開源軟件無線電(GNU Radio)基礎(chǔ)教程 - 全文

學(xué)習(xí)開源軟件無線電(GNU?Radio)需要有一定電腦基礎(chǔ)和深入的通信與信號(hào)處理知識(shí)，本文列舉了一些有用的資源，包括教程、網(wǎng)頁(yè)鏈接和一些在線教程。本教程的目的是幫助GNU?Radio愛好者們?yōu)檫@個(gè)令人興奮的工具做一些準(zhǔn)備。?

目錄

1、對(duì)GNU Radio有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)

2、為GNU Radio編寫程序

3、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)

4、通信系統(tǒng)

5、準(zhǔn)備好了嗎?

相信你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)gnuradio中的樂趣，并且已經(jīng)開始急切的想要使用它了。?不幸的是，除了無窮的樂趣外，這其中也包含許多挑戰(zhàn)。?依據(jù)你使用gnuradio的目的，你需要廣泛的知識(shí)，包括（無線）通信系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、基本的硬件和電路設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮?a target="_blank">編程等等。不管怎樣，你的興趣和激情都能讓那些東西學(xué)起來容易得多。本文列舉了一些有用的文章和資源，它們或許在你投入gnuradio之前是很重要的。這里也有一些gnuradio?社區(qū)推薦的文章，在這里你也能發(fā)現(xiàn)一些有用的信息。?記住，在你開始學(xué)習(xí)gnuradio之前，那些基礎(chǔ)并不是你必須要掌握的，但在接下來的教程中你很可能會(huì)去回顧這些知識(shí)。

1、對(duì)gnuradio有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)

如果你還沒有一個(gè)比較清楚地認(rèn)識(shí)，請(qǐng)讀Eric?Blossom的Exploring?GNU?Radio，這是一個(gè)對(duì)于軟件無線電的一個(gè)簡(jiǎn)短介紹。Eric是整個(gè)gnuradio工程的創(chuàng)建人。請(qǐng)確保你對(duì)ADC怎么工作以及為什么需要射頻前端有一定的理解，回顧一下在信號(hào)與系統(tǒng)課程中學(xué)習(xí)的抽樣定理，然后閱讀一下這兩篇文章： “The?Universal?Software?Radio?Peripheral” 和 “What?Goes?in?the?FPGA”。這篇文章提供了兩個(gè)例子：撥號(hào)輸出和FM接收機(jī)。你應(yīng)該做到至少理解其中的一個(gè)。不能理解FM接收機(jī)？不用擔(dān)心，看第二篇文章，Eric?Blossom的?Listen?to?FM?Radio?in?Software,?Step?by?Step。并非要把每行代碼都讀懂，但你需要清楚信號(hào)是怎么從空氣中傳到聲卡的。

尋找任何與gnuradio相關(guān)問題的答案都應(yīng)該從?GNU?Radio?Wiki開始，?Gnuradio協(xié)會(huì)在提供援助方面也表現(xiàn)的相當(dāng)慷慨，它通過mailing?list提供幫助。

However,?before?posting?a?question?that?is?stumping?you,?do?an?exhaustive?search?of?the?list's?archive?to?make?sure?that?it?has?not?already?been?addressed.?然而，在你發(fā)表困擾你的問題之前，最好先仔細(xì)在郵件列表里搜索一番，確保你的問題沒有被處理過，閱讀一下發(fā)送郵件的參考以確保提供有用的信息，這對(duì)于別人解答你的問題也會(huì)有幫助。Gnuradio是軟件定義無線電的支柱，射頻前端是另外的東西。典型的，Ettus?Research的USRP正是出于此目的。

? ?Ettus?Research?-?USRP的制造商。在這里您可以訂購(gòu)USRP及配件。

? ?USRP?-?Frequently?Asked?Questions?-?概述USRP和常見問題列表。

你不必?fù)碛蠻SRP(或任何射頻前端)使用GNU?Radio，但實(shí)際的實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)前端。

2、為gnuradio編寫程序

要充分利用gnuradio，你應(yīng)該會(huì)自己編寫代碼。在“Exploring?GNU?Radio'”中，你知道里gnuradio的軟件結(jié)構(gòu)包含兩層：所有的信號(hào)處理模塊是用C++編寫的，python用來創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)或流圖并且負(fù)責(zé)把信號(hào)處理模塊粘到一起。在這種方案中，python相當(dāng)于一種較高層的語(yǔ)言。Gnuradio已經(jīng)提供了許多有用的經(jīng)常使用的模塊，所以很多情況下，你不需要用到C++。使用python在應(yīng)用層開發(fā)是高效的，接下來的教程python在gnuradio應(yīng)用中的使用。然而，要完成更復(fù)雜的任務(wù)你必須要使用C++來建立自己的模塊，這種情況下，Eric?Blossom的How?to?write?a?block?正是你所需要的，在后續(xù)的教程中我們會(huì)將這些內(nèi)容。

你可能想要知道gnuradio中實(shí)現(xiàn)了哪些模塊，不幸的是，不幸的是,GNUradio很多地方還沒有很好的文檔記錄，但你仍然使用Doxygen生成有兩個(gè)非常有用的資源。安裝gnuradio-core和usrp模塊之后,您可以找到兩個(gè)html包位于

/usr/local/share/doc/gnuradio-core-x.xcvs/html/index.html

/usr/local/share/doc/usrp-x.xcvs/html/index.html

我已經(jīng)在我的瀏覽器中添加了書簽。雖然他們不夠清晰，他們可以提供你很多信息。GNUradio?Doxygen生成的文檔也可以在線here。如果你還沒有機(jī)會(huì)使用Python，請(qǐng)學(xué)習(xí)Python在線教程。這里有一些最重要的部分：

? ?Section?2：?Using?the?Python?Interpreter

?? Section?3：?An?Informal?Introduction?to?Python

? ?Section?6：?Modules

? ?Section?7：?Input?and?Output

?? Section?9：?Classes

這些概念將在GNUradio編程中經(jīng)常使用。如果面向?qū)ο缶幊?OOP)聽起來陌生，你應(yīng)該仔細(xì)閱讀Section?9更多。?If?object?oriented?programming?(OOP)?sounds?unfamiliar?to?you,?you?should?read?section?9?more?carefully.?下面的鏈接也可以幫助您掌握面向?qū)ο蟮谋举|(zhì)：

? ?Lesson：?Object-Oriented?Programming?Concepts

? ?Introduction?to?Object-Oriented?programming?Using?C++

? ?The?Object?Oriented?Programming?Web

對(duì)于更高級(jí)的開發(fā),C++知識(shí)是必要的。For?more?advanced?development,?C++?knowledge?will?be?necessary.?以下文獻(xiàn)可能對(duì)你有用：

? ?C++?Language?Tutorial

? ?C++?Reference

在這個(gè)階段，Python是更重要，所以一定要掌握它。

3、數(shù)字信號(hào)處理?(DSP)

我們大多數(shù)人學(xué)習(xí)了信號(hào)與系統(tǒng)課程，在這門課中學(xué)到的東西是非常重要的。然而，這是不夠的。請(qǐng)確保你不會(huì)迷路,如果把信號(hào)從模擬形式轉(zhuǎn)換到數(shù)字形式、到時(shí)域或者到頻域。你需要知道一些概念包括抽樣定理、z變換，如何得到一個(gè)信號(hào)的頻譜和有限脈沖響應(yīng)(FIR)和無限脈沖響應(yīng)(IIR)過濾器。在這里我推薦幾本經(jīng)典的書：

? Signals?and?Systems?(2nd?edition)?-? Alan?V.?Oppenheim,?Alan?S.?Willsky

? Discrete - Time?Signal?Processing?(2nd?edition)?-? Alan?V.?Oppenheim,?Ronald?W.?Schafer,?John?R.?Buck

? Digital?Signal?Processing: Principles,?Algorithms?and?Applications(3rd?edition)?-? John?G.?Proakis,?Dimitris?Manolakis

閱讀關(guān)于離散時(shí)間傅里葉變換和FIR，IIR濾波器的章節(jié)。我知道書是昂貴的和乏味的，這里還有一些其他有用的在線資源：

? ?Digital?Signal?Processing?Tutorial

? ?The?Scientist?and?Engineer's?Guide?to?Digital?Signal?Processing

4、通信系統(tǒng)

我們知道真正發(fā)送和接收的信號(hào)不是在基帶，它們需要調(diào)制和解調(diào)。此時(shí)你可能在你的一些課程學(xué)習(xí)了調(diào)幅和調(diào)頻收音機(jī)的概念，這兩個(gè)屬于模擬世界。為開發(fā)更有用和有趣的方案,我們需要數(shù)字通信。在這一點(diǎn)上，特別重要的和有趣的是數(shù)字調(diào)制，解調(diào)和同步。在大三時(shí)，你可能對(duì)通信原理更感興趣。此外，我建議你讀：

?? Chapters?4?and?5?-?Digital?Communications?(4th?edition)?-?John?G.?Proakis

這兩個(gè)章節(jié)中介紹的知識(shí)正是我們需要的。這里是另一本很不錯(cuò)的書：

? ?Digital?Signal?Processing?in?Communication?Systems?-?Marvin?E.?Frerking

這本書有一個(gè)實(shí)際工程重點(diǎn)，包含很多很好的例子。Frerking對(duì)于一個(gè)給定的發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的設(shè)計(jì)問題通常提供了多種解決方案，提出了實(shí)用的算法而不是純粹的理論討論，它甚至可以用作通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的字典。

5、準(zhǔn)備好了嗎？

我上面列出四個(gè)主題，并不意味著在使用GNUradio之前你需要一個(gè)接一個(gè)的完成。你當(dāng)然也可以在本教程學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)它們。但是至少你應(yīng)該閱讀我在GNUradio部分提到的文章。