背景

在上一小節(jié)中，我們簡單介紹和使用了GNU Radio軟件的基礎(chǔ)功能和模塊，同時通過GNU Radio Companion（GRC）創(chuàng)建了簡單的流程圖，展示了信號生成、處理和輸出的流程。最后通過制作一個FM receiver來加深對GNU Radio的了解。在這一小節(jié)中我們將更加深入的了解和使用GNU Radio軟件的功能，并制作一個簡單的藍(lán)牙抓包器。

GNU Radio使用

Bits的打包和解包

Bits的打包與解包對于表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)（與數(shù)字化 RF 樣本相對）以及使用調(diào)制器模塊（Constellation調(diào)制器、GFSK 調(diào)制器和 OFDM 發(fā)射器）非常有用。我們創(chuàng)建一個新流程圖并將 Random Source 模塊添加到工作區(qū)，把他的輸出設(shè)置為byte，此時輸出端口由紫色顯示。

然后將 Throttle、Pack K Bits、Char to Float 和 QT GUI Histogram Sink 模塊按照下圖添加到流程圖并連接它們：

編輯 Pack K Bits 的屬性，設(shè)置K為4

編輯QT GUI Histogram Sink的屬性，設(shè)置Number of Bins: 1024，Max x-axis: 16。

編輯另一個QT GUI Histogram Sink的屬性，設(shè)置Number of Bins: 1024，Max x-axis: 16。

此時我們開始運行流程圖， 4 Bit的直方圖顯示 0 到 15 的值，而1 Bit的直方圖顯示 0 和 1 的值 。

隨后我們將 Unpack K Bits 模塊添加到工作區(qū)，并將其連接在 Pack K Bits 模塊和 Char to Float 模塊之間。編輯 Unpack K Bits 模塊屬性并輸入 K: 4，流程圖如下。

此時如果我們運行一下，就會得出上面框圖是0-15的數(shù)值范圍，下面的1bit只有0和1。

流和向量

GNU Radio 中的塊可以使用流或向量進(jìn)行連接。流為每個時間單位攜帶 1 個實例樣本，且必須具有數(shù)據(jù)類型，例如 Float 32 或 Byte。向量是能夠在單個時間實例中攜帶多個采樣，代表了多個數(shù)據(jù)的平行存在。GRC 使用較淺的顏色表示流，使用較暗的顏色表示向量。我們用下面的流程圖來更深刻的理解一下流，第一個數(shù)據(jù)源是一個1k的cosine函數(shù)，這個輸出的stream類型的數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)流。然后我們使用節(jié)流閥進(jìn)行一個流量控制，然后可以將這個流送到一個QT GUI Time Sink中來展示出來。運行效果如下：

然后我們將第一個流程圖的信號源復(fù)制出三份，然后分別將它們的輸出類型設(shè)置成complex、float和short。此時我們可以用一個stream to vector的，將流轉(zhuǎn)化為向量，我們可以收集128個數(shù)據(jù)，然后合成一個向量。

此時運行效果如下：

我們使用一個流轉(zhuǎn)成向量的典型例子，更形象地展示一下。下面這個流程圖引入了兩個數(shù)據(jù)源，一個是1KHz的cosine信號源，另一個是100Hz的cosine信號源，然后第一個信號源設(shè)置浮動為正負(fù)1，第二個信號源設(shè)置浮動為正負(fù)0.1，相當(dāng)于我們有兩個數(shù)據(jù)流，此時我們用一個strings to vector，把倆個數(shù)據(jù)源的流留合成為一個向量，然后接著我們再把合成的向量轉(zhuǎn)換成一個數(shù)據(jù)，然后把它顯示出來。

我們可以運行流程圖查看一下效果，第一個是我們的100Hz的cosine信號源正負(fù)0.1的效果圖，第二個是1KHz的cosine信號源正負(fù)1的一個數(shù)據(jù)源。第三個圖為把兩個交替信號源顯示的效果圖。

類似byte的打包解包，我們可以用vector to stream模塊將兩個stream打包成一個vector，那我們也可以利用vector to streams模塊將數(shù)據(jù)拆解回原來的樣子。下面流程圖中，兩個數(shù)據(jù)源經(jīng)過streams to vector，然后打包把它先顯示出來，然后調(diào)用Vector to Streams 模塊反序列化向量樣本并將其轉(zhuǎn)換為流，執(zhí)行與Streams to Vector 模塊的相反操作。

我們可以運行流程圖查看一下效果，此時經(jīng)過打包之后的一個合成數(shù)據(jù)源已分為兩個流：

層次塊

當(dāng)我們想要在設(shè)計其他流程圖中，如何自己設(shè)計一個模塊并使用呢？這時就用到了層次塊。在GNU Radio Companion軟件中點擊就File-New-Hier Block，即可創(chuàng)建層次塊流程圖。在新的 GRC 選項卡中創(chuàng)建流程圖如下：

雙擊選項塊并編輯屬性，設(shè)置Id: FrequencyShifter，Title: Frequency Shifter Block。

此時我們需要注意變量與 GNU Radio 中的參數(shù)不同。參數(shù)為 hier 塊創(chuàng)建一個接口以接受來自外部源的值，而變量僅存在于 hier 塊內(nèi)部。

例如， samp_rate 變量只能從 hier 塊內(nèi)訪問。

那么我們就需要刪除 samp_rate 變量，將其替換成為參數(shù)，我們將倆個參數(shù)塊添加到 GRC 工作區(qū)中，以便可以從較大流程圖中的另一個塊進(jìn)行更新。

設(shè)置第一個參數(shù)屬性：Id: samp_rate，Label: Sample Rate，Type: Float

設(shè)置第二個參數(shù)屬性：Id: frequency，Label: Frequency，Type: float

流程圖設(shè)置完成后，需要generate保存。但是此時從右側(cè)功能模塊中搜索，并不能搜索到我們保存的層次塊。

我們需要單擊重新加載塊按鈕，此時再次從右側(cè)功能模塊中搜索，就可以搜索到我們保存的層次塊了。

創(chuàng)建一個python塊

python塊是什么功能呢，我們要實現(xiàn)一個功能塊，它可以中有多個輸入，并且會根據(jù)屬性中的特定參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理。通常，Python 塊有兩個屬性：代碼（代碼，一個點擊框，其中包含該塊的 Python 代碼的鏈接）和參數(shù)（塊的輸入?yún)?shù)）。在下面的例子中，我們要實現(xiàn)一個可以實現(xiàn)輸入相加或者相乘的一個塊。該功能塊的參數(shù)可以決定是相加還是相乘。我們搜索 Python 塊并將其添加到工作區(qū)：

單擊 Open in Editor 編輯 Python 代碼：

此時編輯器窗口中會顯示 Python 塊的 Python 代碼：

注意：__init__() 和 work() 函數(shù)必須符合 GNU Radio 軟件框架的規(guī)則和期望進(jìn)行修改，該框架控制塊輸入和輸出之間的數(shù)據(jù)傳輸。

我們可以在編輯器菜單中選擇“查找和替換”，將默認(rèn)example_param參數(shù)重命名以方便我們自己查看，這里我全部替換為additionFlag。

接下來就是修改功能實現(xiàn)部分了，該python文件中定義了默認(rèn)塊有一個輸入和一個輸出，但是我們需要該塊的兩個輸入，我們需要將第二個 np.complex64 添加到 in_sig列表中。同時，python塊在處理條件分支時，處理邏輯分別為加和乘，那么我們需要修改work函數(shù)。最終修改的代碼如下：

根據(jù)我們設(shè)計的邏輯，在“加法”或“乘法”模塊中參數(shù)選擇“True”處理邏輯為兩個信號源的相加。運行流程圖給出以下兩個圖：

當(dāng)我們設(shè)置參數(shù)為 Additionflag 屬性輸入 False，處理邏輯為相乘。這時兩個復(fù)數(shù)正弦曲線相乘會在兩個頻率之和處產(chǎn)生一個正弦曲線。因此，頻率為 1,000 的信號源與頻率 3,000 的乘積是頻率為 4,000 的復(fù)正弦曲線。運行流程圖時可以看到這個復(fù)雜的正弦曲線：

實驗：制作一個簡單的藍(lán)牙抓包器

實驗的github倉庫地址為"https://github.com/oldprogram/sdr4iot-ble-rx"，該工具可以捕獲的 BLE 數(shù)據(jù)包并通過命名管道 (FIFO) 直接顯示在 Wireshark 中。我們使用Gnu Radio 用于接收和解調(diào)傳入的 BLE 數(shù)據(jù)包。我們打開倉庫中的流程圖進(jìn)行查看，流程為使用hackrf one設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)，然后送到一個閾值濾波，-70的db的一個閾值濾波進(jìn)行靜噪和濾波。再送到GFSK模塊(藍(lán)牙的一種調(diào)制方式為GFSK)中進(jìn)行個解碼，解碼后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行一個打包。然后數(shù)據(jù)會通過ZMQ模塊(ZMQ模塊，下小節(jié)中會進(jìn)行講解)pub出去。這樣我們就可以用這個流程圖實現(xiàn)一個功能，就是拿到了藍(lán)牙最原始的GFSK數(shù)據(jù)包，并把它解出來就拿到藍(lán)牙的物理層級別的數(shù)據(jù)。那接下來再寫一個數(shù)據(jù)鏈路層的一個數(shù)據(jù)包的解析(ble_dump.py文件實現(xiàn)此功能，下一小節(jié)中講解)，就能把藍(lán)牙的廣播包提取出來。

我們打開終端，運行下面的命令進(jìn)行藍(lán)牙抓包：

mkfifo /tmp/fifo1 wireshark -S -k-i /tmp/fifo1 ./ble_dump.py-o/tmp/fifo1

抓包效果如下：

總結(jié)

這一小節(jié)，我們更加深入的了解和使用GNU Radio軟件的功能，同時對流程圖基礎(chǔ)知識也有了更好的拓展。從這一小節(jié)開始我們將接觸與python的交互，方便我們更加高效和快捷的使用GNU Radio。在下一小節(jié)中，我們會學(xué)習(xí)ZMQ模塊的使用以及藍(lán)牙抓包器的原理。