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GNU Radio介绍
GNU Radio是一款开源的软件工具集专注于软件定义无线电SDR系统的设计和实现。该工具集支持多种SDR硬件平台包括USRP、HackRF One和RTL-SDR等。用户可以通过GNU Radio Companion构建流程图使用不同的模块实现信号处理、滤波、解调等功能。GNU Radio提供了丰富的信号处理库支持实时和离线操作广泛应用于无线通信、雷达、无线电天文学等领域。其强大的社区支持和详细的文档使开发者能够更好地使用这一工具灵活、可定制地构建和测试各种无线通信系统。 调制与信号处理流程
人类的可听范围为20 - 20000kHz。相对而言这些频率远低于FM无线电广播频率。因此音频波只能传播很短的距离。广播电台想要远程传输声音和音乐的音频信号。那么电台就需要将音频信号中的信息传输到更高频率的载波上。这些波可以比人们可听见的波传播得更远、更快。这个过程称之为调制。调制有几种不同的类型我们经常收听的FM 广播电台使用的是频率调制。
在软件无线电SDR行业中数字信号是以离散形式表示的信号即信号的幅度、频率和相位在时间上是离散的。这与模拟信号不同模拟信号是连续的。数字信号的处理涉及将模拟信号转换为数字形式通过一系列离散的处理步骤对其进行操作最后将结果重新转换回模拟信号。
以下是数字信号在软件无线电行业中的处理步骤 模数转换Analog-to-Digital ConversionADC过程模拟信号首先通过模数转换器ADC转换为数字信号。目的将连续的模拟信号在时间和幅度上进行离散化以便计算机能够处理。 数字信号处理Digital Signal ProcessingDSP过程数字信号经过一系列数字信号处理算法如滤波、混频、解调等。目的在数字域中对信号进行操作和处理以提取、增强或变换信号的特定特征。 数模转换Digital-to-Analog ConversionDAC过程处理后的数字信号通过数模转换器DAC转换为模拟信号。目的将数字信号还原为连续的模拟信号以便在后续的模拟电路或设备中使用。 输出阶段过程模拟信号经过可能的放大器、滤波器等设备后最终输出到用户的设备如扬声器或显示器。目的将数字信号处理的结果转换为可感知或可用的模拟信号。
在软件无线电中这些步骤通常在计算机上通过专用软件例如本小节中的GNU Radio执行。这种数字信号的处理方法使得系统更加灵活能够适应不同的通信标准和应用需求。 GNU Radio安装
sudo apt-get install 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 mkdir build
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-wxgtk3.0 python-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-get install python3-pip
git clone --recursive https://github.com/gnuradio/gnuradio.git
cd gnuradio
sudo mkdir build
cd build
sudo cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX/opt/gnuradio ../
sudo make
sudo make install
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
第一个流程图
打开终端运行gnuradio_companion命令会显示如下界面界面中有Options和Variable俩个块。我们双击 Options 块我们可以通过编辑 Id 和 Title 来命名流程图 点击file-save输入grc文件的名称后保存GRC流程图。 我们可以进入保存grc的目录下进行查看发现保存了一个grc文件和生成了一个python文件。其中grc文件包含了在 GRC 中显示流程图的信息python文件则包含实际的 Python 流程图代码。 返回gnuradio打开的grc文件中键盘使用ctrlf或者点击菜单栏中的放大镜按钮可以进行模块搜索。这里我们分别搜索 Signal Source 、Throttle、QT GUI Frequency Sink 和 QT GUI Time Sink模板并按照下图顺序将每个块拖放到工作区中。随后依次点击上一个块out口和下一个块的in口连接效果如下。 点击Execute按钮菜单栏中绿色的三角按钮启动程序我们可以看到如下的波形 定义变量
我们搜索var然后将Variable变量模块拖入工作区中。并将其id命令为frequency。 双击Signal Source修改Sample Rate的值为samp_rate变量即可将定义的samp_rate32k值赋值给Signal Source的。修改Frequency的值为frequency变量。 运行时更新变量
GNU Radio 模块库自带 QT GUI 模块这些模块允许在运行时对流程图进行交互和修改。QT GUI Range 模块会创建一个滑块可用于运行时更新变量。我们搜索range并将QT GUI Range块拖入工作区中 QT GUI Range是一个可变滑块使用该模块需要设置 QT GUI Range默认值。我们将ID修改为frequency然后将Default Value设置为 0。这里的start和stop是滑块的开始值和停止值。我们设置起始值为 -samp_rate/2 停止值设置为 samp_rate/2 。step是滑块的步长。我们这里将步长设置为 100 Hz 并点击apply。 点击运行流程图后效果如下。我们可以滑动按钮来修改frequency的值。 QT GUI Chooser为变量创建选项下拉菜单。我们可以搜索Chooser并将 QT GUI Chooser拖放到工作区中。 修改QT GUI Chooser的ID值后点击apply发现报错。 这里是因为我们前面的QT GUI Range块已经引用了frequecy变量导致冲突。 我们右击QT GUI Range块点击disable将其禁用禁用该块后显示为灰色。 此时已经显示正常我们此时点击运行流程图。 QT GUI Chooser效果如下。 信号数据类型
块上的每个输入和输出端口都将具有与之关联的数据类型。数据类型由输入和输出端口的颜色标识我们单击 Help-Types可以进行查看 窗口显示数据类型及其关联的颜色这些颜色对应于 GRC 中模块的输入和输出端口。 下面示例流程图中使用 Complex Float 32 数据类型该数据类型使用一对 32 位浮点数来表示复杂样本的实部和虚部。 运行流程图显示绘制在时域中的复数信号其中信号 1 是实数分量信号 2 是复数信号的虚数分量 将所有数据类型转换为 Float 后我们重新运行该流程图 Signal Source 模块创建一个实际输出该输出显示为时域中的唯一信号 数据类型转换
搜索 Random Source 块并将其拖动到工作区中 该块默认为 Integer 32 数据类型。双击该块以打开属性并将数据类型修改为 byte Random Source 和 Throttle 模块之间的红色箭头表示需要修复的数据类型错误。双击 Throttle 模块我们将数据类型更改为 byte QT GUI Time Sink 没有 char 数据类型我们选择float类型。GNU Radio 模块库附带了类型转换器下列出的各种数据类型转换器。搜索 Char To Float 模块将其拖动到工作区中然后将其连接到流程图中。 现在所有红色错误都消失了按播放按钮启动流程图。QT GUI Time Sink 现在将显示来自随机源块的数据该块随机化为 0 和 1 其他
以上为gnuradio几个基础模块的使用方法除了上面用到模块的使用常见的其他模块使用效果如下
信号波形生成器Waveform Generators 常数信源Constant Source - 生成固定幅度的常数信号。 噪声信源Noise Source - 生成各种类型的噪声信号如高斯噪声。 信号源Signal Source - 生成各种信号类型如正弦波、方波等。
调制器Modulators AM解调AM Demod - 解调幅度调制AM信号。 连续相位调制Continuous Phase Modulation - 进行连续相位调制。 相位偏移调制与解调PSK Mod/Demod - 进行相位偏移调制和解调。 高斯频移键控调制与解调GFSK Mod/Demod - 高斯频移键控调制和解调。 高斯最小频移键控调制与解调GMSK Mod/Demod - 高斯最小频移键控调制和解调。 正交振幅调制调制与解调QAM Mod/Demod - 进行正交振幅调制和解调。 宽带调频接收WBFM Receive - 宽带调频调制的接收端。 窄带调频接收NBFM Receive - 窄带调频调制的接收端。
界面GUI 星座图Constellation Sink - 可视化星座图。 频域图Frequency Sink - 显示信号频谱的频域图。 时域图Time Sink - 显示信号的时域波形图。 直方图Histogram Sink - 显示信号的直方图。 瀑布图Waterfall Sink - 显示频谱随时间变化的瀑布图。
数学运算Math Operators 绝对值Abs 相加Add 复数共轭Complex Conjugate 相除Divide 积分Integrate 取对数Log10 相乘Multiply 均方根RMS 相减Subtract
信道模型 衰落信道模型Fading Model - 模拟信号在信道中的衰落效应。 动态信道模型Dynamic Channel Model - 模拟动态变化的信道特性。 频率选择性衰落模型Frequency Selective Fading Model - 模拟频率选择性衰落的信道。
滤波器Filters 带通/带阻滤波器Band Pass / Reject Filter 低通/高通滤波器Low / High Pass Filter 无限冲激响应滤波器IIR Filter 均方根余弦滤波器Root Raised Cosine Filter 抽取有限冲激响应滤波器Decimating FIR Filter
傅里叶分析 快速傅里叶变换FFT - 执行快速傅里叶变换以分析信号的频谱。 克斯塔斯环Costas Loop - 一种相位同步技术通常用于解调PSK调制的信号。 实验制作一个FM receiver流程图
该实验我们使用osmocom_source 模块来接收FM信号设置中心频率center_freq97.9Hz设置了一个滑块channel_freq默认频率为97.9MHz。这里需要注意channel_freq是收听广播的频率center_freq是接收信号的中心频率。其中采样率设置为变量samp_rate10MHz采样率决定了接收信号的范围以中心频率为中心左右各5MHz。Ch0Frequency (Hz)设置为变量center_freq97.9MHz。用一个Signal Source产生一个频率为center_freq-channel_freq的余弦波来与osmocom Source模块的输出相乘进行频谱搬移。流程图中低通滤波器低通滤波器就是只允许频率低于截止频率的波通过的滤波器高于截止频率的波会被直接消除的截止频率设置为75kHz过渡带宽为25kHzDecimation抽取值为int(samp_rate/channel_width)50经过此模块后的采样率由10MHz变为了200kHz。使用Rational Resampler模块来继续调整采样率以此来满足后续Audio Sink模块需要的48kHz做准备。经过Rational Resampler模块作用采样率变化过程为200k*12/5480kHz。使用WBFM接收模块来进行WBFM解调其中Audio Decimation为10表示将采样率480kHz要变为480k/1048kHz以此来适应Audio Sink所要求的48kHz。Quadrature Rate表示的是WBFM Receive模块所期望的输入采样率为480kHz。 点击运行后即可收听97.9Hz频率的波段。这里虽然可以收听到FM电台但是声音一样有断续左下角控制终端一直输出aUaU...。经过查阅相关资料后发现是虚拟机音频欠载的原因目前该问题未解决切换至windows实体机则不会出现该问题。该流程图后续优化将frequency设置为滑块并设置初始和结束值便可以很方便的修改收听频率。 总结
这一小节我们简单使用了GNU Radio软件我们通过GNU Radio CompanionGRC创建了简单的流程图展示了信号生成、处理和输出的流程。最后通过制作一个FM receiver来加深对GNU Radio的了解。
