Tutorial 6: Using GNU Radio with Hardware

# Using GNU Radio with Hardware

## 目标
* GNU Radio如何将仿真和真实世界连接起来
* 你能做什么，你允许做什么？

## 学习前提
* 熟悉C ++和Python
* Radio/RF 的知识
    * [Our Suggested Reading](http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki/SuggestedReading) list
    * ARRL手册
* 之前的教程

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## 介绍

到目前为止，本系列的所有教程都围绕着通过模拟使用GNU Radio作为原型开发平台。然而，GNU Radio的一个巨大优势是，从模拟到现实操作是非常容易的。在本教程中，我们将基于您迄今为止学到的内容，创建真实的发射器和接收器。本教程中，我们将采取您以前的QPSK设计，并将其变成实际的发射机。我们还将从头开始构建一个完整的FM无线电接收器，您可以使用它来收听您的本地FM广播电台。

## 仿真和实现

从仿真到实现也带来了一系列新的挑战需要解决。无线电和RF工程是非常复杂的学科，在构建实际的无线电系统时有很多需要考虑的。除了设计通信系统理论的挑战之外，现在还需要处理来自无线电硬件的损耗，由物理介质（即无线或有线信道）引入的问题，同步设计等。

要了解更多关于现实世界无线电损伤的信息，一个不错的入门是马特·艾特斯的约45分钟的教程。你可以找到它的视频：[YouTube：实用软件收音机](https://www.youtube.com/watch?v=wqKNUXDdIvU)

如果您想直接在GNU Radio中了解有关无线电损耗的更多信息，请查看[/ gr-channels / grc](http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/repository/show/gr-channels/grc?utf8=%E2%9C%93&rev=maint)中的硬件损耗模型。

## What Will I Need?

如果你没有实际的收音机工作，本教程仍然有用。第一部分（传输）将向您介绍与硬件接口的基础知识。对于第二部分，您可以简单地使用来自实际收音机的录音，而不对数据做任何处理。我们提供了一个录音，您可以在[gr-tutorials](https://github.com/gnuradio/gr-tutorial/blob/master/examples/tutorial6/fm_101.8MHz_1Msps.cfile)存储库中找到它。您可以在流程图中使用它来模拟传递样本的硬件。

但是，如果你有一块可以与GNU Radio一起使用的无线电硬件，本教程将是最有用的。有越来越多的供应商为硬件提供GNU Radio驱动程序，它们从非常便宜的20美元接收器到非常高性能的数万美元系统。但是，如果你有一块可以与GNU Radio一起使用的无线电硬件，本教程将是最有用的。有越来越多的供应商为提供带有GNU Radio驱动程序的硬件，它们从非常便宜的20美元接收器到非常高性能的数万美元系统。

本教程使用简单，低带宽，半双工无线电。如果你有一个收音机接收，假设它可以调谐到FM波段。大多数国家将〜87 MHz和〜108 MHz之间分配给FM广播电台，在该范围的下限和上限可能有少许浮动。

## 小贴士

在本教程中，我们将发送一个信号，但你应该直接将你的发射天线端口连接到频谱分析仪或一些其他测试设备。如果您没有将收音机直接连接到接收设备，您将通过无线方式发射。如果没有任何负载连接到您的发射天线，并且您不小心使用太多功率发射，则会有大功率反射损坏无线电硬件。一般来说，在将任何电缆直接连接到任何硬件上的天线输入之前，您应谨慎行事并在信号路径中放置一个衰减器。您有责任遵守您所在国家/地区的相关法律。不传输是唯一保证合法的方式。直接传输到分析仪是另一个不错的选择。如果您没有分析仪，我建议只浏览传输部分，但实际上不要执行流程图。

## 使用 UHD 块

作者使用[Ettus Research USRP B200](http://b200.ettus.com/)，它使用[USRP硬件驱动程序](https://github.com/EttusResearch/uhd)。因此，本教程中使用的source和sink是[gr-uhd](http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/repository/revisions/master/show/gr-uhd)块。

如果您使用的是不同的硬件，则应使用硬件供应商建议的块。比如，另一个流行的HW块是，是[gr-osmosdr](http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/GrOsmoSDR)。

为了使用UHD块，您必须安装UHD。有多种方法可以安装UHD，您可以在[这里](http://code.ettus.com/redmine/ettus/projects/uhd/wiki)阅读。如果从源代码构建GNU Radio，您应该已经在CMake输出中构建的组件列表中看到了gr-uhd。如果GNU Radio成功找到您的UHD安装，您应该在GNU Radio Companion中看到一组UHD块：
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=5872f8ccab6441236e017fe4)

## 构建QPSK发送器

> 请在开始本节之前阅读上述的法律注意事项部分。您对自己的行为负全部责任。

### 再次学习QPSK

我们将从[Python编程教程](http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki/Guided_Tutorial_GNU_Radio_in_Python)中的QPSK流程图开始。在该教程中，您解调QPSK信号并将其保存到文件。这里，我们将传输您生成的QPSK信号，而不是解调信号。

开始，我们删除解调器和文件接收器，但留下QT星座接收器。如下图：
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=5872fb77ab6441209e018ed4)

You can also just [download the flowgraph pictured above to get rolling](https://raw.githubusercontent.com/gnuradio/gr-tutorial/master/examples/tutorial6/gr-tutorial-qpsk-tx.grc)
（这句话没看明白。。。就先跳过吧）

如果你执行那个流程图，你应该看你的QPSK信号的符号星座（有一些模拟噪声）。要查看看起来像什么，请解压缩以下链接！
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58771b26ab6441236e021ffc)

## 从仿真到实现

现在，让我们从仿真到真实的发射。首先，连接你的发射天线到你的频谱分析仪(如果你倾向于实际发射)

由于我们不再模拟信号，让我们去除噪声源和加法器。因为我们有一个实际的硬件源提供速率控制，我们不再需要油门块。事实上，保持油门块在流程图可能实际上阻碍其性能与UHD设备的速率冲突（更多的，请阅读[常见问题](http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki/FAQ#When-do-I-use-a-throttle-block)中的此注意）。

将我们的程序从一个模拟改为一个操作软件无线电现在就像在你的流程图中放置一个新的水槽块一样简单。找到“UHD Sink”块，将其添加到流程图，并将其连接到调制器的输出。

## 配置UHD的Sink参数

通常一个好主意是为参数创建variable block，这样可以方便调整。复制并粘贴samp_rate变量块两次，并为freq和gain创建变量。将频率和增益设置为硬件支持的值。我为中心频率选择了2.421 GHz。将你的增益设置在设备的较低范围内。我将我设置为30 dB，这是我的设备中可用的TX增益的1/3。

现在，让我们使用我们的新变量块作为UHD接收器中的实际传输参数。打开UHD接收器块的属性（双击它，或右键单击，然后单击“属性”），你应该看到一个属性窗口出来一个参数列表来调整。这里有很多我们需要触摸的属性。向下滚动到列表的底部。相应地设置以下属性：

* Samp Rate (Sps): samp_rate
* Ch0: Center Freq (Hz: freq
* Ch0: Gain (dB): gain
* Ch0: Antenna: "TX/RX"
* Ch0: Bandwidth (Hz): samp_rate

要记住的一个非常重要的方面是，进入UHD接收器的1.0的值将完全使得数模转换器饱和。大于1的任何值都将导致裁剪，这意味着幅度在1.0之上被“裁剪掉”。一般来说，你想从1.0退出。在这个例子中，我们将乘法器的输出乘以0.5，以确保我们肯定在正确的幅度范围内。
此时，您的流程图已准备好运行！它应该看起来像这样：
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=587721fdab644175f4000013)

如果您在按照上述说明进行操作后遇到问题，【[请在此下载流程图](https://raw.githubusercontent.com/gnuradio/gr-tutorial/master/examples/tutorial6/gr-tutorial-qpsk-tx-uhd.grc)，并将其与您自己的流程图进行比较。

## A Working Software Radio Transmitter

如果你执行你的流程图，你应该看到通常的初始化和GUI启动 - 而不是一切都是模拟，你实际上正在发送您的QPSK信号。因为我们让TX信号同时送入'QT Constellation Sink'和'UHD Sink'，我们可以看到星座图，和用分析仪也能看到它（如果你的分析仪有一个QPSK解调器功能）。

如果我们只查看分析仪上的频谱，你可以清楚的看到你选择的信号频率。如果你看不到它，请仔细检查你的参数，并尝试增加你的收音机增益。
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=587833c5ab64417a0d001a3f)
看到这张图，表明你已经创建了一个QPSK的发射器。

# 建立一个FM无线电接收器

在本节中，我们将构建一个工作的FM无线电接收器，您可以使用它来收听您的本地FM广播电台。本内容基于Balint Seeber编写的教程幻灯片系列，可从这里下载：files.ettus.com/tutorials

## 创建一个软件无线电频谱分析仪

你可以在GNU Radio中使用接收器做一个更基本（但也非常有用）的事情，比如简单地绘制接收器看到的实时FFT。它是一个软件无线电频谱分析仪。这也是很重要的一步，因为它将验证您的硬件是否正常工作，我们可以使用它来识别你的区域中的广播电台。

创建一个新的流程图，添加'UHD: USRP Source' 和 'QT GUI Sink' 到画布中。在上一节中，我们使用静态变量的频率和增益。在这里，让我们让他们随时变化。找到"QT GUI Range" block，并添加两个到流程图。打开它们，并根据您的硬件填写以下字段。我的填写如下，以匹配USRP B200的功能：

* QT GUI Range 1:
    * ID: freq
    * Label: freq
    * Default Value: 1e9
    * Start: 70e6
    * Stop: 6e9
    * step: 10e6
* QT GUI Range 2:
    * ID: gain
    * Label: gain
    * Default Value: 0
    * Start: 0
    * Stop: 74
    * Step: 1

将您的"samp_rate"变量块值更改为有趣的。我设置为32 MSps。现在，打开“UHD：USRP Source”的属性。正如我们在上一节中使用我们的无线电参数的变量块一样，我们在这里也一样。使用上面"range block"的'ID'来设置'UHD Source'参数：

* Samp Rate(Sps): samp_rate
* Ch0: Center Freq(Hz): freq
* Ch0: Gain(dB): gain
* Ch0: Antenna: "TX/RX"
* Ch0: Bandwidth (Hz): samp_rate

当你成以上步骤，会得到如下的流程图：
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=587838f3ab64417a0d001b11)

你可以从[这里](https://raw.githubusercontent.com/gnuradio/gr-tutorial/master/examples/tutorial6/gr-tutorial-simple-spec-an.grc)下载这个流图:

## 使用软件无线电频谱分析仪

运行流程图。你会看见实时接收的频谱。改变变量，你会看见实时更新的数据。默认的GNU Radio QT FFT sink有许多有用的特征，例如平局值和峰峰值，现在花些时间熟悉它们。

## 创建一个广播FM接收器

现在，你有一个基本的接收器应用程序运行并可以实时显示接收到的数据，让我们构建一个有用的应用程序！将当前流程图保留在原位。我们将简单地添加更多的功能到流程图，而不是替换已经存在的。

首先，正如你可能已经猜到的，我们将需要添加几个块到流程图。找到并添加以下块：

* 1x Rational Resampler
* 1x WBFM Receiver
* 1x Audio Sink
* 2x Variable

我们的数据流将是USRP Source - > Rational Resampler - > WBFM Receiver - > Audio Sink。按顺序连接上述block。GNU Radio可能会高亮很多红色字段，表示错误。我们现在将通过配置参数去解决这些错误。

首先，让我们设置你添加的两个新的变量块。使用它们创建以下两个变量：

* Variable:
    * ID: audio_interp
    * Value: 4
* Variable:
    * ID: audio_rate
    * Value: 48e3

调整samp_rate变量。将该变量更改为250e3（250 kHz）。

现在去配置另外三个新的block:

* Audio Sink:
    这个块是相当简单的。它需要一串样本，并通过你的扬声器播放。此块安装在gr-audio库，它是核心GNU Radio分发版的一部分。有几种常见/默认速率的声卡使用 - 最常见的是48 kHz，也是我们使用的（因此你的'audio_rate'变量配置为48e3）。
    打开Audio Sink的参数，做如下改变：

* Sample Rate: audio_rate
    * OK to Block: "No"
    
    现在，我们只需要把你的硬件的样本变成可以通过扬声器播放的东西！接下来，让我们去另外两个块配置参数。
    
* Rational Resampler：
    USRP Source以“samp_rate”的速率流式传输，我们刚刚设置为250e3。音频接收器配置为“音频速率”的采样（消耗）速率，为48e3。但是，我们有一个问题：我们的源采样率不是音频率的整数倍：250000/48000 = 5.208。要解决这个问题，我们将重新采样流。这里重新采样为阻抗匹配。我们必须将输入流的速率转换为输出流的速率。

合理的重采样器块允许你调整数据流的速率。它通过内插或抽取来实现所需的采样率。打开这个块的属性，让我们调整参数。
    
    将“类型”设置为“Complex->Complex”，从而告知块使用复数抽头。现在我们需要调整实际速率。这个块中有一些内建函数，如果我们给它不同的不可分割的采样率，代码将计算GCD，并使它对我们来说都“正常工作”。我们知道传入速率为250 kSps，所以让我们将其输入到“Decimation”。但是，此参数必须是整数，并且我们的“samp_rate”是一个float。因此，我们需要使用Python函数“int（）”来转换它。
        
    现在我们需要设置“Interpolation”。这里有一个'gotcha'，因为WBFM块进一步向下我们的作用链将实际执行一个额外的四抽取，所以我们需要实际告诉这个块输出速率为我们想要速率的四倍。我们知道实际想要的是“audio_rate”，因此使用'audio_interp'变量来设置实际速率。
    
    这里，你需要作出如下改变：
    * Type: Complex -> Complex(Complex Taps)
    * Interpolation: audio_rate * audio_interp
    * Decimation: int(samp_rate)
    
    通过将“Taps”参数留空，我们告诉块，我们希望它自动计算tap。“Fractional BW”参数影响在未提供滤波器抽头时生成的低通滤波器的形状。通过将此设置为零，我们将使用合理的默认值。
    
    注意：根据硬件中时钟参考的精度，可能需要调整上面的插值字段。这是您可能需要处理的许多硬件损耗之一。当我第一次跑这个流程图，我听到很多的噪音。然后我调整插值速率，并清理。我最后的数字是：
    * Interpolation: int(1.05 * (audio_rate * audio_interp))
    * Decimation: int(samp_rate)
    
    现在，让我们配置我们最后的block
    
* WBFM 接收器；
    现在，配置我们的最后一个块非常简单。打开块的参数。只有两个参数要设置：传入样本的速率和抽取速率。嗯，我们知道这两个。我们刚刚配置了合理重采样器的输出速率，我们知道速率除以4等于我们的'audio_rate'。因此：
    * Quadrature Rate: audio_rate * audo_interp
    * Audio Decimation: audio_interp
    
## A Working Software Radio Broadcast FM Receiver

此时，你的流程图中不会出现任何红色错误。最终结果应如下所示：
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58786fabab64413e630006fc)

用hackrf的可以参考这张图：
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58788f5eab64413e63000aef)

可以在[此处](https://raw.githubusercontent.com/gnuradio/gr-tutorial/master/examples/tutorial6/gr-tutorial-broadcast-fm-rx.grc)下载该流程图以供参考

执行你的流程图应该会出现一个GUI，看起来像你在下面看到的。更改频率和调谐到本地广播FM电台应通过计算机扬声器播放解调的无线电。
![title](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58787075ab64413c28000652)

# 结论

恭喜！您已经使用GNU Radio成功构建了实时发射器和接收器软件无线电！虽然这些应用程序相对简单，但它们证明了GNU Radio在与硬件直接连接时提供的灵活性和功能。它还演示了将应用程序从仿真移动到真实世界操作是多么容易。

# Quiz

1. 给定一个无线电源，将1 Msps的数据流传输到工作在32 kHz的音频设备，合理重采样器重新采样输入数据流需要的内插和抽取值是多少？
2. 如果音频设备处于44.1 kHz，怎么办？有没有合理的插值和抽取整数来满足这种重采样？你如何使用[PFB任意重采样器](http://gnuradio.org/doc/doxygen/classgr_1_1filter_1_1kernel_1_1pfb__arb__resampler__ccf.html)？

逆风起笔