初级教程（1）介绍 GNU Radio

2年 ago

g_turing

2 minutes

1.什么是 GNU 无线电？

GNU Radio 是一个免费的开源软件开发工具包，它提供信号处理块来实现软件无线电。它可以与现有的低成本 RF 外设硬件一起使用来创建软件定义的无线电，或者仿真使用不需要硬件。它广泛用于研究、工业、学术界、政府和业余爱好者环境，以支持无线通信研究和现实世界的无线电系统。

下面显示了 GNU Radio Companion 可视化编辑器中的示例流程图：

GNU Radio 是一个框架，使用户能够设计、仿真和部署功能强大的现实无线电系统。它是一个高度模块化、面向“流程图”的框架，带有一个综合的处理模块库，可以很容易地组合起来制作复杂的信号处理应用程序。GNU Radio 已被用于大量现实世界的无线电应用，包括音频处理、移动通信、跟踪卫星、雷达系统、GSM 网络、Digital Radio Mondiale 等等——所有这些都实现在计算机软件中。它本身并不是针对任何特定硬件的解决方案。它也不为特定无线电通信标准（例如 802.11、ZigBee、LTE 等）提供开箱即用的应用程序，

为什么我需要 GNU Radio？

以前，在开发无线电通信设备时，工程师必须开发专门电路用于检测特定信号类型，设计能够解码或编码特定传输的专用集成电路，并使用昂贵的设备进行调试。

软件无线电 (SDR) 采集模拟信号，在物理和经济可行的范围内转移到通用计算设备处理，使用软件算法在计算机上处理无线电信号。

当然，您可以从头编写计算机与无线电设备互联的程序，各个算法需要将数据移入移出。但这很快就会变得麻烦：为什么要重新实现标准滤波器？为什么你必须关心数据如何在不同的处理块之间移动？使用高度优化和同行审核的实现，而不是自己编写东西不是更好吗？你如何让你的程序在多核架构上很好地扩展，同时在功耗只有几瓦的嵌入式设备上也能很好地运行？您真的要自己编写所有 GUI 吗？

使用 GNU Radio：一个专用于为商用计算机编写信号处理应用程序的框架。GNU Radio 将功能包装在易于使用的可重用块中，提供出色的可扩展性，提供广泛的标准算法库，并针对各种通用平台进行了大量优化。它还附带了大量示例，可帮助您入门。

本页的其余部分简要介绍了 DSP，如果您已经熟悉 DSP，请随时跳到下一个教程。

数字信号处理

作为一个软件框架，GNU Radio 使用通用计算机处理数字化信号以生成通信功能。

一点信号理论

在软件中进行信号处理需要信号是数字的。但什么是数字信号？

为了更好地理解，让我们看一个常见的“信号”场景：使用手机录制语音进行传输。

一个人说话会产生声音信号——在这种情况下，该信号由人的声带产生的不同气压波组成。信号是随时间变化的物理量，例如气压。

当波到达麦克风时，它会将变化的压力转换为电信号，即可变电压：

既然信号是电信号，我们就可以使用它了。此时的音频信号是模拟的——计算机还不能处理它；对于计算处理，信号必须是数字的，这意味着两件事：

它只能是有限数量的值之一。

信号会随时间变化，但对于每一瞬间，它只取一个值——而且该值不是来自某个“连续体”（比如[−1.5;+1.5]，但来自一些有限集（如{−1.50,−1.49,……,+1.49,+1.50}).

因此，该数字信号可以用样本的数字序列表示。样本之间的固定时间间隔是信号采样率。

获取物理量（电压）并将其转换为数字样本的过程由模数转换器(ADC) 完成。互补设备是数模转换器(DAC)，它从数字计算机获取数字并将其转换为模拟信号。

现在我们有了一个数字序列，我们的计算机可以用它做任何事情。例如，它可能会应用数字滤波器、对其进行压缩、识别语音或使用数字链路传输信号。

将数字信号处理应用于无线电传输

与声音相同的原理可以应用于无线电波：

可以使用天线将信号（此处为电磁波）转换为变化的电压。

然后，该电信号位于载波频率上，通常为几兆赫甚至千兆赫兹。

不同类型的接收器（例如超外差接收器、直接转换接收器、低中频接收器）可以作为专用软件无线电外围设备，可以通过商业渠道购买。用户可以使用（例如连接到声卡的业余无线电接收器）或者可以购买电视棒（臭名昭著的RTL-SDR项目）。

一种模块化的、基于流程图的数字信号处理方法

要处理数字信号，可以直接将各个处理阶段（滤波、校正、分析、检测…）视为处理块，可以使用简单的流向指示箭头将其连接起来：

在构建信号处理应用程序时，将构建一个完整的块图。这样的图在 GNU Radio 中称为流程图。

GNU Radio 是一个框架，用于开发这些处理块并创建流程图，其中包括无线电处理应用程序。

作为 GNU Radio 用户，您可以将现有的块组合成一个高级流程图，它可以执行与接收数字调制信号一样复杂的事情，GNU Radio 将自动在这些块之间移动信号数据，并在数据准备好处理时进行处理.

GNU Radio 带有大量现有的模块。所有这些的索引都可以在Block Docs中找到。仅向您提供标准安装中可用内容的一小部分，以下是一些最流行的块(Block)类别及其一些成员：

波形发生器
- 恒源
- 噪声源
- 信号源（例如正弦波、方波、锯齿波）
调制器
- 调幅解调器
- 连续相位调制
- PSK调制/解调
- GFSK调制/解调
- GMSK 调制/解调
- QAM 调制/解调
- WBFM 接收
- NBFM接收
仪器（即 GUI）
- 星座Sink
- 频率Sink
- 直方图Sink
- 号码Sink
- 时间栅格Sink
- 时间Sink
- 瀑布Sink
数学运算符
- 绝对值
- 加
- 复共轭
- 除
- 积分
- Log10
- 乘
- RMS
- 减
信道模型
- 信道模型
- 衰减信道模型
- 动态信道模型
- 频率选择性衰减信道模型
滤波器
- 带通/抑制滤波器
- 低通/高通滤波器
- IIR滤波器
- 通用滤波器组
- 希尔伯特
- 抽取 FIR 滤波器
- 根升余弦滤波器
- FFT滤波器
傅立叶分析
- 快速傅里叶变换
- 对数功率 FFT
- Goertzel（重采样器）
- 分数重采样器
- 多相任意重采样器
- 理性重采样器（同步器）
- 时钟恢复MM
- 关联和同步
- 科斯塔斯环路
- FLL 带边
- PLL 频率检测
- PN相关器
- 多相时钟同步

使用这些块(Block)，只需将适当的块(Block)连接到信号处理流程图，即可完成许多标准任务，例如标准化信号、同步、测量和可视化。

此外，您可以编写自己的块(Block)，将现有块(Block)与一些智能结合起来以提供新功能和一些逻辑，或者您可以开发自己的块(Block)来处理输入数据和输出数据。

因此，GNU Radio 主要是一个用于开发信号处理模块及其交互的框架。它带有一个广泛的块标准库，并且有许多可用的系统可供开发人员构建。然而，GNU Radio 本身并不是准备好执行特定操作的软件——尽管它已经附带了许多有用的工作示例，但用户的工作是从中构建有用的东西。将其视为一组构建块(Block)。

2.安装 GNU Radio

快速入门

Ubuntu 22.04	`sudo apt-get install gnuradio`	v3.10.1.1
Ubuntu 20.04	`sudo add-apt-repository ppa:gnuradio/gnuradio-releasessudo apt-get updatesudo apt-get install gnuradio python3-packaging`	v3.10.5.1
Windows	Install the latest Radioconda installer Launch “GNU Radio Companion” from the Start menu	v3.10.5.1
macOS	Install Homebrew `brew install gnuradio`	v3.10.5.1

其他安装方法

特定于平台的指南

跨平台指南

Conda install guide
PyBOMBS – 注意：我们不再将 PyBOMBS 作为安装 GNU Radio 的推荐方法，除非您想使用旧版本（例如 GR 3.7、3.8 和匹配版本的 OOT）

VMs 和 Live Images

多年来，已经创建了许多 Live Images 和 VM。目前没有官方版本，但这里有一些当前选项：

Instant GNU Radio一个可定制的、以编程方式生成的 VM 和 GNU Radio 的实时环境。
UbuntuVM带有 GNU Radio 3.8.2.0、Fosphor、GQRX 和其他几个有用软件的 Ubuntu 20.04 虚拟机映像。（使用 Instant GNU Radio 创建）