本期作者/0xc4se

GNU Radio介紹

GNU Radio是一款開源的軟件工具集，專注于軟件定義無線電（SDR）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該工具集支持多種SDR硬件平臺(tái)，包括USRP、HackRF One和RTL-SDR等。用戶可以通過GNU Radio Companion構(gòu)建流程圖，使用不同的模塊實(shí)現(xiàn)信號處理、濾波、解調(diào)等功能。GNU Radio提供了豐富的信號處理庫，支持實(shí)時(shí)和離線操作，廣泛應(yīng)用于無線通信、雷達(dá)、無線電天文學(xué)等領(lǐng)域。其強(qiáng)大的社區(qū)支持和詳細(xì)的文檔使開發(fā)者能夠更好地使用這一工具，靈活、可定制地構(gòu)建和測試各種無線通信系統(tǒng)。

調(diào)制與信號處理流程

人類的可聽范圍為20 - 20000kHz。相對而言，這些頻率遠(yuǎn)低于FM無線電廣播頻率。因此，音頻波只能傳播很短的距離。廣播電臺(tái)想要遠(yuǎn)程傳輸聲音和音樂的音頻信號。那么電臺(tái)就需要將音頻信號中的信息傳輸?shù)礁哳l率的載波上。這些波可以比人們可聽見的波傳播得更遠(yuǎn)、更快。這個(gè)過程稱之為調(diào)制。調(diào)制有幾種不同的類型，我們經(jīng)常收聽的FM 廣播電臺(tái)，使用的是頻率調(diào)制。

在軟件無線電（SDR）行業(yè)中，數(shù)字信號是以離散形式表示的信號，即信號的幅度、頻率和相位在時(shí)間上是離散的。這與模擬信號不同，模擬信號是連續(xù)的。數(shù)字信號的處理涉及將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，通過一系列離散的處理步驟對其進(jìn)行操作，最后將結(jié)果重新轉(zhuǎn)換回模擬信號。

以下是數(shù)字信號在軟件無線電行業(yè)中的處理步驟：

模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog-to-Digital Conversion，ADC）過程：模擬信號首先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。目的：將連續(xù)的模擬信號在時(shí)間和幅度上進(jìn)行離散化，以便計(jì)算機(jī)能夠處理。

數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）過程：數(shù)字信號經(jīng)過一系列數(shù)字信號處理算法，如濾波、混頻、解調(diào)等。目的：在數(shù)字域中對信號進(jìn)行操作和處理，以提取、增強(qiáng)或變換信號的特定特征。

數(shù)模轉(zhuǎn)換（Digital-to-Analog Conversion，DAC）過程：處理后的數(shù)字信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬信號。目的：將數(shù)字信號還原為連續(xù)的模擬信號，以便在后續(xù)的模擬電路或設(shè)備中使用。

輸出階段過程：模擬信號經(jīng)過可能的放大器、濾波器等設(shè)備后，最終輸出到用戶的設(shè)備，如揚(yáng)聲器或顯示器。目的：將數(shù)字信號處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為可感知或可用的模擬信號。

在軟件無線電中，這些步驟通常在計(jì)算機(jī)上通過專用軟件（例如本小節(jié)中的GNU Radio）執(zhí)行。這種數(shù)字信號的處理方法使得系統(tǒng)更加靈活，能夠適應(yīng)不同的通信標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用需求。

GNU Radio安裝

sudo apt-getinstall libboost-all-dev libusb-1.0-0-dev python-mako doxygen python-docutils cmake build-essential
git clone git://github.com/EttusResearch/uhd.git
cd~/code/udh/host
sudo mkdirbuild
sudo cmake ../
sudo make
sudo ldconfig
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib
sudo apt install cmake git g++ libboost-all-dev python-dev python-mako 
python-numpy python-wxgtk3.0python-sphinx python-cheetah swig libzmq3-dev 
libfftw3-dev libgsl-dev libcppunit-dev doxygen libcomedi-dev libqt4-opengl-dev 
python-qt4 libqwt-dev libsdl1.2-dev libusb-1.0-0-dev python-gtk2 python-lxml 
pkg-config python-sip-dev
sudo apt-getinstall python3-pip
git clone --recursive https://github.com/gnuradio/gnuradio.git
cdgnuradio
sudo mkdirbuild
cdbuild
sudo cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/opt/gnuradio ../
sudo make
sudo makeinstall
sudo vim~/.barshrc
export PATH=$PATH:/opt/gnuradio/bin
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/opt/gnuradio/lib
export PKG_CONFIG_PATH=$PKG_CONFIG_PATH:/opt/gnuradio/lib/pkgconfig
export PYTHONPATH=$PYTHONPATH:/opt/gnuradio/lib/python2.7/dist-packages

GNU Radio使用

第一個(gè)流程圖

打開終端運(yùn)行g(shù)nuradio_companion命令，會(huì)顯示如下界面，界面中有Options和Variable倆個(gè)塊。我們雙擊 Options 塊，我們可以通過編輯 Id 和 Title 來命名流程圖：

點(diǎn)擊file->save，輸入grc文件的名稱后保存GRC流程圖。

我們可以進(jìn)入保存grc的目錄下進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)保存了一個(gè)grc文件和生成了一個(gè)python文件。其中g(shù)rc文件包含了在 GRC 中顯示流程圖的信息，python文件則包含實(shí)際的 Python 流程圖代碼。

返回gnuradio打開的grc文件中，鍵盤使用ctrl+f或者點(diǎn)擊菜單欄中的放大鏡按鈕可以進(jìn)行模塊搜索。這里我們分別搜索 Signal Source 、Throttle、QT GUI Frequency Sink 和 QT GUI Time Sink模板，并按照下圖順序?qū)⒚總€(gè)塊拖放到工作區(qū)中。隨后依次點(diǎn)擊上一個(gè)塊out口和下一個(gè)塊的in口，連接效果如下。

點(diǎn)擊Execute按鈕（菜單欄中綠色的三角按鈕）啟動(dòng)程序，我們可以看到如下的波形：

定義變量

我們搜索var，然后將Variable變量模塊拖入工作區(qū)中。并將其id命令為frequency。

雙擊Signal Source，修改Sample Rate的值為samp_rate變量，即可將定義的samp_rate=32k值賦值給Signal Source的。修改Frequency的值為frequency變量。

運(yùn)行時(shí)更新變量

GNU Radio 模塊庫自帶 QT GUI 模塊，這些模塊允許在運(yùn)行時(shí)對流程圖進(jìn)行交互和修改。QT GUI Range 模塊會(huì)創(chuàng)建一個(gè)滑塊，可用于運(yùn)行時(shí)更新變量。我們搜索range并將QT GUI Range塊拖入工作區(qū)中：

QT GUI Range是一個(gè)可變滑塊，使用該模塊需要設(shè)置 QT GUI Range默認(rèn)值。我們將ID修改為frequency，然后將Default Value設(shè)置為 0。這里的start和stop是滑塊的開始值和停止值。我們設(shè)置起始值為 -samp_rate/2 ，停止值設(shè)置為 samp_rate/2 。step是滑塊的步長。我們這里將步長設(shè)置為 100 Hz ，并點(diǎn)擊apply。

點(diǎn)擊運(yùn)行流程圖后，效果如下。我們可以滑動(dòng)按鈕來修改frequency的值。

QT GUI Chooser為變量創(chuàng)建選項(xiàng)下拉菜單。我們可以搜索Chooser，并將 QT GUI Chooser拖放到工作區(qū)中。

修改QT GUI Chooser的ID值后，點(diǎn)擊apply，發(fā)現(xiàn)報(bào)錯(cuò)。

這里是因?yàn)槲覀兦懊娴腝T GUI Range塊已經(jīng)引用了frequecy變量，導(dǎo)致沖突。

我們右擊QT GUI Range塊，點(diǎn)擊disable將其禁用，禁用該塊后顯示為灰色。

此時(shí)已經(jīng)顯示正常，我們此時(shí)點(diǎn)擊運(yùn)行流程圖。

QT GUI Chooser效果如下。

信號數(shù)據(jù)類型

塊上的每個(gè)輸入和輸出端口都將具有與之關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)類型由輸入和輸出端口的顏色標(biāo)識(shí)，我們單擊 Help->Types可以進(jìn)行查看：

窗口顯示數(shù)據(jù)類型及其關(guān)聯(lián)的顏色，這些顏色對應(yīng)于 GRC 中模塊的輸入和輸出端口。

下面示例流程圖中使用 Complex Float 32 數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型使用一對 32 位浮點(diǎn)數(shù)來表示復(fù)雜樣本的實(shí)部和虛部。

運(yùn)行流程圖顯示繪制在時(shí)域中的復(fù)數(shù)信號，其中信號 1 是實(shí)數(shù)分量，信號 2 是復(fù)數(shù)信號的虛數(shù)分量：

將所有數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為 Float 后，我們重新運(yùn)行該流程圖：

Signal Source 模塊創(chuàng)建一個(gè)實(shí)際輸出，該輸出顯示為時(shí)域中的唯一信號：

數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換

搜索 Random Source 塊并將其拖動(dòng)到工作區(qū)中：

該塊默認(rèn)為 Integer 32 數(shù)據(jù)類型。雙擊該塊以打開屬性并將數(shù)據(jù)類型修改為 byte：

Random Source 和 Throttle 模塊之間的紅色箭頭表示需要修復(fù)的數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤。雙擊 Throttle 模塊，我們將數(shù)據(jù)類型更改為 byte：

QT GUI Time Sink 沒有 char 數(shù)據(jù)類型，我們選擇float類型。GNU Radio 模塊庫附帶了類型轉(zhuǎn)換器下列出的各種數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器。搜索 Char To Float 模塊，將其拖動(dòng)到工作區(qū)中，然后將其連接到流程圖中。

現(xiàn)在所有紅色錯(cuò)誤都消失了，按播放按鈕啟動(dòng)流程圖。QT GUI Time Sink 現(xiàn)在將顯示來自隨機(jī)源塊的數(shù)據(jù)，該塊隨機(jī)化為 0 和 1：

其他

以上為gnuradio幾個(gè)基礎(chǔ)模塊的使用方法，除了上面用到模塊的使用，常見的其他模塊使用效果如下：

信號波形生成器（Waveform Generators）

常數(shù)信源（Constant Source） - 生成固定幅度的常數(shù)信號。

噪聲信源（Noise Source） - 生成各種類型的噪聲信號，如高斯噪聲。

信號源（Signal Source） - 生成各種信號類型，如正弦波、方波等。

調(diào)制器（Modulators）

AM解調(diào)（AM Demod） - 解調(diào)幅度調(diào)制（AM）信號。

連續(xù)相位調(diào)制（Continuous Phase Modulation） - 進(jìn)行連續(xù)相位調(diào)制。

相位偏移調(diào)制與解調(diào)（PSK Mod/Demod） - 進(jìn)行相位偏移調(diào)制和解調(diào)。

高斯頻移鍵控調(diào)制與解調(diào)（GFSK Mod/Demod） - 高斯頻移鍵控調(diào)制和解調(diào)。

高斯最小頻移鍵控調(diào)制與解調(diào)（GMSK Mod/Demod） - 高斯最小頻移鍵控調(diào)制和解調(diào)。

正交振幅調(diào)制調(diào)制與解調(diào)（QAM Mod/Demod） - 進(jìn)行正交振幅調(diào)制和解調(diào)。

寬帶調(diào)頻接收（WBFM Receive） - 寬帶調(diào)頻調(diào)制的接收端。

窄帶調(diào)頻接收（NBFM Receive） - 窄帶調(diào)頻調(diào)制的接收端。

界面（GUI）

星座圖（Constellation Sink） - 可視化星座圖。

頻域圖（Frequency Sink） - 顯示信號頻譜的頻域圖。

時(shí)域圖（Time Sink） - 顯示信號的時(shí)域波形圖。

直方圖（Histogram Sink） - 顯示信號的直方圖。

瀑布圖（Waterfall Sink） - 顯示頻譜隨時(shí)間變化的瀑布圖。

數(shù)學(xué)運(yùn)算（Math Operators）

絕對值（Abs）

相加（Add）

復(fù)數(shù)共軛（Complex Conjugate）

相除（Divide）

積分（Integrate）

取對數(shù)（Log10）

相乘（Multiply）

均方根（RMS）

相減（Subtract）

信道模型

衰落信道模型（Fading Model） - 模擬信號在信道中的衰落效應(yīng)。

動(dòng)態(tài)信道模型（Dynamic Channel Model） - 模擬動(dòng)態(tài)變化的信道特性。

頻率選擇性衰落模型（Frequency Selective Fading Model） - 模擬頻率選擇性衰落的信道。

濾波器（Filters）

帶通/帶阻濾波器（Band Pass / Reject Filter）

低通/高通濾波器（Low / High Pass Filter）

無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR Filter）

均方根余弦濾波器（Root Raised Cosine Filter）

抽取有限沖激響應(yīng)濾波器（Decimating FIR Filter）

傅里葉分析

快速傅里葉變換（FFT） - 執(zhí)行快速傅里葉變換以分析信號的頻譜。

克斯塔斯環(huán)（Costas Loop） - 一種相位同步技術(shù)，通常用于解調(diào)PSK調(diào)制的信號。

實(shí)驗(yàn)：制作一個(gè)FM receiver流程圖

該實(shí)驗(yàn)我們使用osmocom_source 模塊來接收FM信號，設(shè)置中心頻率center_freq＝97.9ＭHz，設(shè)置了一個(gè)滑塊channel_freq，默認(rèn)頻率為97.9MHz。這里需要注意，channel_freq是收聽廣播的頻率，center_freq是接收信號的中心頻率。其中采樣率設(shè)置為變量samp_rate=10MHz（采樣率決定了接收信號的范圍，以中心頻率為中心左右各5MHz。），Ch0：Frequency (Hz)設(shè)置為變量center_freq=97.9MHz。用一個(gè)Signal Source產(chǎn)生一個(gè)頻率為center_freq-channel_freq的余弦波來與osmocom Source模塊的輸出相乘，進(jìn)行頻譜搬移。流程圖中低通濾波器（低通濾波器就是只允許頻率低于截止頻率的波通過的濾波器，高于截止頻率的波會(huì)被直接消除）的截止頻率設(shè)置為75kHz，過渡帶寬為25kHz，Decimation抽取值為int(samp_rate/channel_width)=50，經(jīng)過此模塊后的采樣率由10MHz變?yōu)榱?00kHz。使用Rational Resampler模塊來繼續(xù)調(diào)整采樣率，以此來滿足后續(xù)Audio Sink模塊需要的48kHz做準(zhǔn)備。經(jīng)過Rational Resampler模塊作用，采樣率變化過程為200k*12/5=480kHz。使用WBFM接收模塊來進(jìn)行WBFM解調(diào)，其中Audio Decimation為10，表示將采樣率480kHz要變?yōu)?80k/10=48kHz，以此來適應(yīng)Audio Sink所要求的48kHz。Quadrature Rate表示的是WBFM Receive模塊所期望的輸入采樣率為480kHz。

點(diǎn)擊運(yùn)行后，即可收聽97.9ＭHz頻率的波段。這里雖然可以收聽到FM電臺(tái)，但是聲音一樣有斷續(xù)，左下角控制終端一直輸出aUaU...。經(jīng)過查閱相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)是虛擬機(jī)音頻欠載的原因，目前該問題未解決，切換至windows實(shí)體機(jī)則不會(huì)出現(xiàn)該問題。該流程圖后續(xù)優(yōu)化將frequency設(shè)置為滑塊并設(shè)置初始和結(jié)束值，便可以很方便的修改收聽頻率。

總結(jié)

這一小節(jié)，我們簡單使用了GNU Radio軟件，我們通過GNU Radio Companion（GRC）創(chuàng)建了簡單的流程圖，展示了信號生成、處理和輸出的流程。最后通過制作一個(gè)FM receiver來加深對GNU Radio的了解。

審核編輯：湯梓紅