GNU Radio是一個(gè)開(kāi)源的軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以通過(guò)圖形化界面或C++、Python等文本語(yǔ)言快速開(kāi)發(fā)軟件無(wú)線電應(yīng)用，本文介紹了Linux下GNU Radio平臺(tái)的搭建及如何在該平臺(tái)下使用NI USRP設(shè)備。

1. 概念性描述

USRP設(shè)備需要固件（firmware image）和FPGA鏡像（FPGA image）且版本一致才能正常工作，此二者與上位機(jī)使用何種環(huán)境：Windows還是Linux無(wú)關(guān) [1]，即：同一套固件和鏡像不需要更換可在Windows LabVIEW及Linux GNU Radio下使用。

圖1 兩套環(huán)境對(duì)比

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在Windows系統(tǒng)下操作時(shí)，可通過(guò)NI-USRP Configuration Utility 軟件進(jìn)行固件與FPGA鏡像的寫(xiě)入/更新，如圖2 。這樣，USRP設(shè)備就能通過(guò)NI-USRP驅(qū)動(dòng)與上位機(jī)通信。

圖2 NI-USRP Configuration Utility – N2xx/NI-29xx Image Updater

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而在Linux GNU Radio下，UHD驅(qū)動(dòng)代替了NI-USRP驅(qū)動(dòng)的工作 [2]。可以通過(guò)運(yùn)行 uhd_images_downloader 從網(wǎng)上下載鏡像到本地，uhd_image_loader 更新鏡像，之后會(huì)詳細(xì)描述。

2. 環(huán)境搭建

2.1 安裝Ubuntu系統(tǒng)
我們常用的電腦都是Windows系統(tǒng)的，有兩種方法在電腦上運(yùn)行Linux。第一種方法是安裝雙系統(tǒng)，第二種方法是安裝虛擬機(jī)并在虛擬機(jī)中安裝Linux，由于方法二不需要額外分區(qū)、更改BIOS等操作、在操作不當(dāng)時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致Windows的崩潰，因此選用方法二。

這里使用了常見(jiàn)的虛擬機(jī)軟件 VMware Workstation。在以下鏈接中可以下載Ubuntu 16.04：https://www.ubuntu.com/download/desktop Ubuntu是一個(gè)Linux常用的發(fā)行版。下載到的文件是Ubuntu系統(tǒng)的鏡像.iso文件，在VMware中選擇File – New Virtual Machine 按照提示一步步點(diǎn)擊下一步即可，在配置虛擬機(jī)硬件時(shí)，CPU數(shù)及CPU核心數(shù)與實(shí)際CPU一致即可，內(nèi)存可設(shè)的稍大一些，我設(shè)置了8G內(nèi)存（共16G物理內(nèi)存），硬盤(pán)設(shè)置40G（裝完Ubuntu系統(tǒng)、安裝完GNU Radio的所有依賴(lài)軟件后實(shí)際使用了8.1G）。

啟動(dòng)虛擬機(jī)，按照第一次啟動(dòng)向?qū)Ш?jiǎn)單配置Ubuntu，進(jìn)入桌面后點(diǎn)擊左上角的圖標(biāo)，搜索terminal即命令行工具，如圖3 。

圖3 找到Ubuntu的命令行工具

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打開(kāi)命令行工具，輸入
sudo passwd回車(chē)

設(shè)置管理員（Supper User）密碼即root密碼，在用戶(hù)設(shè)置密碼之前，Ubuntu每次開(kāi)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的root密碼。注意，輸密碼時(shí)不會(huì)顯示“****”，而是什么字符也不顯示，這一點(diǎn)和我們一般的認(rèn)知很不一樣！

系統(tǒng)提示再次輸入密碼，第二次輸入密碼并確認(rèn)、兩次一致后密碼設(shè)置成功。接下來(lái)輸入
sudo apt-get update回車(chē)

更新源，會(huì)提示輸入管理員密碼，輸入剛才設(shè)置的管理員密碼后點(diǎn)回車(chē)。之后輸入（或復(fù)制粘貼，請(qǐng)勿使用Ctrl C + V的快捷鍵，而是鼠標(biāo)右鍵在命令行窗口中單擊 – 選擇paste）
sudo apt-get -y install git swig cmake doxygen build-essential libboost-all-dev libtool libusb-1.0-0 libusb-1.0-0-dev libudev-dev libncurses5-dev libfftw3-bin libfftw3-dev libfftw3-doc libcppunit-1.13-0v5 libcppunit-dev libcppunit-doc ncurses-bin cpufrequtils python-numpy python-numpy-doc python-numpy-dbg python-scipy python-docutils qt4-bin-dbg qt4-default qt4-doc libqt4-dev libqt4-dev-bin python-qt4 python-qt4-dbg python-qt4-dev python-qt4-doc python-qt4-doc libqwt6abi1 libfftw3-bin libfftw3-dev libfftw3-doc ncurses-bin libncurses5 libncurses5-dev libncurses5-dbg libfontconfig1-dev libxrender-dev libpulse-dev swig g++ automake autoconf libtool python-dev libfftw3-dev libcppunit-dev libboost-all-dev libusb-dev libusb-1.0-0-dev fort77 libsdl1.2-dev python-wxgtk3.0 git-core libqt4-dev python-numpy ccache python-opengl libgsl-dev python-cheetah python-mako python-lxml doxygen qt4-default qt4-dev-tools libusb-1.0-0-dev libqwt5-qt4-dev libqwtplot3d-qt4-dev pyqt4-dev-tools python-qwt5-qt4 cmake git-core wget libxi-dev gtk2-engines-pixbuf r-base-dev python-tk liborc-0.4-0 liborc-0.4-dev libasound2-dev python-gtk2 libzmq-dev libzmq1 python-requests python-sphinx libcomedi-dev python-zmq回車(chē)

大約會(huì)下載1個(gè)多G的依賴(lài)庫(kù)和軟件。等待其下載完成后，下載編譯安裝UHD驅(qū)動(dòng)。

2.2 安裝UHD驅(qū)動(dòng)
UHD驅(qū)動(dòng)是以源碼形式提供的。在命令行中輸入
git clone https://github.com/EttusResearch/uhd回車(chē)

會(huì)將uhd源碼拷貝到HOME路徑下，轉(zhuǎn)到該路徑并新建build目錄
cd uhd回車(chē)
cd host回車(chē)
mkdir build回車(chē)
cd build回車(chē)

輸入
cmake ../回車(chē)

產(chǎn)生Makefile，輸入
make回車(chē)

編譯源碼，大約需要10-30min時(shí)間，可以通過(guò)開(kāi)啟多線程編譯可大大縮短編譯時(shí)間，用make -j4 代替make即可，就會(huì)啟用4個(gè)線程同時(shí)編譯，但也不是越多越好，一般和計(jì)算機(jī)CPU線程數(shù)或虛擬機(jī)CPU線程數(shù)一致即可。如編譯中途死機(jī)（虛擬機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)、由于內(nèi)存不足），重新來(lái)過(guò)時(shí)會(huì)接著之前的編譯進(jìn)度繼續(xù)。之后安裝編譯成功的庫(kù)，輸入
make test回車(chē)
sudo make install回車(chē)

更新共享庫(kù)和環(huán)境變量
sudo ldconfig回車(chē)

export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib回車(chē)

此時(shí)UHD驅(qū)動(dòng)已經(jīng)安裝完畢，可通過(guò)輸入
uhd_find_devices回車(chē)

查看驅(qū)動(dòng)的版本，若在同一子網(wǎng)中已有USRP設(shè)備，可看到USRP設(shè)備的信息，如圖4

圖4 驗(yàn)證UHD安裝情況

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一個(gè)小技巧：在輸入上條命令時(shí)輸入uhd_fin之后按Tab鍵看看會(huì)發(fā)生什么……自動(dòng)填充！對(duì)于輸一些比較長(zhǎng)的命令時(shí)可以通過(guò)自動(dòng)填充功能降低拼寫(xiě)錯(cuò)誤，省時(shí)省力。

在找到設(shè)備的情況下，可運(yùn)行以下程序查看CDMA移動(dòng)電話的上行頻譜
uhd_fft -a addr=10.144.97.123 -f 835M -s 10M回車(chē)

圖5 UHD FFT測(cè)試程序

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注意，若USRP中的鏡像和UHD版本不匹配的話，無(wú)法直接運(yùn)行上述測(cè)試程序，可以通過(guò)更新firmware image 和 FPGA image使之匹配。更新方法見(jiàn)第3節(jié)。

2.3 安裝GNU Radio
安裝GNU Radio與安裝UHD驅(qū)動(dòng)的步驟類(lèi)似。
首先回到home路徑
cd $HOME回車(chē)
之后下載GNU Radio源碼
git clone --recursive https://github.com/gnuradio/gnuradio回車(chē)

下載完成后新建build目錄
cd gnuradio回車(chē)
mkdir build回車(chē)
cd build回車(chē)

生成Makefile并編譯安裝
cmake ../ 回車(chē)
make回車(chē)
make test回車(chē)
sudo make install回車(chē)
sudo ldconfig回車(chē)

完成后，可以測(cè)試安裝是否正確，輸入
gnuradio-companion回車(chē)
GNU Radio 開(kāi)發(fā)環(huán)境應(yīng)當(dāng)可以正確打開(kāi)。至此，環(huán)境搭建完成[3] 。

3. 運(yùn)行一個(gè)GNU Radio程序

3.1 修改USRP IP地址并連接
這里使用的是USRP-2922，USRP設(shè)備使用固定IP，默認(rèn)IP是192.168.10.2 。首先將USRP設(shè)備通過(guò)網(wǎng)線直連至PC，設(shè)置PC的ip為192.168.10.1，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，在Windows下可通過(guò)NI-USRP Configuration Utility軟件修改USRP設(shè)備的IP。在本次驗(yàn)證中，使用了超過(guò)1臺(tái)的USRP，需要通過(guò)交換機(jī)和上位機(jī)通信，在處于同一個(gè)子網(wǎng)的PC上查看PC的IP地址：windows徽標(biāo)鍵+R -> 輸入cmd回車(chē) -> 輸入ipconfig回車(chē)，找到自己的本地網(wǎng)卡的IPv4地址，如10.144.97.17，將兩臺(tái)USRP的IP設(shè)置到同一個(gè)子網(wǎng)下，如10.144.97.123和10.144.97.124 。

在Linux下可通過(guò)以下方法修改設(shè)備IP [4] ，cd 到/usr/local/lib/uhd/utils目錄下，運(yùn)行
sudo ./usrp2_recovery.py --ifc=eth0 --new-ip=10.144.97.123回車(chē)

以上方法需要防火墻允許UDP廣播。需要注意的是，在虛擬機(jī)中運(yùn)行Linux的話，需要將虛擬機(jī)的網(wǎng)卡配置為直連或者與主機(jī)共用IP。

圖6 虛擬機(jī)網(wǎng)卡配置

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設(shè)置IP后，可以ping一下USRP，命令行輸入：
ping 10.144.97.123回車(chē)

此時(shí)應(yīng)當(dāng)看到ping通的信息，按Ctrl + Z可以退出ping的狀態(tài)。

3.2 更新firmware image和FPGA image
如開(kāi)篇所述，這兩個(gè)鏡像在Windows和Linux下是通用的，只要版本和驅(qū)動(dòng)版本一致即可。NI-USRP 15.5提供的鏡像和UHD 3.11.0提供的鏡像是一致的。如果你的USRP在Windows下更新過(guò)鏡像，可以跳過(guò)這一步。

在Ubuntu命令行中輸入：
sudo uhd_images_downloader回車(chē)

這樣可以自動(dòng)地將網(wǎng)絡(luò)上合適的鏡像下載到本地計(jì)算機(jī)中。

再輸入
uhd_image_loader --args="type=usrp2,addr=,reset"回車(chē)
將鏡像下載到USRP設(shè)備中并重啟設(shè)備，這里的鏡像是自動(dòng)選擇版本的。

3.3在GNU Radio中編程
首先，在命令行中輸入
gnuradio-companion回車(chē)
運(yùn)行GNU Radio開(kāi)發(fā)環(huán)境，該環(huán)境也是使用圖形化模塊編程的，詳細(xì)使用教程可以在網(wǎng)絡(luò)上搜索。這里可以編寫(xiě)一個(gè)程序，在兩臺(tái)USRP-2922之間傳文件。使用隨機(jī)自帶的天線，工作在915M ISM頻段上。也可通過(guò)衰減器將兩個(gè)USRP的TX/RX接口直連。注意：使用USRP發(fā)射無(wú)線電信號(hào)需遵守當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)法律法規(guī)。

圖7 一個(gè)GRC程序

圖8 程序運(yùn)行界面

圖9 程序運(yùn)行結(jié)果

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相關(guān)鏈接:
[1] GNU radio and LabVIEW simultaneously on USRP 2920
?board.id=500&message.id=1188
[2] Can NI-USRP be worked on GNU Radio?
[3] Building and Installing the USRP Open-Source Toolchain (UHD and GNU Radio) on Linux
[4] USRP Hardware Driver and USRP Manual