软件无线电平台GNU Radio简单使用
一、前言
GNU Radio 是一个免费、开源的软件开发工具包，用于构建软件无线电（Software Radio）。它的核心思想是将传统上由硬件专用集成电路完成的信号处理任务，改由软件来实现，从而让同一套硬件能够通过更换软件来支持多种不同的通信标准。
1、核心架构与工作方式
GNU Radio 应用通常以“流图”（Flowgraph）的形式构建，由多个信号处理块（Block）通过连接（Connection）组合而成。
- 处理块：是基本的功能单元，负责特定的信号处理任务（如滤波、调制、解调）。它们主要用 C++ 编写以保证实时处理的高性能，同时提供 Python 接口用于快速开发和顶层逻辑控制。
- 流图：用户通过连接各个处理块来定义数据流向。连接本质上是由共享内存实现的缓冲区，它高效地在块之间传递数据。
- 运行模式：它既可以连接低成本的外部射频硬件（如 USRP、RTL-SDR、HackRF等）进行真实信号收发，也可以在不连接硬件的情况下，利用录制或生成的数据进行纯软件仿真。
2、主要特点与组成
- 图形化工具：通常包含 GNU Radio Companion (GRC)，这是一个图形化界面，允许用户通过拖拽和连接块来直观地搭建流图，并自动生成对应的 Python 源代码。
- 应用领域：广泛应用于学术研究、工业原型开发、业余无线电以及政府项目中，支持无线通信研究及实际无线电系统的构建。
- 版本动态：目前广泛使用的稳定版本是 3.x 系列。同时，项目正在向 GNU Radio 4 过渡，其候选版本（RC3）已发布，采用了更模块化的仓库结构并改进了运行时调度器
二、安装
在 Ubuntu 或 Debian 系统上，最简便的安装方式是直接通过包管理器安装
sudo apt install gnuradio在Windows/MacOS系统上，可以安装Radioconda，以达到使用
https://github.com/radioconda/radioconda-installer安装好后，执行gnuradio-companion，启动后界面如下
三、功能模块
GNU Radio 自带的功能模块非常丰富，以下只是常见的几种类型：
1、信号源模块（Source Blocks）
- Signal Source：用于生成不同类型的信号，如正弦波、余弦波、方波等。用户可以设置信号的频率、幅度、相位等参数。
- Random Source：生成随机信号，用于模拟噪声或测试通信系统的抗干扰能力。
2、信号处理模块（Signal Processing Blocks）
- 滤波器（Filters）：包括低通、高通、带通、带阻等多种滤波器，用于对信号进行频域处理，去除噪声或提取特定频段的信号。
- 调制器（Modulators）：将基带信号调制到射频载波上，支持多种调制方式，如PSK、QAM、FSK等。
- 解调器（Demodulators）：从射频信号中解调出基带信号，与调制器相对应，支持多种解调方式。
- FFT（快速傅里叶变换）：用于将信号从时域转换到频域，便于进行频谱分析。
- IFFT（逆快速傅里叶变换）：FFT的逆过程，将频域信号转换回时域信号。
3、信道模块（Channel Blocks）
- Channel Model：模拟信号在无线信道中传输的过程，包括多径效应、衰落、噪声等信道特性。
- Fading Model：专门用于模拟信号的衰落过程，包括大尺度衰落和小尺度衰落。
4、同步与定时模块（Synchronization and Timing Blocks）
- 同步器（Synchronizers）：用于实现信号的同步，包括载波同步、符号同步等。
- 定时恢复（Timing Recovery）：从接收信号中提取定时信息，以便正确地进行符号采样。
5、编码与解码模块（Coding and Decoding Blocks）
- 信道编码（Channel Coding）：在发送端对信号进行编码，增加冗余信息以提高系统的抗干扰能力和可靠性。
- 信道解码（Channel Decoding）：在接收端对接收到的信号进行解码，恢复出原始信号。
6、控制器与流控制模块（Controllers and Flow Control Blocks）
- Throttle：用于控制数据流的速度，防止数据流过快导致系统处理不过来。
- Head：限制数据流的长度，只取前N个样本进行处理。
7、可视化与调试模块（Visualization and Debugging Blocks）
- QT GUI Sinks：包括QT GUI Time Sink、QT GUI Frequency Sink等，用于在图形界面上实时显示信号的时域波形、频域特性等。
- Scope Sink：类似于示波器，用于显示信号的实时波形。
8、其他模块
- 数学运算模块：如加法器、乘法器、除法器等，用于执行基本的数学运算。
- 类型转换模块：如Int To Float、Float To Complex等，用于数据类型的转换。
四、初步测试
我们以在Ubuntu系统下的GNU Radio为例，首先选择模块，比如Singal Source，一个信号源
再选择一个QT GUI Time Sink，时域波形可视化模块
其次，选一个QT GUI Frequency Sink，频域可视化模块
最后将信号源和可视化模块连接
点击运行，就能看到可视化的效果了。
五、进阶使用
本次我们使用HackRF（一款开源的软件无线电（SDR）外设）观测一下周围的Wi-Fi信号，设置变量：采样率20M（20e6），中心频率2.437G（2.437e9），再添加Soapy HackRF Source设置信号源hackrf=0，添加可视化模块QT GUI Frequency Sink、QT GUI Waterfall Sink，观察频域特性、瀑布图。
可以清楚的看到在真实世界下，一段时间内各频率信号强度的变化和当前时刻各频率的信号强度。
