软件无线电安全之GNU Radio基础 -上

GNU Radio介绍

GNU Radio是一款开源的软件工具集，专注于软件定义无线电（SDR）系统的设计和实现。该工具集支持多种SDR硬件平台，包括USRP、HackRF One和RTL-SDR等。用户可以通过GNU Radio Companion构建流程图，使用不同的模块实现信号处理、滤波、解调等功能。GNU Radio提供了丰富的信号处理库，支持实时和离线操作，广泛应用于无线通信、雷达、无线电天文学等领域。其强大的社区支持和详细的文档使开发者能够更好地使用这一工具，灵活、可定制地构建和测试各种无线通信系统。

调制与信号处理流程

人类的可听范围为20 - 20000kHz。相对而言，这些频率远低于FM无线电广播频率。因此，音频波只能传播很短的距离。广播电台想要远程传输声音和音乐的音频信号。那么电台就需要将音频信号中的信息传输到更高频率的载波上。这些波可以比人们可听见的波传播得更远、更快。这个过程称之为调制。调制有几种不同的类型，我们经常收听的FM 广播电台，使用的是频率调制。

在软件无线电（SDR）行业中，数字信号是以离散形式表示的信号，即信号的幅度、频率和相位在时间上是离散的。这与模拟信号不同，模拟信号是连续的。数字信号的处理涉及将模拟信号转换为数字形式，通过一系列离散的处理步骤对其进行操作，最后将结果重新转换回模拟信号。

以下是数字信号在软件无线电行业中的处理步骤：

  1. 模数转换（Analog-to-Digital Conversion，ADC）过程：模拟信号首先通过模数转换器（ADC）转换为数字信号。目的：将连续的模拟信号在时间和幅度上进行离散化，以便计算机能够处理。

  2. 数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）过程：数字信号经过一系列数字信号处理算法，如滤波、混频、解调等。目的：在数字域中对信号进行操作和处理，以提取、增强或变换信号的特定特征。

  3. 数模转换（Digital-to-Analog Conversion，DAC）过程：处理后的数字信号通过数模转换器（DAC）转换为模拟信号。目的：将数字信号还原为连续的模拟信号，以便在后续的模拟电路或设备中使用。

  4. 输出阶段过程：模拟信号经过可能的放大器、滤波器等设备后，最终输出到用户的设备，如扬声器或显示器。目的：将数字信号处理的结果转换为可感知或可用的模拟信号。

在软件无线电中，这些步骤通常在计算机上通过专用软件（例如本小节中的GNU Radio）执行。这种数字信号的处理方法使得系统更加灵活，能够适应不同的通信标准和应用需求。

GNU Radio安装

sudo apt-get install libboost-all-dev libusb-1.0-0-dev python-mako doxygen python-docutils cmake build-essential
git clone git://github.com/EttusResearch/uhd.git
cd ~/code/udh/host
sudo mkdir build
sudo cmake ../
sudo make
sudo ldconfig
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib
sudo apt install cmake git g++ libboost-all-dev python-dev python-mako \
python-numpy python-wxgtk3.0 python-sphinx python-cheetah swig libzmq3-dev \
libfftw3-dev libgsl-dev libcppunit-dev doxygen libcomedi-dev libqt4-opengl-dev \
python-qt4 libqwt-dev libsdl1.2-dev libusb-1.0-0-dev python-gtk2 python-lxml \
pkg-config python-sip-dev
sudo apt-get install python3-pip
git clone --recursive https://github.com/gnuradio/gnuradio.git
cd gnuradio
sudo mkdir build
cd build
sudo cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/opt/gnuradio ../
sudo make
sudo make install
sudo vim ~/.barshrc
export PATH=$PATH:/opt/gnuradio/bin
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/opt/gnuradio/lib
export PKG_CONFIG_PATH=$PKG_CONFIG_PATH:/opt/gnuradio/lib/pkgconfig
export PYTHONPATH=$PYTHONPATH:/opt/gnuradio/lib/python2.7/dist-packages

GNU Radio使用

第一个流程图

打开终端运行gnuradio_companion命令，会显示如下界面，界面中有Options和Variable俩个块。我们双击 Options 块，我们可以通过编辑 Id 和 Title 来命名流程图：

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点击file->save，输入grc文件的名称后保存GRC流程图。

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我们可以进入保存grc的目录下进行查看，发现保存了一个grc文件和生成了一个python文件。其中grc文件包含了在 GRC 中显示流程图的信息，python文件则包含实际的 Python 流程图代码。

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返回gnuradio打开的grc文件中，键盘使用ctrl+f或者点击菜单栏中的放大镜按钮可以进行模块搜索。这里我们分别搜索 Signal Source 、Throttle、QT GUI Frequency Sink 和 QT GUI Time Sink模板，并按照下图顺序将每个块拖放到工作区中。随后依次点击上一个块out口和下一个块的in口，连接效果如下。

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点击Execute按钮（菜单栏中绿色的三角按钮）启动程序，我们可以看到如下的波形：

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定义变量

我们搜索var，然后将Variable变量模块拖入工作区中。并将其id命令为frequency。

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双击Signal Source，修改Sample Rate的值为samp_rate变量，即可将定义的samp_rate=32k值赋值给Signal Source的。修改Frequency的值为frequency变量。

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运行时更新变量

GNU Radio 模块库自带 QT GUI 模块，这些模块允许在运行时对流程图进行交互和修改。QT GUI Range 模块会创建一个滑块，可用于运行时更新变量。我们搜索range并将QT GUI Range块拖入工作区中：

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QT GUI Range是一个可变滑块，使用该模块需要设置 QT GUI Range默认值。我们将ID修改为frequency，然后将Default Value设置为 0。这里的start和stop是滑块的开始值和停止值。我们设置起始值为 -samp_rate/2 ，停止值设置为 samp_rate/2 。step是滑块的步长。我们这里将步长设置为 100 Hz ，并点击apply。

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点击运行流程图后，效果如下。我们可以滑动按钮来修改frequency的值。

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QT GUI Chooser为变量创建选项下拉菜单。我们可以搜索Chooser，并将 QT GUI Chooser拖放到工作区中。

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修改QT GUI Chooser的ID值后，点击apply，发现报错。

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这里是因为我们前面的QT GUI Range块已经引用了frequecy变量，导致冲突。

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我们右击QT GUI Range块，点击disable将其禁用，禁用该块后显示为灰色。

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此时已经显示正常，我们此时点击运行流程图。

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QT GUI Chooser效果如下。

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信号数据类型

块上的每个输入和输出端口都将具有与之关联的数据类型。数据类型由输入和输出端口的颜色标识，我们单击 Help->Types可以进行查看：

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窗口显示数据类型及其关联的颜色，这些颜色对应于 GRC 中模块的输入和输出端口。

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下面示例流程图中使用 Complex Float 32 数据类型，该数据类型使用一对 32 位浮点数来表示复杂样本的实部和虚部。

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运行流程图显示绘制在时域中的复数信号，其中信号 1 是实数分量，信号 2 是复数信号的虚数分量：

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将所有数据类型转换为 Float 后，我们重新运行该流程图：

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Signal Source 模块创建一个实际输出，该输出显示为时域中的唯一信号：

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数据类型转换

搜索 Random Source 块并将其拖动到工作区中：

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该块默认为 Integer 32 数据类型。双击该块以打开属性并将数据类型修改为 byte：

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Random Source 和 Throttle 模块之间的红色箭头表示需要修复的数据类型错误。双击 Throttle 模块，我们将数据类型更改为 byte：

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QT GUI Time Sink 没有 char 数据类型，我们选择float类型。GNU Radio 模块库附带了类型转换器下列出的各种数据类型转换器。搜索 Char To Float 模块，将其拖动到工作区中，然后将其连接到流程图中。

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现在所有红色错误都消失了，按播放按钮启动流程图。QT GUI Time Sink 现在将显示来自随机源块的数据，该块随机化为 0 和 1：

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其他

以上为gnuradio几个基础模块的使用方法，除了上面用到模块的使用，常见的其他模块使用效果如下：

信号波形生成器（Waveform Generators）

  1. 常数信源（Constant Source） - 生成固定幅度的常数信号。

  2. 噪声信源（Noise Source） - 生成各种类型的噪声信号，如高斯噪声。

  3. 信号源（Signal Source） - 生成各种信号类型，如正弦波、方波等。

调制器（Modulators）

  1. AM解调（AM Demod） - 解调幅度调制（AM）信号。

  2. 连续相位调制（Continuous Phase Modulation） - 进行连续相位调制。

  3. 相位偏移调制与解调（PSK Mod/Demod） - 进行相位偏移调制和解调。

  4. 高斯频移键控调制与解调（GFSK Mod/Demod） - 高斯频移键控调制和解调。

  5. 高斯最小频移键控调制与解调（GMSK Mod/Demod） - 高斯最小频移键控调制和解调。

  6. 正交振幅调制调制与解调（QAM Mod/Demod） - 进行正交振幅调制和解调。

  7. 宽带调频接收（WBFM Receive） - 宽带调频调制的接收端。

  8. 窄带调频接收（NBFM Receive） - 窄带调频调制的接收端。

界面（GUI）

  1. 星座图（Constellation Sink） - 可视化星座图。

  2. 频域图（Frequency Sink） - 显示信号频谱的频域图。

  3. 时域图（Time Sink） - 显示信号的时域波形图。

  4. 直方图（Histogram Sink） - 显示信号的直方图。

  5. 瀑布图（Waterfall Sink） - 显示频谱随时间变化的瀑布图。

数学运算（Math Operators）

  1. 绝对值（Abs）

  2. 相加（Add）

  3. 复数共轭（Complex Conjugate）

  4. 相除（Divide）

  5. 积分（Integrate）

  6. 取对数（Log10）

  7. 相乘（Multiply）

  8. 均方根（RMS）

  9. 相减（Subtract）

信道模型

  1. 衰落信道模型（Fading Model） - 模拟信号在信道中的衰落效应。

  2. 动态信道模型（Dynamic Channel Model） - 模拟动态变化的信道特性。

  3. 频率选择性衰落模型（Frequency Selective Fading Model） - 模拟频率选择性衰落的信道。

滤波器（Filters）

  1. 带通/带阻滤波器（Band Pass / Reject Filter）

  2. 低通/高通滤波器（Low / High Pass Filter）

  3. 无限冲激响应滤波器（IIR Filter）

  4. 均方根余弦滤波器（Root Raised Cosine Filter）

  5. 抽取有限冲激响应滤波器（Decimating FIR Filter）

傅里叶分析

  1. 快速傅里叶变换（FFT） - 执行快速傅里叶变换以分析信号的频谱。

  2. 克斯塔斯环（Costas Loop） - 一种相位同步技术，通常用于解调PSK调制的信号。

实验：制作一个FM receiver流程图

该实验我们使用osmocom_source 模块来接收FM信号，设置中心频率center_freq＝97.9ＭHz，设置了一个滑块channel_freq，默认频率为97.9MHz。这里需要注意，channel_freq是收听广播的频率，center_freq是接收信号的中心频率。其中采样率设置为变量samp_rate=10MHz（采样率决定了接收信号的范围，以中心频率为中心左右各5MHz。），Ch0：Frequency (Hz)设置为变量center_freq=97.9MHz。用一个Signal Source产生一个频率为center_freq-channel_freq的余弦波来与osmocom Source模块的输出相乘，进行频谱搬移。流程图中低通滤波器（低通滤波器就是只允许频率低于截止频率的波通过的滤波器，高于截止频率的波会被直接消除）的截止频率设置为75kHz，过渡带宽为25kHz，Decimation抽取值为int(samp_rate/channel_width)=50，经过此模块后的采样率由10MHz变为了200kHz。使用Rational Resampler模块来继续调整采样率，以此来满足后续Audio Sink模块需要的48kHz做准备。经过Rational Resampler模块作用，采样率变化过程为200k*12/5=480kHz。使用WBFM接收模块来进行WBFM解调，其中Audio Decimation为10，表示将采样率480kHz要变为480k/10=48kHz，以此来适应Audio Sink所要求的48kHz。Quadrature Rate表示的是WBFM Receive模块所期望的输入采样率为480kHz。

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点击运行后，即可收听97.9ＭHz频率的波段。这里虽然可以收听到FM电台，但是声音一样有断续，左下角控制终端一直输出aUaU...。经过查阅相关资料后发现是虚拟机音频欠载的原因，目前该问题未解决，切换至windows实体机则不会出现该问题。该流程图后续优化将frequency设置为滑块并设置初始和结束值，便可以很方便的修改收听频率。

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总结

这一小节，我们简单使用了GNU Radio软件，我们通过GNU Radio Companion（GRC）创建了简单的流程图，展示了信号生成、处理和输出的流程。最后通过制作一个FM receiver来加深对GNU Radio的了解。

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