【GNURadio实验报告】实验2

本文在写作过程中，得到了开源SDR实验室https://blog.csdn.net/OpenSourceSDR?type=blog大佬们的悉心指导，在这里向你们的无私帮助表示感谢！

博主本人非通信专业出身，本文仅为个人学习GNU Radio和HackRF过程中的知识点笔记，难免会存在错误和疏漏，恳请走过路过的大佬不吝赐教斧正。

期待能够为GNU Radio中文社区增添一份贡献！

OOK(On-Off Keying)，开关键控/通断键控。属于ASK幅移键控信号的一种，也即2ASK。这种调制方式常见于无线门铃、车库门遥控器、遥控车等，最为人们所熟知的就是大名鼎鼎的摩斯电码。作为数字调制的一种，OOK的历史比之AM、FM等模拟调制方式还要早。 OOK的抗噪声性能不如其他调制方式，所以该调制方式在卫星通信、数字微波通信中并没有被采用；但又由于该调制方式的实现简单，在光纤通信系统中，振幅键控方式却获得广泛应用。

【OOK传递信息的基本原理】将需要传递信息（例如“hello world”字符串、开门指令）用二进制0、1进行编码，形成二进制调制信号（基带信号），如上图第一行所示的 V m ( t ) V_{m}\left ( t \right ) Vm​(t)；用于搭载信息的高频载波（载波信号），如第二行所示的 A cos ⁡ ( 2 π f c t ) A\cos \left ( 2\pi f_{c}t \right ) Acos(2πfc​t)，在二进制调制信号控制下通断，1=通，0=断，这一过程即OOK调制；经调制后的携带信息的信号被称为已调信号，如第三行所示的 V A M ( t ) V_{AM}\left ( t \right ) VAM​(t)，此时即可发送至空间中进行传播。

OOK信号发生器由高频正弦波信号发生器、数字化形式的消息信息和带通滤波器组成。 如上图所示，开关根据数字化形式的消息信息的bit位进行开和关。当bit位为1时，开关闭合，允许载波被传输；反之，当bit位为0时，开关断路，不允许载波传输。输出后的波形经过带通滤波器进行滤波整型。

OOK信号 s ( t ) s\left ( t \right ) s(t)可视为一个单极性的矩形脉冲信号 m ( t ) m\left(t\right) m(t)与一个载波 cos ⁡ ( ω c t + φ c ) \cos \left ( \omega_{c}t+\varphi _{c} \right ) cos(ωc​t+φc​)相乘，即 s ( t ) = m ( t ) cos ⁡ ( ω c t + φ c ) = [ ∑ k = − ∞ ∞ a k g ( t − k T s ) ] cos ⁡ ( ω c t + φ c ) s\left ( t \right )=m\left ( t \right )\cos \left ( \omega_{c}t+\varphi _{c} \right )\\ =\left [ \sum_{k=-\infty }^{\infty} a_{k}g \left ( t-kT_{s} \right ) \right ]\cos \left (\omega_{c}t+\varphi _{c} \right ) s(t)=m(t)cos(ωc​t+φc​)=[k=−∞∑∞​ak​g(t−kTs​)]cos(ωc​t+φc​) 式中， g ( t ) g\left ( t \right ) g(t)是持续时间为 T s T_{s} Ts​的矩形脉冲， a k a_{k} ak​的取值服从下述关系 a = { 0 , 概率为 p 1 , 概率为 1 − p a=\begin{cases} 0,概率为p\\ 1,概率为1-p \end{cases} a={0,概率为p1,概率为1−p​ 由频率卷积定理可得 s ( t ) s\left ( t \right ) s(t)的频谱为 s ( ω ) = 1 2 [ M ( ω + ω c ) + M ( ω − ω c ) ] s\left (\omega \right )=\frac{1}{2} \left [ M\left ( \omega+\omega_{c} \right ) + M\left ( \omega-\omega_{c} \right ) \right ] s(ω)=21​[M(ω+ωc​)+M(ω−ωc​)] 由上式可知，由于基带矩形脉冲序列的频谱宽度是无限宽的，所以OOK信号的频谱宽度也是无限宽的。因此，为了避免干扰，通常需要在调制信号进入功放前增加一级带通滤波器，保证信号的绝大部分能量通过，同时滤除带外频率分量。OOK调制系统的模型如下图所示。

对照前文的OOK调制系统模型，搭建发射机的仿真程序，即绘制grc流程图。 需要发送的信息可以以两种形式存储读取： 第一种是直接手动输入，使用【Vector Source】模块，修改起来比较方便。 第二种是从文件中读取，使用【File Source】模块，适用于固定的数据信息。

grc流程图如上图所示。包括基带信号源（Vector Source）、载波信号源（Signal Source）、插值（Repeat）、值类型转换（Char To Float）、乘法器（Mutiply）、带通滤波器（Band Pass Filter）、时域示波器（QT GUI Time Sink）和频域示波器（QT GUI Frequency Sink）。 基本逻辑是：首先将需要传输的二进制数据以向量形式（在Python中，是括号+逗号，例如01001→**（0,1,0,0,1）**）填写进Vector Source模块，再与载波（上图为10kHz的余弦波）相乘，完成调制；经带通滤波器滤波后（由于带通滤波器的参数调试起来比较麻烦，我直接将该滤波器短路），分别在【QT GUI Time Sink】、【QT Frequency Sink】示波器上，以时间-幅度、频率-幅度的形式呈现。

先说仿真结果： 如下图所示，在时幅图（QT GUI Time Sink示波器）中可以看到，低电平代表0、高电平代表1，每个码元的持续时长为5ms（=1000ms*插值数Interpolation 100/采样率samp_rate 20kHz）。 在时频图（QT GUI Frequency Sink示波器）则可以看到，信号在5kHz的位置出现了一个峰值，这是因为载波信号fc的频率为5kHz；而在0-10kHz范围内分布着能量，表明实际贷款非常宽。 下面逐一解释每个模块的用法（按照从左至右的顺序）。

矢量源，从1个向量中提取数据并输出。https://wiki.gnuradio.org/index.php/Vector_Source

Output type：输出数据的数据类型。包括complex、int、short、float、byte Vector：数据。以向量Vector形式存储。下图所示输入的数据是01001 Repeat：一组数据结束后是否重复该组数据。如果选择No，就只会输出1轮01001，之后全0。 Tags：数据标签。在时域图的指定位置打上标签，便于事后分析。 Vector Length：矢量长度。默认值为1，代表输出普通的数据流（不需要修改）。 关于Tags参数的用法。如果想要标识出第1个、第2个、第4个码元的位置时，首先新建3个Tag Object模块，分别命名为a、b、c（如图左所示），将offset（偏移量）分别设置为0、1、3；然后将Vector Source的Tags属性改为[a,b,c]（如图中所示）。运行后，时域图上将在相应的位置显示上述预设标签（如图右所示）。

插值模块。将输入进该模块的值重复Interpolation次后输出，可达到拓宽码元宽度的效果。https://wiki.gnuradio.org/index.php/Repeat

Type:输出数据的数据类型。包括complex、int、short、float、byte Interpolation：插值数。即每个码元重复的次数。 Vector Length：矢量长度。默认值为1，代表输出普通的数据流（不需要修改）。 关于Repeat延长码元宽度。假设向量Vector数据为（0,1,2），当Interpolation设为7，如下图所示（在时域图空白处单击鼠标中键，选择stem plot显示点），幅度值为0、1、2的点将扩展为7个，延长了每个码元的时间宽度，即码元宽度。 码元宽度、插值数、采样率的换算关系可如下公式计算 码元时长 = 插值数 I n t e r p o l a t i o n 采样率 S a m p l e R a t e ∗ 1 秒 码元时长=\frac{插值数Interpolation}{采样率Sample Rate} *1秒 码元时长=采样率SampleRate插值数Interpolation​∗1秒 例如，采样率Samp Rate=20kHz，可以理解为计算机每秒输出20k个点。若需要每个码元持续时长为5ms，就设置Interpolation值为 5 × 1 0 − 3 × 2 0 3 = 100 5\times 10^{-3} \times 20^{3}=100 5×10−3×203=100，即每100个点组成1个码元。

Char型转Float型模块。将输入端进来的char类型流数据变为float类型的流数据。 Vector Length：同上文。 Scale：放缩因子。可以用于改变输入输出端的幅度比值。输出=输入/Scale关于Scale参数的作用。如下图所示，若输入端幅度值为1，当Scale分别设为0.1、0.2时，输出端的幅度值分别为1/0.1=10、1/0.2=5

信号源模块。可提供恒定波形（阶跃信号）、正弦信号、余弦信号、方波信号、三波信号、锯齿波信号。https://wiki.gnuradio.org/index.php/Signal_Source

Output type：输出端的数据类型。包括complex、int、short、float Sample Rate：采样率。（注：下图中之所以写samp_rate，是因为我在grc流程图中定义了一个Variable参数模块，命名为samp_rate，可以理解为python语言传参赋值） Waveform：选择信号源所用波形。包括恒定波形（阶跃信号）、正弦信号、余弦信号、方波信号、三波信号、锯齿波信号。 Frequency：频率。（下图中写的fc，原因同上） Amplitude：幅度。信号最大幅度值的绝对值。 Offset：上下偏移量。 以余弦波为例，当幅度为1，偏移为0，则最大值为1，最小值为-1。 Initial Phase：相移。 关于输出信号类型

关于输入端的cmd接口 注意到该模块左边还有1个灰色的cmd端口（GNU Radio 3.8版本以前另有1个freq端口，现已整合进cmd中），可用于在运行时通过传入pmt消息改变信号特征。可传入消息包括： pmt.intern(“freq”)——频率 pmt.intern(“ampl”)——幅度 pmt.intern(“phase”)——相位 pmt.intern(“offset”)——偏移量

乘法器模块。将两个Input端口输入的数据流内积后输出。https://wiki.gnuradio.org/index.php/Multiply

IO Type：输入输出端的数据类型。包括complex、int、short、float。 Num Inputs：输入端口的数量。 Vector Length：Vector数据长度。同上文，设为1即可。

可以当做示波器来使用，分别显示时间-幅度波形图、频率-幅度波形图。 可设置的参数很多，大部分用于调节示波器的显示，默认即可。需重点关注两个参数： 【QT GUI Time Sink】Sample Rate和【QT GUI Frequency Sink】Bandwidth：应当与流程图的采样率保持前后一致。 【QT GUI Frequency Sink】Center Frequency：中心频率。如下图所示，若输入信号的频率为5kHz，本应当在示波器中的5kHz位置出现单个波峰，但如果示波器的Center Frequency设置为5kHz，则示波器将显示信号频率为5+5=10kHz。

尝试将需要发送的数据存入txt文档中，由File Source模块读取出来后发送。 grc流程图基本框架不变，仅仅将Vector Source改为File Source即可。 首先，利用python将待发送数据转换为二进制，存入二进制文档。 设待发送数据为01001

注意，生成的文件，必须是以二进制形式存储数据的文件，当试图使用文档编辑工具打开时将呈现乱码，无法直接编辑。直接在txt文档里输入01001是错误的。

文件源。读取文件作为信源。https://wiki.gnuradio.org/index.php/File_Source

File：读取的文件路径。官网提示：文件大小应至少为8字节。 Output type：输出数据类型。包括complex、int、short、float、byte。（在本流程里，需要选择byte类型，这是因为我们上一步使用python记录的数据为01001，每一个0、1都是以byte形式存储的，只有1字节） Repeat：是否重复。效果同Vector Source（如前文所述） Vector length：矢量长度。默认值为1，代表输出普通的数据流（不需要修改）。 Offset：偏移量。从第N+1字节开始读取文档。 Length：读取字节数。从偏移点开始读取多少个字节。当设为0时，会一直读到文件结尾。 关于Output Type参数。假设发送数据为00110001，当我将File Source改为short，程序会每2个字节读取一次，即00=0，11=1，00=0，01=10=1，最终输出0101。如下图所示，由于采样率和插值数Interpolation都没变，码元宽度也就仍然是5ms，可以看到图中码元宽度刚好符合这一设定，并且幅度变化为低-高-低-高循环，即持续发送0101。 关于Offset参数。如果将Offset由0改为1，意味着跳过第0字节，从第1字节开始读取，则原始数据00110001变成了0110001，按照short类型每两个字节读取的规则来看，就变成了110（最后1个字节可能被舍弃了），下图可以验证这一猜想。

前文所述均为仿真模拟，现在准备使用HackRF无线电设备实际发送信号。流程图如下：注：实验过程中请遵守当地无线电法规。博主是将发射机和接收机用双绞线+负载直接对接进行的实验，没有实际发射电磁波。 与信号仿真的grc流程图相比，这里并没有使用乘法器，而是直接使用osmocom Sink进行了上变频。实际发射效果如下图所示，这里使用了RTL-SDR设备+sdrsharp软件完成信号采样，采样率设为2.048MSPS，带宽32kHz，设自动增益控制，解调方式选择了CW，录制内容为音频数据；录制的wav文件使用Adobe Audition进行分析。由图可知，RTL-SDR成功在409.750MHz接收到来自HackRF发送的01001。 下面具体介绍osmocom Sink模块的使用方法。

硬件模块。用于发射或接收信号。该模块最开始是为osmoSDR硬件开发的，目前它支持如HackRF、Ettus USRP等硬件。

Input Type：输入数据类型。只有Complex Float32一种。（这就是为什么上图所示的grc流程图里，其他模块的输入输出端口被统一修改为蓝色的comlex类型，否则就另需要部署若干XXX To Complex模块进行数据类型转换） Device Arguiments：设备参数。根据需要填写设备的硬件地址或其他身份标识等。例如，当流图里有两个模块（Sink+Source）分别用于发射和接收设备时，这个参数就需要填写进去；只有一个设备时默认即可。 Sync：同步。包含Unknown PPS、PC Block、Don’t Sync。建议购买并连接外部时钟，否则会存在频偏。注：在该模块之前不建议加装Trottle模块，这样出现流程图里就将会存在2个时钟，网络上有一些流程图是不对的。 Number MBoard、MB0等：可能用于设置时钟设备参数。博主暂时还没实验过，默认即可。 Number Channels：信道数量。例如一个设备可能有两个发射机，就可以写2。 Sample Rate：采样率。应当与grc流程图内其他模块保持一致。注：根据博主经验，使用HackRF时，设置的采样率应当大于等于200kHz、小于等于18MHz，否则会造成失真，具体原因将在下一篇实验报告中详细阐述。 Frequency：频率。等效于上变频操作，原始信号将以该频率为中心频率发射。 Frequency Correction：频率修正。已知设备存在频偏时，可使用这一参数进行修正。 RF Gain：射频增益。在Software Defined Radio with HackRF Lesson系列课程中，该参数被Michael Ossmann用来控制接收机的信号强度。 IF Gain：中频增益。同上，被用来控制发射信号强度，据称HackRF最高可达到47dB。 BB Gain：基带增益。 BandWidth：带宽。设0即可，博主尚未实验该参数有什么作用。 关于上变频问题。如图所示，实际发射信号的grc流程图（下）和实验模拟信号的grc流程图（上），核心区别在于没有再额外乘以一个余弦波。这是因为osmocom模块的作用本身就在于上变频。当发射信号载波频率已经提高到了409.750MHz，就无需另行使用乘法器。

如果尝试增加乘法操作，你会发现实际接收信号相对于409.750MHz出现了频偏，频偏大小等于Signal Source的Frequency频率值，例如Vector Source乘以Signal Source输出的5kHz余弦波时，实际信号的频率值将为490.755MHz。注意：关于这一说法，博主尚未进行实验复现，有待后续论证。

未完待续，等我需要的时候在做咯！嘿嘿ヾ(ｏ･ω･)ﾉ