GNUradio与USRP折腾指南

其实这篇文章我想用摩斯电码写，但是由于我不会，所以我只能敲汉字了。
我五月份的时候拿到了两台USRP，是由国内山黑制作的。没想到居然出差一个多月，耽误了很多事情，现在我已经返回到我的家中，在折腾了很长时间之后，在我一名同事的协助下，我终于摸索出来了一些门道，也就有了这篇文章。
有一说一，这两块设备着实花了我不少功夫去学习新的知识，无线电的原理，软件定义无线电，GNUradio，甚至还因此配置了半天Arch Linux，掉头发的同时心态也好了很多（果然任何知识学到一定程度，都会转向养生）。
先做下介绍，GNUradio是一个开源软件，完全免费，官网在https://www.gnuradio.org/，中文论坛在http://gnuradio.microembedded.com/，可以用于软件定义无线电的实验环境或者是纯软件的仿真。从形式上，它的使用方式很像Matlab中的Simulink，拖动模块连线，之后进行仿真，或者控制硬件的收发。GNUradio内部包含了诸多模块，可以对信号进行各种处理，不仅可以处理，还能生成各类信号，搭配USRP或者Hackrf或者是LimeSDR你可以做到各类无线信号的收发。
USRP是一个硬件，全称是Universal Software Radio Peripheral，我用一个比较简单的方式帮助你理解这个设备——你就把它当一个很不错的天线就可以了。它帮助你接收和发送各类信号，抽象出来就是一个又长又黑的天线。官网在https://www.ettus.com/，和GNUradio的官网一样，推荐英语好的上去看看，第一手的信息都在上面。
我目前手上的俩台USRP，一台是USRP B210，另外一台是USRP B205mini，板子的外形是很漂亮的，我推荐下不同的无线电平台，目前我认为热度比较高的有这几个，hackrf one，LimeSDR，以及USRP，bladeRF，其中的hackrf属于半双工，引申一下，半双工的对立面是全双工，一个无线电设备，要么收，要么发，比如收音机，就是接收信号的，而发射收音机信号的基站则是一个发送信号的设备。手机的基带是能收能发的，我并不知道最新的基带技术，我知道之前的手机基带，是半双工的，也就是不能同时收发，是在收发之间快速切换，我们将不能同时收发的双工设备叫半双工设备，不幸的是hackrf one就是这样的设备，你可以在某一时间段收，可以在某一时间段发，但是你不能同时收发无线电信号。这就是hackrf one最大的缺陷，我个人认为也是hackrf one最廉价的原因。LimeSDR和bladerf我个人了解不多，但是LimeSDR的热度似乎比bladerf要高一些。

下面说说USRP，这是目前软件定义无线电设备中较为高端的产品，可以从上图中看出，usrp的带宽（bandwidth）为61.44Mhz，是图中三个设备里面最高的，同时双工（duplex）性能上B210版本还是多进多出的（MIMO），比如我手上的B210，是双收双发的，而属于B200系列的B205mini则是双收单发。随着高性能带来的是高售价，如果你去买原版预计会上万，但是如果你买国产仿制品价格会降下来很多，如果你不是大公司，或者王思聪（我估计这哥们永远用不着这玩意）我还是推荐你去买国产，比如山黑的usrp，想我手里这两台一样，性能相同，价格便宜很多，国内还可以售后，体验甚至比原装好一些。
其实想要驱动USRP，官方的UHD驱动就可以实现一些有趣的功能，如果你的Matlab使用的很熟练，Matlab中也有对应的硬件支持包可以安装（无论是否正版，都可以安装），不过要使用较新的Matlab，18a，18b，19a，19b肯定是支持的，之前的，我没有进行测试，不敢妄加评论。具体的测试我还没有动手，诸位大佬可以自行尝试。

今天我要讲的是GNUradio以及USRP的安装到正常使用，我选择的平台是Linux，搭配apt安装的GNUradio和UHD驱动。稍微提醒下，如果你想使用最新的GNUradio以及UHD驱动，很简单，安装两个官网上的指示就可以完成GNUradio和UHD的编译和安装。我之所以选择apt安装GNUradio和UHD，主要是在编译安装好后遇到了不少问题，比如，无法识别设备，GNUradio无法找到USRP的固件，即使我放到了对应的文件夹，好吧，一步步来，先让整个系统跑起来。
经过多种系统的测试，我最后还是选择了Deepin，没啥特别理由，就因为在上面它正常工作了，我使用的版本是Deepin 15.11，最新版的Deepin 20 Beta版本经过测试，暂时不支持GNUradio，所以不能使用，必须使用旧版本Deepin 15.11。
在系统安装好后，在命令行中输入：sudo apt update,以及sudo apt install gnuradio,两个命令都正常执行之后，GNUradio以及UHD驱动会被安装好，但是你现在并不能正常使用这个软件，我将运行示例程序的报错贴到这里，首先是无法找到一个二进制文件usrp_b200_fw.hex，这个文件会加载到fpga上面，没有的话必然报错。下面给了你两条路，一条是设置正确的环境变量UHD_IMAGES_DIR，另外一个是运行下面的/usr/lib/x86_64-linux-gnu/uhd/utils/uhd_images_downloader.py。

透过现象看本质，usrp并不是开源设备，像其他的usrp设备，比如hackrf one，是完全开源的，从硬件到单片机程序到驱动， usrp只有驱动开源，其中的fpga程序并不开源，硬件更不开源，所以fpga中运行的程序并不能给你源码，而是以压缩包的形式通过python脚本从网上下载，但是鉴于国内的网速，其实很难下载。如果你第一次安装，那肯定是要运行这个python脚本进行下载的，因为你电脑中没有usrp里面的程序，但是当你运行这个python脚本时会出现如下情况：
$ python /usr/lib/x86_64-linux-gnu/uhd/utils/uhd_images_downloader.py
python: can’t open file ‘/usr/lib/x86_64-linux-gnu/uhd/utils/uhd_images_downloader.py’: [Errno 2] No such file or directory
这里也很坑，报错中提示你想运行的python脚本并没有在你指定的位置，也就是说，报错中提示的脚本位置也是错的，真有你的啊，GNUradio。
我经过一番检索，发现该文件在deepin的/usr/lib/uhd/utils文件夹下面，所以如果想运行这个脚本，指令应该为sudo python /usr/lib/uhd/utils/uhd_images_downloader.py。不过如果你没有代理，你的下载会一直中断，这时候我们就要动下脑子，看下运行这个脚本的输出：
$ sudo python /usr/lib/uhd/utils/uhd_images_downloader.py
[sudo] joe 的密码：
Images destination: /usr/share/uhd/images
Downloading images from: http://files.ettus.com/binaries/images/uhd-images_003.009.005-release.zip
Downloading images to: /tmp/tmpOoNB2O/uhd-images_003.009.005-release.zip
这是前几行输出，提示了几点信息，下载完成后，这些固件会放入/usr/share/uhd/images这个文件夹，下载这些固件的网站在http://files.ettus.com/binaries/images/uhd-images_003.009.005-release.zip，下载下来的固件为一个压缩包的形式，先缓存在/tmp/tmpOoNB2O/uhd-images_003.009.005-release.zip这个文件中。

我尝试使用wget来下载这个文件，可以看到，速度其实比手写1和0快不了多少，下载完成的时候，你都能打两盘文明了，更别提中间的下载中断之类，更麻烦了。我推荐一个很简单的办法，用迅雷，打开windows上的迅雷，复制这个下载连接会自动下载，速度上本人亲测在40k左右，比wget和运行脚本下载都要快一些。在下载完成后，不要在windows上面解压该压缩包，使用SFTP传送到linux系统中。
当文件传好之后，进行解压和移动，我们就按照脚本的指示将解压后的文件放置在/usr/share/uhd/images这个文件夹下（我放到了/usr/local/share/uhd/images这个文件夹下，这不是很重要，重要的是下载）。
在下载终于完成之后，就应该设置环境变量了，这个环境变量每次开始GNUradio之前都要设置一次，这是比较头疼的地方。指令是export UHD_IMAGES_DIR=/usr/share/uhd/images（此处/usr/share/uhd/images应替换为你放置解压好的固件的位置）。
我目前发现两个bug，一个是，你设置变量之后双击GNUradio图标，或者在其他命令行中输入gnuradio-companion运行GNUradio，还是会发生报错，会出现和上面一样的提示，找不到固件。另外一个则是非root模式下也会出现类似的错误。解决问题的办法很简单，首先输入sudo passwd root，按照提示输入当前用户的密码，之后设置root用户的密码，设置完成之后，输入su root指令，切换root用户，运行两条指令：
export UHD_IMAGES_DIR= /usr/share/uhd/images（此处/usr/share/uhd/images还是应替换为你放置解压好的固件的位置）
gnuradio-companion
在运行完这两条指令之后，GNUradio的运行就是正常的了。
运行一个流程图，看看能否与usrp通信。
完全没问题，成功了。
再介绍一些其他的知识，想要看看Linux是否识别到了设备，可以用两个命令加以验证，一个是lsusb，查看usb口有什么设备，插上usrp看一次，拔下usrp看一次，两次会有不同，下图中第一次输入lsusb的时候usrp连接到了我的电脑上，第二次输入时电脑并没有连接usrp，所以说两次如果有不同就可以看出哪个设备是usrp。

当然还有更直观的办法，UHD驱动本身就带有一些指令可以使用，在命令行中先进行环境变量的设置：export UHD_IMAGES_DIR=/usr/local/share/uhd/images（后面的文件夹位置需要替换成你放置固件的位置），之后输入uhd_find_devices这个指令，如过你的变量设置的没问题，你的usrp会被识别到，其型号也会被认出来，像下图一样。

当然uhd驱动带的指令其实很多，本身就可以调用来做很多事情。

输入uhd_之后双击tab键，查看uhd的所有指令，你可以用输入其中的任意指令，加-h查看该指令的使用方式，比如uhd_rx_nogui -h，输出如下图所示。

现阶段我们先告一段落，我之后会更新GNUradio中的模块的相关资料，如果你觉得本文对你有一定帮助，欢迎素质三联，如果你觉得有哪些纰漏，可以直说，我进行查证之后会进行修改。