
10	Internet, IGates, Echolink, Winlink, AVRS, APRN
11	Balloons, aircraft, spacecraft, etc
12	APRStt, DTMF, RFID, devices, one-way trackers, etc
13	Weather stations
14	Truckers or generally full time drivers
15	Generic additional station, digi, mobile, wx, etc

IGSERVER asia.aprs2.net
填上 IGate 需要接駁的 APRS-IS 第二級 (tier 2) 伺服器名稱。不建議直接接駁個别伺服器，否則當伺服器出現問題時影響 IGate 連線運作。建議接駁到循環地址 asia.aprs2.net，該地址會自動循環選擇位於亞洲區內不同的伺服器，有助負載平衡 (load balancing) 之餘又可以提高彈性 (resilience)。

IGLOGIN VR2ZDX-10 123456
然後輸入呼號連同 SSID 作登入名稱，及相關的 APRS 6 位數字驗證碼。

PBEACON sendto=IG delay=0:30 every=60:00 symbol="igate" overlay=R lat=22^20.20N long=114^2.2E comment="RX-only IGate using RTL-SDR"
Dire Wolf 可定時發出信標 (beacon)，讓其他 APRS 使用者及 APRS-IS 伺服器接收電台位置、遙測數據 (telemetric data)、及天氣資訊等等。而以上 PBEACON 設定代表 Dire Wolf 啟動 30 秒後會將電台位置、以 R 蓋上 IGate 符號的標記，連同註釋一併經 IGate 發送到 APRS-IS 去，每 60 分鐘重複發送，讓電台顯示於 aprs.fi 及 findu.com 網站上。

最後階段

完成設定後，可以正式使用 Dire Wolf。執行 Dire Wolf 需要使用 rtl_fm 指令工具，將 RTL2832U 初始化，並調校至指定頻率（即 144.640 MHz），然後將接收得來的音頻訊號傳送至 Dire Wolf 再作調解。執行指令如下：

$ rtl_fm -f 144.640M - | direwolf -r 24000 -D 1 -

RTL-SDR 手指雖然售價便宜，但頻率偏移 (frequency offset) 嚴重，而且每支不同，需要每支進行校準 (calibration)。可選擇用人手方法將頻率上下調校，直至找到最佳接收頻率為止。圖中黑色使用 R820T tuner 的接收器就需要將頻率調低 10 KHz 至 144.630 MHz 才能接收清晰 APRS 訊號。

$ rtl_fm -f 144.630M - | direwolf -r 24000 -D 1 -

▲ 左邊黑色 RTL-SDR 手指採用 R820T tuner 晶片，右邊藍色的採用較新的 R820T2 晶片，零敏度高至少 2.7 dB

或者可以選擇使用 Kalibrate-rtl 程式利用 GSM 頻率計算出每支接收器的頻率誤差。首先安裝 Kalibrate-rtl：

$ cd /opt/
$ sudo apt-get install libtool autoconf automake libfftw3-dev
$ git clone https://github.com/asdil12/kalibrate-rtl.git
$ cd kalibrate-rtl
$ git checkout arm_memory
$ ./bootstrap
$ ./configure
$ make
$ sudo make install

完成後執行以下指令，掃描所有 GSM 900 MHz 頻率，並尋找存在的頻道。

$ kal -s EGSM

Kalibrate-rtl 會顯示所有存在的頻道及其功率。選擇功率較大的頻道並計算出頻率偏差。

$ kal -c 76

完成計算後發現使用 R820T2 tuner 的 RTL-SDR 手指 （藍色）誤差大約是 38-39 ppm 之間。然後透過 -p 指令將誤差數字植入到 rtl_fm。

$ rtl_fm -f 144.640M -p 39 - | direwolf -r 24000 -D 1 -

登登！APRS IGate 架設成功！

▲ aprs.fi 網站

運作已經超過一個月時間，除了電腦耗電比較高，整體運作非常暢順，平均每月處理超過 10,000 條 APRS 資訊。將來會考慮轉移到 Raspberry Pi 或其它單板電腦上運行，減低耗電量之餘又可令體積減少。除此之外，亦會考慮更換天線改善接收能力，令 IGate 可以接觸到更遠訊號，還會嘗試開發一些小程式將實時資訊透過 IGate 發送到全世界。有人認為互聯網出現後令愈來愈少人對業餘無線電感興趣，但若然能夠將這兩個不同世界連接起來，兩個世界最好的事物也走在一起，不是更新奇、更好玩嗎？

73 de VR2ZDX

（完）