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）系統的設計和實現。該工具集支持多種SDR硬件平臺，包括USRP、HackRF One和RTL-SDR等。用戶可以通過GNU Radio Companion構建流程圖，使用不同的模塊實現信號處理、濾波、解調等功能。GNU Radio提供了豐富的信號處理庫，支持實時和離線操作，廣泛應用于無線通信、雷達、無線電天文學等領域。其強大的社區支持和詳細的文檔使開發者能夠更好地使用這一工具，靈活、可定制地構建和測試各種無線通信系統。

調制與信號處理流程

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。廣播電臺想要遠程傳輸聲音和音樂的音頻信號。那么電臺就需要將音頻信號中的信息傳輸到更高頻率的載波上。這些波可以比人們可聽見的波傳播得更遠、更快。這個過程稱之為調制。調制有幾種不同的類型，我們經常收聽的FM 廣播電臺，使用的是頻率調制。

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

以下是數字信號在軟件無線電行業中的處理步驟：

模數轉換（Analog-to-Digital Conversion，ADC）過程：模擬信號首先通過模數轉換器（ADC）轉換為數字信號。目的：將連續的模擬信號在時間和幅度上進行離散化，以便計算機能夠處理。

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

數模轉換（Digital-to-Analog Conversion，DAC）過程：處理后的數字信號通過數模轉換器（DAC）轉換為模擬信號。目的：將數字信號還原為連續的模擬信號，以便在后續的模擬電路或設備中使用。

輸出階段過程：模擬信號經過可能的放大器、濾波器等設備后，最終輸出到用戶的設備，如揚聲器或顯示器。目的：將數字信號處理的結果轉換為可感知或可用的模擬信號。

在軟件無線電中，這些步驟通常在計算機上通過專用軟件（例如本小節中的GNU Radio）執行。這種數字信號的處理方法使得系統更加靈活，能夠適應不同的通信標準和應用需求。

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

第一個流程圖

打開終端運行gnuradio_companion命令，會顯示如下界面，界面中有Options和Variable倆個塊。我們雙擊 Options 塊，我們可以通過編輯 Id 和 Title 來命名流程圖：

點擊file->save，輸入grc文件的名稱后保存GRC流程圖。

我們可以進入保存grc的目錄下進行查看，發現保存了一個grc文件和生成了一個python文件。其中grc文件包含了在 GRC 中顯示流程圖的信息，python文件則包含實際的 Python 流程圖代碼。

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

點擊Execute按鈕（菜單欄中綠色的三角按鈕）啟動程序，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。

運行時更新變量

GNU Radio 模塊庫自帶 QT GUI 模塊，這些模塊允許在運行時對流程圖進行交互和修改。QT GUI Range 模塊會創建一個滑塊，可用于運行時更新變量。我們搜索range并將QT GUI Range塊拖入工作區中：

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

點擊運行流程圖后，效果如下。我們可以滑動按鈕來修改frequency的值。

QT GUI Chooser為變量創建選項下拉菜單。我們可以搜索Chooser，并將 QT GUI Chooser拖放到工作區中。

修改QT GUI Chooser的ID值后，點擊apply，發現報錯。

這里是因為我們前面的QT GUI Range塊已經引用了frequecy變量，導致沖突。

我們右擊QT GUI Range塊，點擊disable將其禁用，禁用該塊后顯示為灰色。

此時已經顯示正常，我們此時點擊運行流程圖。

QT GUI Chooser效果如下。

信號數據類型

塊上的每個輸入和輸出端口都將具有與之關聯的數據類型。數據類型由輸入和輸出端口的顏色標識，我們單擊 Help->Types可以進行查看：

窗口顯示數據類型及其關聯的顏色，這些顏色對應于 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 數據類型，該數據類型使用一對 32 位浮點數來表示復雜樣本的實部和虛部。

運行流程圖顯示繪制在時域中的復數信號，其中信號 1 是實數分量，信號 2 是復數信號的虛數分量：

將所有數據類型轉換為 Float 后，我們重新運行該流程圖：

Signal Source 模塊創建一個實際輸出，該輸出顯示為時域中的唯一信號：

數據類型轉換

搜索 Random Source 塊并將其拖動到工作區中：

該塊默認為 Integer 32 數據類型。雙擊該塊以打開屬性并將數據類型修改為 byte：

Random Source 和 Throttle 模塊之間的紅色箭頭表示需要修復的數據類型錯誤。雙擊 Throttle 模塊，我們將數據類型更改為 byte：

QT GUI Time Sink 沒有 char 數據類型，我們選擇float類型。GNU Radio 模塊庫附帶了類型轉換器下列出的各種數據類型轉換器。搜索 Char To Float 模塊，將其拖動到工作區中，然后將其連接到流程圖中。

現在所有紅色錯誤都消失了，按播放按鈕啟動流程圖。QT GUI Time Sink 現在將顯示來自隨機源塊的數據，該塊隨機化為 0 和 1：

其他

以上為gnuradio幾個基礎模塊的使用方法，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）

常數信源（Constant Source） - 生成固定幅度的常數信號。

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。

調制器（Modulators）

AM解調（AM Demod） - 解調幅度調制（AM）信號。

連續相位調制（Continuous Phase Modulation） - 進行連續相位調制。

相位偏移調制與解調（PSK Mod/Demod） - 進行相位偏移調制和解調。

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

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

正交振幅調制調制與解調（QAM Mod/Demod） - 進行正交振幅調制和解調。

寬帶調頻接收（WBFM Receive） - 寬帶調頻調制的接收端。

窄帶調頻接收（NBFM Receive） - 窄帶調頻調制的接收端。

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。

時域圖（Time Sink） - 顯示信號的時域波形圖。

直方圖（Histogram Sink） - 顯示信號的直方圖。

瀑布圖（Waterfall Sink） - 顯示頻譜隨時間變化的瀑布圖。

數學運算（Math Operators）

絕對值（Abs）

相加（Add）

復數共軛（Complex Conjugate）

相除（Divide）

積分（Integrate）

取對數（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。

動態信道模型（Dynamic Channel Model） - 模擬動態變化的信道特性。

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）

抽取有限沖激響應濾波器（Decimating FIR Filter）

傅里葉分析

快速傅里葉變換（FFT） - 執行快速傅里葉變換以分析信號的頻譜。

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

實驗：制作一個FM receiver流程圖

該實驗我們使用osmocom_source 模塊來接收FM信號，設置中心頻率center_freq＝97.9ＭHz，設置了一個滑塊channel_freq，默認頻率為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)設置為變量center_freq=97.9MHz。用一個Signal Source產生一個頻率為center_freq-channel_freq的余弦波來與osmocom Source模塊的輸出相乘，進行頻譜搬移。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被直接消除）的截止頻率設置為75kHz，過渡帶寬為25kHz，Decimation抽取值為int(samp_rate/channel_width)=50，經過此模塊后的采樣率由10MHz變為了200kHz。使用Rational Resampler模塊來繼續調整采樣率，以此來滿足后續Audio Sink模塊需要的48kHz做準備。經過Rational Resampler模塊作用，采樣率變化過程為200k*12/5=480kHz。使用WBFM接收模塊來進行WBFM解調，其中Audio Decimation為10，表示將采樣率480kHz要變為480k/10=48kHz，以此來適應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。

點擊運行后，即可收聽97.9ＭHz頻率的波段。這里雖然可以收聽到FM電臺，但是聲音一樣有斷續，左下角控制終端一直輸出aUaU...。經過查閱相關資料后發現是虛擬機音頻欠載的原因，目前該問題未解決，切換至windows實體機則不會出現該問題。該流程圖后續優化將frequency設置為滑塊并設置初始和結束值，便可以很方便的修改收聽頻率。

總結

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

審核編輯：湯梓紅