软件定义无线电教程（一）：SDR基础概念与GNU Radio

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为了早日实现用身体发送无线电波，拿来学一学

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◆◆一些基础概念◆◆

数字采样

真实世界的信息大多是连续变化的，比如声音、光线、温度等，这些连续信号被称为模拟信号。然而，计算机只能处理离散的数字信息，也就是数字信号。为了将模拟信号转换为数字信号，我们需要进行数字采样

采样过程本质上就是测量：在固定的时间间隔内，对模拟信号的幅度进行测量，并记录其数值。只要采样的频率足够高，并且测量足够精确，那么这些离散的数字样本就能完整还原原始信号的信息

打个比方，数字采样就像是用相机拍摄一个连续运动的场景：虽然每一帧是静态的，但只要帧率足够高，播放时就能呈现出流畅的动态画面。同理，数字采样通过足够快、足够准的“抓拍”，将连续的现实世界转化为离散的数字序列，从而让计算机能够存储、处理和重现这些信息

模数转换（ADC）

为了进行数字采样，需要以固定间隔对信号进行采样，并将采集到的样本转换为计算机可以处理的数字序列，完成这一过程的硬件称为模数转换器，比如一个正弦信号输入到 ADC 中，会进行一系列采样。尽管采集的样本数量有限，但仍能大致看出这是一个正弦波

数模转换（DAC）则是将数字信号转换回模拟信号，比如把电脑上存放的音乐通过喇叭播放出来，变成现实世界的声音

采样率

采样率是每秒对信号采样的次数，每个单独样本之间的时间称为采样周期，采样率越高计算机对于信号的表示就越准确，另一方面，采样率越高，每秒采集的样本数也会越多，因此产生的数据量就越大，你需要有足够的存储空间和数据处理能力来处理这些数据

上图我们看过了正弦波采样率比较高的情况，即使通过散落的点我们也可以看出来是一个正弦波，但是如果像下图采样率太低，遗失了太多的信息，就基本看不出来原始波形了

◆◆软件定义无线电的宏观视角◆◆

软件定义无线电简单解释就是：通过天线接收无线电信号，经由模数转换器（ADC）将其转换成计算机可以处理的数据流，计算机对这些信号进行处理后，再通过数模转换器（DAC）将数据转换为模拟信号，最后通过天线发射出去

◆◆GNU Radio 基本使用◆◆

安装比较简单可以直接参考官方 wiki：

https://wiki.gnuradio.org/index.php/InstallingGR#Other_Installation_Methods

安装完成后会有一个快捷方式，点击打开即可

界面如下，右边是各种组件，所有组件都可以通过 ctrl+f 打开搜索框直接搜名字，鼠标左键按住组件可以拖拽到左侧的流程图进行连线与配置

操作起来很简单，只需要拖拽各种模块并连线，但是理解每个模块的功能及应该如何连接，就难上天了 Orz...

接下来一点点学吧，在 GNU Radio 中有很多种模块，其中最重要的两类是：Source 和 Sink

Source 是流程图中的数据输入源，可以来自文件（File Source）、信号源（Signal Source）、支持 osmocom 的 SDR 硬件设备（osmocom Source）等等

Sink 是流程图中的数据输出端，可将数据写入文件（File Sink）、通过扬声器输出（Audio Sink）、在图中绘制波形（QT GUI Sink）等

第一个流程图

首先来创建一个恒定数值的波形，直接拖拽一个 Constant Source，然后添加一个 Throttle 模块，最后放一个 QT GUI Time Sink，把它们连接起来，点击运行按钮可以看到一个始终为 0 的波形

将 Constant Source 改为 3 再次运行，看起来没什么变化，其实是因为纵坐标 y 轴当前最大刻度是 1，通过滚动鼠标滚轮放大 y 轴刻度，就能看到一个恒为 3 的波形了

哎，但是为什么我们创建了一个恒定为 3 的数值，但是图中却有两个波形呢，这是因为当前的变量类型是复数，两条波形分别代表实部（Signal1）和虚部（Signal2）

现在用三个模块完成了一个简单的 GNU Radio 流程图，左右两个都比较容易理解，Constant Source 就是产生一个固定值、QT GUI Time Sink 就是画个带时间轴的波形图，但是中间的 Throttle 是个什么东西嘞

可以暂时将其理解为一个“限速器”，它按照设定的采样率限制数据输出，从而使后续波形能够稳定、直观地显示（当然我们现在的流程图还太简单，这个模块可有可无）

通过这个简单的示例，我们实现了 Source 到 Sink 的流程，在这中间还要进行各种数学运算以实现调制、解调、滤波等操作

接下来尝试一个最简单的乘法运算，搜索 Multiply Const 拖拽到流程图中，放在 Throttle 后面，设置参数 Constant 为 2，执行流程图可以看到此时波形是固定值 6，我们通过一个乘法模块将原来的 3 乘了 2，这是 GNU Radio 的一个简单的操作，但是却是我们第一次在 Source 和 Sink 之间执行了数学运算，接下来会在 Source 和 Sink 之间塞各种有趣的模块来实现信号调制解调

下一篇文章中我们会对一个原始无线电广播信号进行解调，通过声卡将其播放出来