現(xiàn)代通信與安全綜合實驗練習一 GNU Radio流程圖編程

實驗一GNURadio流程圖編程

實驗?zāi)康模?/p>

學(xué)習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)計第一個信號流程圖，進行GenerateOptions設(shè)置，查看輸出。

實驗原理：

GRC是基于模塊的仿真實驗工具。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)置各個模塊的參數(shù)，然后

連接各個模塊，繪制信號流程圖，之后生成流程圖，仿真運行。

實驗步驟：

登陸：/

1.開始了解GRC

GNURadio是一個各種信號處理模塊的“容器”。在這里，我們將從一個簡

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，不過流程圖的方式更加簡化了GNU

Radio的使用。

首先我們來看一下GNURadioCompanion的界面。它包括4個區(qū)域：模塊

庫、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

在右邊的模塊庫里面有各種不同類型的信號處理模塊，包括了GNURadio

的標準模塊和我們初始化的模塊。假設(shè)需要一個產(chǎn)生信號的模塊，可以看到有

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

假設(shè)需要一個展示波形圖，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)在添加一個叫QTGUITimeSink的模塊。可以通過雙擊或拖動的方式。

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的參數(shù)。把原來的名字去掉,

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

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

看用顏色標記的字段，知道ID用來確定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)了紅色的報錯信息，同時,

ID也變成了紅色，這樣我們能夠很方便的確定錯誤的所在。

為了方便，例如取ID的名字為"tutorial_two_l”,同時將GenerateOptions改

成"QTGUI”，因為采用的是QTGUIsink,而不是WXGUIsink。在最新版的

GNURadio3.8版本，默認的是QTGUI。GRC是一個圖形化的界面，它是基于

python環(huán)境的，所以當我們執(zhí)行一個流程圖時，實際上我們真的運行的是一個

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

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

我們可以更改保存的python文件名，以更好進行文件管理。

注意的另一個關(guān)鍵是接口不同的顏色。這些實際上對應(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.第一個信號流程圖

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，我們嘗試建立一個將信號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

注意到有一個叫throttleblock的模塊：在本教程后面有更詳細的解釋這是什

么。現(xiàn)在，可以了解的是這個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)不過來。

在此之前，我們先來看一下工具欄。

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。這里有幾個重要的工

具，Generateflowgraph,excuteflowgraph,分別是產(chǎn)生GRC,和運行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最常見的錯誤就

是設(shè)置的GenerateOptions與實際我們用的不匹配。具體來講，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

會的到如下的報錯信息：

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

反過來的話，也會得到類似的報錯信息。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—按鈕啟動程X

Tlate(??)

I這是一個復(fù)數(shù)類型的波形。我們簡單化一些，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

位浮點型組成復(fù)數(shù)形式'

接口是藍色的，很明顯這是32

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

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

它的接口編程橘黃色的，當我們把它和ThrottleBlock連接時，看到有紅色的報

錯，我們點擊工具欄的紅色的橫桿,可以看到具體的報錯信息：

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

報錯信息顯示，數(shù)據(jù)長度不匹配。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

點型的，然后再次運行，可以看到如下的波形：

3

P

z

t

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

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，我們進一步的來學(xué)習一些GNU

RadioCompanion有關(guān)知識。

7.1ThrottleBlock

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

添加Throttle模塊和不添加Throttle模塊的CPU的使用率對比：

CPUHistory

我們可以看到，當流圖沒有連接硬件也沒有連接Throttle的時候，CPU基

本是滿負載運行的。在一個流圖中我們只需要一個Throttle就可以了，不管它是

有幾個輸入輸出。我們可以認為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。

當有硬件連接的時候，則不需要Throttle模塊，因為硬件本身已經(jīng)對速率有

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)定特定的采樣率來實現(xiàn)某些特定的功能，現(xiàn)在我

們來自己創(chuàng)建一個GRC,來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

?信號源是兩個頻率分別為440Hz和350Hz的正弦信號，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，這是因為這里有音頻硬件Audio

sink。點擊運行，設(shè)置samplerate為48e3,就會聽到熟悉的電話的撥號音（在

線實驗平臺不支持聲卡），再看一下fft,確實有兩個分別為440Hz和350Hz的

頻段。

TutorialTwo6

SignalSamplingRate:48000

m

p

r

O

M

O

d

Frequency(kHz)

嘗試下，當改變samplingrate比audiosampling低的時候，看能否還能聽到

原撥號音。再嘗試下，當改變samplingrate比audiosampling高的時候，看能否

還能聽到原撥號音。一般情況下，都應(yīng)該聽到變調(diào)的撥號音，這是因為聲卡的

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

因為我們的在線實驗平臺采用遠程桌面，沒有聲卡支持，感興趣的同學(xué)可以在

本機安裝Gnuradio軟件進行驗證。

8.瀑布圖

現(xiàn)在來看由QTGUIWaterfallSink模塊組成的正弦信號瀑布圖，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

請參考上圖設(shè)置好參數(shù)，點擊運行，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*6(60%)<?18030

Waterfall

■