現(xiàn)代通信與安全綜合實(shí)驗(yàn)練習(xí)一 GNU Radio流程圖編程

實(shí)驗(yàn)一GNURadio流程圖編程

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

學(xué)習(xí)GNURadio流程圖編程。了解GRC,找到自己需要的模塊，修改模塊

的參數(shù)，設(shè)計(jì)第一個(gè)信號(hào)流程圖，進(jìn)行GenerateOptions設(shè)置，查看輸出。

實(shí)驗(yàn)原理：

GRC是基于模塊的仿真實(shí)驗(yàn)工具。類似于MATLAB中的SIMULINK工具。

基本使用方法就是先將需要用的模塊放到窗口。再設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，然后

連接各個(gè)模塊，繪制信號(hào)流程圖，之后生成流程圖，仿真運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)步驟：

登陸：/

1.開始了解GRC

GNURadio是一個(gè)各種信號(hào)處理模塊的“容器”。在這里，我們將從一個(gè)簡(jiǎn)

單的例子講起，展示如何使用GNURadioCompanion(GRC)。我們需要清楚的是,

GRC是允許我們創(chuàng)建Python文件圖形的，不過(guò)流程圖的方式更加簡(jiǎn)化了GNU

Radio的使用。

首先我們來(lái)看一下GNURadioCompanion的界面。它包括4個(gè)區(qū)域：模塊

庫(kù)、工具欄、函數(shù)輸出窗口和工作區(qū)域。

打開GRC的方式，

1＞在VNC終端輸入命令：gnuradio-companion

2>VNC桌面下：Applications-〉開發(fā)->GUNRadioCompanion

2.找到自己需要的模塊

在右邊的模塊庫(kù)里面有各種不同類型的信號(hào)處理模塊，包括了GNURadio

的標(biāo)準(zhǔn)模塊和我們初始化的模塊。假設(shè)需要一個(gè)產(chǎn)生信號(hào)的模塊，可以看到有

一個(gè)叫做WaveformGenerator的類型，打開就可以看到各種產(chǎn)生信號(hào)的模塊了。

假設(shè)需要一個(gè)展示波形圖，但是又不確定哪種模塊是效果最好的，需要使用搜

索的功能了，按Ctrl+F,或者點(diǎn)擊搜索按鈕，然后輸入模塊的關(guān)鍵字sink,可

以看到很多關(guān)于sink的模塊：

|Qsink|X

r~~[Tvwrifj

BusSink

BusSinkStructure

▼[PacketOperators]

FramerSink1

PacketSink

▼[OFDM]

OFDMFrameSink

▼[Sinks]

osmocomSink

r[Instrumentation]

卜[QT]]

QTGUIConstellationSink

QTGUIFrequencySink

QTGUIHistogramSink

QTGUINumberSink

QTGUISink

QTGUITimeRasterSink

QTGUITimeSink

現(xiàn)在添加一個(gè)叫QTGUITimeSink的模塊?？梢酝ㄟ^(guò)雙擊或拖動(dòng)的方式。

3.修改模塊的參數(shù)

工作區(qū)域里面包含各種信號(hào)處理模塊和變量。雙擊打開模塊，設(shè)置它的參

數(shù)屬性。如下圖:

Properties:Options

IGeneralDocumentation|_____

|top_bloc|

-an

Author

IWindowSize1280r1024

IGenerateOptionsWXGUIKey:window_size

Type:int_vector

RunAutostartValue:(1280,1024)

MaxNumberofOutput0

RealtimeSchedulingOff:

在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中，可能需要修改這些默認(rèn)的參數(shù)。把原來(lái)的名字去掉,

可以看到ID字樣變成藍(lán)色。這種顏色表明信息已經(jīng)被修改，但是還沒(méi)有保存。

再嘗試一下修改windowssize為300,300,單擊OK。然后可以看到尺寸的改變。

然后，看至Udocumentation：

Properties:Options

GeneralDocumentation

Theoptionsblocksetsspecialparametersfortheflowgraph.Onlyone

optionblockisallowedperflowgraph.

Title,author,anddescriptionparametersareforidentificationpurposes.

Thewindowsizecontrolsthedimensionsoftheflowgrapheditor.The

windowsize(width,height)mustbebetween(300,300)and(4096,4096).

Thegenerateoptionscontrolsthetypeofcodegenerated.Non-graphical

flowgraphsshouldavoidusinggraphicalsinksorgraphicalvariable

controls.

Inagraphicalapplication,runcanbecontrolledbyavariabletostartand

stoptheflowgraphatruntime.

Theidofthisblockdeterminesthenameofthegeneratedfileandthe

nameoftheclass.Forexample,anidofmy_blockwillgeneratethefile

my_block.pyandclassmy_block(gr....

Thecategoryparameterdeterminestheplacementoftheblockinthe

blockselectionwindow.Thecategoryonlyapplieswhencreatinghier

blocks.Toputhierblocksintotherootcategory,enter/forthecategory.

TheMaxNumberofOutputisthemaximumnumberofoutputitems

allowedforanyblockintheflowgraph;todisablethissetthemaxnouts

CancelOK

看用顏色標(biāo)記的字段，知道ID用來(lái)確定python文件名字和相關(guān)類的名字。

然后，刪除掉ID里面的字符串，看到最底下出現(xiàn)了紅色的報(bào)錯(cuò)信息，同時(shí),

ID也變成了紅色，這樣我們能夠很方便的確定錯(cuò)誤的所在。

為了方便，例如取ID的名字為"tutorial_two_l”,同時(shí)將GenerateOptions改

成"QTGUI”，因?yàn)椴捎玫氖荙TGUIsink,而不是WXGUIsink。在最新版的

GNURadio3.8版本，默認(rèn)的是QTGUI。GRC是一個(gè)圖形化的界面，它是基于

python環(huán)境的，所以當(dāng)我們執(zhí)行一個(gè)流程圖時(shí)，實(shí)際上我們真的運(yùn)行的是一個(gè)

python程序。ID是用來(lái)命名python文件名，與GRC文件保存在同樣的路徑下。

默認(rèn)情況下，ID是top_block,所以它創(chuàng)建一個(gè)為top_block.py的文件。更改ID使

我們可以更改保存的python文件名，以更好進(jìn)行文件管理。

注意的另一個(gè)關(guān)鍵是接口不同的顏色。這些實(shí)際上對(duì)應(yīng)于不同的數(shù)據(jù)類型,

我們將在本講義后面稍后解釋。

4.第一個(gè)信號(hào)流程圖

現(xiàn)在我們了解如何找到塊，如何將它們添加到工作區(qū)，以及如何編輯塊屬

性，我們嘗試建立一個(gè)將信號(hào)輸出到示波器的流程圖，注意模塊之間的數(shù)據(jù)類

型的匹配：

Options

ID:tutorial_two_l

GenerateOptions:QTGUI

SignalSource

VariableQTGUITimeSink

SampleRate:32k

ID:samprateName:QTGUIPlot

Waveform:CosineThrottle

Value:32kNumberofPoints:1.024k

Frequency:IkSampleRate:32k

SampleRate:32k

Amplitude:1

Autoscale:No

Offset:0

注意到有一個(gè)叫throttleblock的模塊：在本教程后面有更詳細(xì)的解釋這是什

么?，F(xiàn)在，可以了解的是這個(gè)模塊確保流程圖不消耗100%的CPU周期，不然

你的電腦可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)。

在此之前，我們先來(lái)看一下工具欄。

這里主要是一些流程圖軟件執(zhí)行的一些命令，如新建，打開，保存等。讓

我們開始我們的流程圖，我們給它取名叫做tutoriaLtwo。這里有幾個(gè)重要的工

具，Generateflowgraph,excuteflowgraph,分別是產(chǎn)生GRC,和運(yùn)行GRCo在

菜單help里面的type,我們可以看到每種數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的顏色。

5.GenerateOptions設(shè)置

GenerateOptions有兩種常用的設(shè)置QTGUI和WXGUL最常見的錯(cuò)誤就

是設(shè)置的GenerateOptions與實(shí)際我們用的不匹配。具體來(lái)講，就是我們

GenerateOptions設(shè)置的是QTGUL但是我們構(gòu)造的流程圖卻是WXGUI我們

會(huì)的到如下的報(bào)錯(cuò)信息：

Executing:7home/muniza/Documents/grc_files/gnuradio_tutorials/tutorial2/grc_f:iles/tutoriaHwo_1.pyM

Traceback(mostrecentcalllast):

File7home/muniza/Documents/grc_files/gnuradio_tutorials/tutorial2/grc_files/tutorial_two_1.py",line106,in<module>

tb=tutorial_two_1()

File"/home/muniza/Documents/grc_files/gnuradio」uto「ials/tutorial2/g「c_files/tutoriaLtwo_1.py",line55rin_init_

selF.GetWin(),

File7usr/local/lib/python2.7/dist-packages/gnuradio/gr/top_block.py"rline101,in_getattr_

「eturnqetatWseif.tb,name)

AHributeEiro「：topblocksptr'objecthasnoattribute'GetWin'[

?>Done

反過(guò)來(lái)的話，也會(huì)得到類似的報(bào)錯(cuò)信息。所以，我們必須首先確定自己選

用的是QTGUI還是WXGUL

6.查看輸出

讓我們點(diǎn)—按鈕啟動(dòng)程X

Tlate(??)

I這是一個(gè)復(fù)數(shù)類型的波形。我們簡(jiǎn)單化一些，選用別的數(shù)據(jù)類型。關(guān)掉程

序，我們打開菜單Help->Type,可以看到如下的數(shù)據(jù)類型的代表顏色：

Types

ColorMapping

&

TntPger8

AsyncMessage

BusConnection

Wildcard

Close

,我們看到我們的流程圖的

們基本上可以找到所有的數(shù)據(jù)類型

在這里，我現(xiàn)在我們可以解釋剛才

位浮點(diǎn)型組成復(fù)數(shù)形式'

接口是藍(lán)色的，很明顯這是32

輸出有兩個(gè)波形的情況了，TimeSink輸入一個(gè)復(fù)數(shù)，然后輸出它的實(shí)部和虛部。

現(xiàn)在，我們嘗試修改以下信號(hào)源的數(shù)據(jù)類型，將其改為浮點(diǎn)型，然后我們看到

它的接口編程橘黃色的，當(dāng)我們把它和ThrottleBlock連接時(shí)，看到有紅色的報(bào)

錯(cuò)，我們點(diǎn)擊工具欄的紅色的橫桿,可以看到具體的報(bào)錯(cuò)信息：

Ig*其L?J

.FlowGraphErrors

Options

ID:tutorial_two_l

GenerateOptions:QTGUIError0:

Connection(

Block-analog_sig_source__x_0-SignalSource

VariableSignalSource

(analog_sig_source_x)

ID:samprateSampleRate:32k

Waveform:CosirC"

Value:32kSource-out(O)

Frequency:IkIBlock-blocks_throttle_0-Throttle(blocks_throttle)

Amplitude:1

Offset:0

SourceIOsizeM4"doesnotmatchsinkIOsize"8".

Close

報(bào)錯(cuò)信息顯示，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不匹配。這是由于我們的數(shù)據(jù)類型不匹配的原因。

GNURadio不允許不同的數(shù)據(jù)類型之間直接連接。我們把所有的模塊都改成浮

點(diǎn)型的，然后再次運(yùn)行，可以看到如下的波形：

3

P

z

t

現(xiàn)在我們可以看到，只有一個(gè)波形輸出了，我們可以嘗試用鼠標(biāo)放大或者

縮小。

7.使用GNURadioCompanion

現(xiàn)在我們已經(jīng)能夠創(chuàng)建自己的流圖了，我們進(jìn)一步的來(lái)學(xué)習(xí)一些GNU

RadioCompanion有關(guān)知識(shí)。

7.1ThrottleBlock

首先，我們來(lái)討論下ThrottleBlock,之前在我們的流圖有用到過(guò)。下圖是

添加Throttle模塊和不添加Throttle模塊的CPU的使用率對(duì)比：

CPUHistory

我們可以看到，當(dāng)流圖沒(méi)有連接硬件也沒(méi)有連接Throttle的時(shí)候，CPU基

本是滿負(fù)載運(yùn)行的。在一個(gè)流圖中我們只需要一個(gè)Throttle就可以了，不管它是

有幾個(gè)輸入輸出。我們可以認(rèn)為Throttle起到限速的作用，設(shè)置高的速率，流圖

執(zhí)行快，設(shè)置低的速率流圖執(zhí)行慢。

當(dāng)有硬件連接的時(shí)候，則不需要Throttle模塊，因?yàn)橛布旧硪呀?jīng)對(duì)速率有

了限制。

7.2關(guān)于采樣率

我們已經(jīng)知道設(shè)備需要設(shè)定特定的采樣率來(lái)實(shí)現(xiàn)某些特定的功能，現(xiàn)在我

們來(lái)自己創(chuàng)建一個(gè)GRC,來(lái)看看不同的采樣率之間有什么區(qū)別：

OptionsSignalSource

ID:tutorial_two_6SampleRate:48k

GenerateOptions:QTGUIWaveform:Sine

Frequency:440>4^AudioSink

QTGUIChooserAmplitude:100mSampleRate:48k

ID:samprateOffset:0

Label:SignalSamplingRate

NumOptions:3QTGUITimeSink

DefaultValue:48kName:QTGUIPlot

Option0:48kSignalSourceNumberofPoints:1.024k

Label0:48000SampleRate:48k?HjnlSampleRate:48k

Option1:24kWaveform:SineAutoscale:No

Label1:24000Frequency:350

Option2:16kAmplitude:100mQTGUIFrequencySink

Label2:16000Offset:0Name:OTGUIPlot

FFTSize:1.024k

CenterFrequency(Hz):0

Bandwidth(Hz):48k

根據(jù)上圖配置好參數(shù)：

?QTGUIChooser模塊設(shè)置3個(gè)采樣速率48000/24000/72000,ID改為

samp_rate

,所有的source模塊的SamplingRate改為samp_rate

?Variable模塊設(shè)置音頻模塊采樣率為48000,ID改為audio_rate

,所有的sink模塊的SamplingRate改為audio_rate

?信號(hào)源是兩個(gè)頻率分別為440Hz和350Hz的正弦信號(hào)，幅度為0.1

?所有sink模塊的Numberofinputs設(shè)置為2

在這里，我們可以看到?jīng)]有Throttle模塊，這是因?yàn)檫@里有音頻硬件Audio

sink。點(diǎn)擊運(yùn)行，設(shè)置samplerate為48e3,就會(huì)聽到熟悉的電話的撥號(hào)音（在

線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不支持聲卡），再看一下fft,確實(shí)有兩個(gè)分別為440Hz和350Hz的

頻段。

TutorialTwo6

SignalSamplingRate:48000

m

p

r

O

M

O

d

Frequency(kHz)

嘗試下，當(dāng)改變samplingrate比audiosampling低的時(shí)候，看能否還能聽到

原撥號(hào)音。再嘗試下，當(dāng)改變samplingrate比audiosampling高的時(shí)候，看能否

還能聽到原撥號(hào)音。一般情況下，都應(yīng)該聽到變調(diào)的撥號(hào)音，這是因?yàn)槁暱ǖ?/p>

速率和我們采樣的速率不匹配。所以，任何時(shí)候，都應(yīng)該設(shè)置正確的采樣率。

因?yàn)槲覀兊脑诰€實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用遠(yuǎn)程桌面，沒(méi)有聲卡支持，感興趣的同學(xué)可以在

本機(jī)安裝Gnuradio軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

8.瀑布圖

現(xiàn)在來(lái)看由QTGUIWaterfallSink模塊組成的正弦信號(hào)瀑布圖，并了解瀑

布圖的含義。

CRC應(yīng)A0苗0(60%)4?18:020

杳

O-"waterfall.grc-,-GNURadioCompanion

■-0?.XZWt與A■QC

tcstlXCosineXsampleXwaterfallXQaddX

▼Core

霄OpUoni

▼MathOperators

10:watEMSignalSourxa

G?n?ral?Opttom:OTGUISampleRate:4B>AddConst

Wavetonn:Sne

Frequency:5kAdd

AmpMvde:1▼Coding

Offwt;。

白AdditiveScramble*

SignalSource

SampteMt?:g

Waveform:Sara

尸F(xiàn)requency:Ik

AmpKude:I

r(

jenerating:'/home/w/usrp_exampleAesti/'*atwfalLpy,

IdValue

??Warning:Thijhowgraphmaynothaveflowcontrol:noAudioorRFhardwareblocks

bund.AddaMI$c->ThcottleblocktoyourflowgraphtoavoidCPUcongestion.Imports

▼Variables

Executing:/usr/bin/python2-u/home/w/u$rp_exampleAest1/waterFalLpy

5amp_rate48000

Done

請(qǐng)參考上圖設(shè)置好參數(shù)，點(diǎn)擊運(yùn)行，可以看到:

Waterfall威A0*BO(60%)6)1&02

c'Waterfall

■

B

5

?

n

r

F

■

■

>?DoneIdValue

importsO

▼Variables。

samp.rate48000X

將任一信源的波形改成三角波后，可以看到:

Waterfall次A個(gè)*6(60%)<?18030

Waterfall

■