如何搭配USRP在安卓设备上搭建GNU Radio

公司网址：www.luowave.com   国内首发   USRP LW-X310

USRP是数款流行的SDR硬件中功能和应用都相对成熟的一款产品，从WIFI协议、ZigBee协议、RFID协议、GSM通信系统、LTE 4G通信系统到飞机通信、卫星通信USRP都能很好的进行支持。软件开发工程师可以用它开发应用，安全工程师则用它来测试、研究相关的无线通信协议

在这篇文章中，我们会使用安卓设备通过USB连接USRP。所以就需要USRP B2xx（B200, B210, 或者是 B200mini），这些都是经过全面测试的。除了这些，我们还需要一个OTG（USB On-the-Go）线缆，它可以插入安卓设备的USB端口。准备好这些，就可以按照下图所示接线方法连接。

点击这里查看已经被测试证明可以正常工作的设备列表。

具有网络连接的USRP似乎更容易在使用安卓设备的情况下正常工作。B2xx系列的USRP最大的问题在于每次开机时都必须对其固件和FPGA图像进行编程，而N200/N210这样的的USRP是预编程的，所以不需要面临某些USB设备的权限问题，联网的USRP所需的权限只有“android.permission.INTERNET”，该权限用于访问ControlPort。

RTL-SDR也可以用于安卓设备上的GNU Radio，与USRP B2xx差不多，这些设备也需要USB权限的替代办法，不过不需要编程。我们可以将RTL-SDR库和gr-osmosdr对其的支持构建到Android依赖包的GR中。此外，增加对其他基于USB的设备（如BladeRF，HackRF，Airspy等）的支持也将是比较直接的。

点击这里查看Github上完整的GrTemplateUSRP示例。

开始

我们现在要构建一个新的应用程序，首先，按照GRAndWalkthroughCP概述中的步骤创建一个新的应用程序项目，不过这次暂且命名为GrTemplateUSRP，这为我们设置了一个支持ControlPort且有一个基本流图的项目。在进行下一步之前，确保应用程序的构建和运行就像GrTemplateCP一样。

其次，克隆并构建GrHardwareService应用程序，并将此应用安装到你的安卓设备上，如果你第一次启动时没有连接USRP，应用可能会崩溃。加载完成后，它会为B2xx设备安装USRP固件和FPGA图像，并开始侦听USB连接。如果插入了供应商和生产ID与任何已知的USRP匹配的设备，则开始对设备进行编程。它会要求你授权两次以使用该设备，一次对固件进行编程，另一次是对FPGA图像进行编程。一旦完成，硬件即准备就绪。

如果你在第一次插入USRP时导致了程序崩溃，则可能是权限问题。在Marshmallow（安卓6.0）上，需要进入设置中的应用程序部分，找到GrHardwareService，然后启用存储权限。这是安卓6.0中的新“功能”。

添加对USB设备的支持

我们必须与安卓设备交互才可以在Java应用程序中获取信息并将其传递给C++流图，值得一提的是，安卓并不会将USB权限交给本地应用程序，所以我们需要在Java中获取文件描述符（fd）和USB文件系统路径（usrpfs_path），并将其通过GNU Radio传递给libUHD，最终通过libUSB访问。

接下来，我们需要添加一些支持以获得USB许可，并找到我们需要连接到USRP的fd和usbfs_path信息。

首先，将这些变量添加到MainActivity类中：

 public static Intent intent = null;
    private String usbfs_path = null;
    private int fd = -1;
    private static final String ACTION_USB_PERMISSION = "com.android.example.USB_PERMISSION";
    private static final String DEFAULT_USBFS_PATH = "/dev/bus/usb";
    private UsbManager mUsbManager;
    private UsbDevice mUsbDevice;

在我们收发无线电之前，我们需要确保已经拥有USB权限。因此，和我们之前一直在OnCreate中做事情不同，我们会将其分成不同部分，首先在OnCreate中，我们需要获取USB设备，设置无线电接收器，然后询问用户是否允许使用该设备。当用户同意时，无线电接收器启动。 即完成对USB设备的访问，现在我们可以对USB设备进行操作，以便我们从中获取需要的信息。这就是OnCreate函数：

@Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        // Create the seekBar to move update the amplitude
        SeekBar ampSeekBar = (SeekBar) findViewById(R.id.seekBar);
        ampSeekBar.setMax(100);      // max value -> 1.0
        ampSeekBar.setProgress(50);  // match 0.5 starting value
        ampSeekBar.setOnSeekBarChangeListener(new SeekBar.OnSeekBarChangeListener() {
            @Override
            public void onProgressChanged(SeekBar seekBar, int progress, boolean fromUser) {
                Double amp = progress / 100.0; // rescale by 100
                RPCConnection.KnobInfo _k =
                        new RPCConnection.KnobInfo(mult_knob_name, amp,
                                BaseTypes.DOUBLE);
                HashMap _map = new HashMap<>();
                _map.put(mult_knob_name, _k);
                postSetKnobMessage(_map);
            }
            @Override
            public void onStartTrackingTouch(SeekBar seekBar) {
            }
            @Override
            public void onStopTrackingTouch(SeekBar seekBar) {
            }
        });
        // Start setting up for USB permission request
        intent = getIntent();
        mUsbManager = (UsbManager) getSystemService(Context.USB_SERVICE);
        IntentFilter filter = new IntentFilter(ACTION_USB_PERMISSION);
        registerReceiver(mUsbReceiver, filter);
        mUsbDevice = intent.getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);
        if (mUsbDevice == null) {
            Log.d("GrTemplateUSRP", "Didn't get a device; finding it now.");
            final HashSet allowed_devices = getAllowedDevices(this);
            final HashMap usb_device_list = mUsbManager.getDeviceList();
            for (UsbDevice candidate : usb_device_list.values()) {
                String candstr = "v" + candidate.getVendorId() + "p" + candidate.getProductId();
                if (allowed_devices.contains(candstr)) {
                    // Need to handle case where we have more than one device connected
                    mUsbDevice = candidate;
                }
            }
        }
        Log.d("GrTemplateUSRP", "Selected Device: " + mUsbDevice);
        PendingIntent permissionIntent = PendingIntent.getBroadcast(this, 0,
                new Intent(ACTION_USB_PERMISSION), 0);
        // Launch dialog to ask for permission.
        // If use hits OK, the broadcast receiver will be launched.
        mUsbManager.requestPermission(mUsbDevice, permissionIntent);
    }

需要注意的是，我们仍要在此处创建Seek Bar作为GUI设置。

我们还调用了一个名为getAllowedDevices的新函数。 该函数能够解析目标通信设备的XML文件。因此，如果存在于此文件中列出的设备（基于供应商和产品ID），无线电接收器才会被触发。

现在需要创建device_filter.xml文件。 在res目录中，添加一个名为xml的新目录。在xml目录中，创建一个名为device_filter.xml的新文件。 这个文件如下所示：

<resources>
    <usb-device vendor-id="3034" product-id="10296" />  
    <usb-device vendor-id="9472" product-id="2" />      
    <usb-device vendor-id="9472" product-id="32" />     
    <usb-device vendor-id="9472" product-id="33" />     
    <usb-device vendor-id="9472" product-id="34" />     
    <usb-device vendor-id="14627" product-id="30739" /> 
    <usb-device vendor-id="14627" product-id="30740" /> 
resources>

将来可能需要在此添加更多设备以用于其他硬件支持。

getAllowedDevices函数如下所示：

private static HashSet getAllowedDevices(final Context ctx) {
        final HashSet ans = new HashSet();
        try {
            final XmlResourceParser xml = ctx.getResources().getXml(R.xml.device_filter);
            xml.next();
            int eventType;
            while ((eventType = xml.getEventType()) != XmlPullParser.END_DOCUMENT) {
                switch (eventType) {
                    case XmlPullParser.START_TAG:
                        if (xml.getName().equals("usb-device")) {
                            final AttributeSet as = Xml.asAttributeSet(xml);
                            final Integer vendorId = Integer.valueOf(as.getAttributeValue(null, "vendor-id"), 10);
                            final Integer productId = Integer.valueOf(as.getAttributeValue(null, "product-id"), 10);
                            ans.add("v" + vendorId + "p" + productId);
                        }
                        break;
                }
                xml.next();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return ans;
    }

我们所注册的无线电接收器mUsbReceiver（点此查看更多信息），如下所示：

private final BroadcastReceiver mUsbReceiver = new BroadcastReceiver() {
        public void onReceive(Context context, Intent intent) {
            String action = intent.getAction();
            if (ACTION_USB_PERMISSION.equals(action)) {
                synchronized (this) {
                    UsbDevice device = (UsbDevice)intent.getParcelableExtra(UsbManager.EXTRA_DEVICE);
                    if (intent.getBooleanExtra(UsbManager.EXTRA_PERMISSION_GRANTED, false)) {
                        if(device != null){
                            mUsbDevice = device;
                            SetupUSB();
                        }
                    }
                    else {
                        Log.d("GrTemplateUSRP", "Permission denied for device " + device);
                    }
                }
            }
        }
    };

如果设备注册并且无错误产生，即将其分配给我们的类对象mUsbDevice，并通过调用SetupUSB开始启动应用程序的下一个阶段。

 private void SetupUSB() {
        final UsbDeviceConnection connection = mUsbManager.openDevice(mUsbDevice);
        if (connection != null) {
            fd = connection.getFileDescriptor();
        } else {
            Log.d("GrTemplateUSRP", "Didn't get a USB Device Connection");
            finish();
        }
        if (mUsbDevice != null) {
            usbfs_path = properDeviceName(mUsbDevice.getDeviceName());
        } else {
            Log.d("GrTemplateUSRP", "Didn't get a USB Device");
            finish();
        }
        int vid = mUsbDevice.getVendorId();
        int pid = mUsbDevice.getProductId();
        Log.d("GrTemplateUSRP", "Found fd: " + fd + "  usbfs_path: " + usbfs_path);
        Log.d("GrTemplateUSRP", "Found vid: " + vid + "  pid: " + pid);
        StartRadio();
    }

该函数从USB设备获取信息，将其记录到logcat，然后调用StartRadio。我们使用称为properDeviceName的解析函数从设备本身提取USB设备路径：

public final static String properDeviceName(String deviceName) {
        if (deviceName == null) return DEFAULT_USBFS_PATH;
        deviceName = deviceName.trim();
        if (deviceName.isEmpty()) return DEFAULT_USBFS_PATH;
        final String[] paths = deviceName.split("/");
        final StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < paths.length - 2; i++)
            if (i == 0)
                sb.append(paths[i]);
            else
                sb.append("/").append(paths[i]);
        final String stripped_name = sb.toString().trim();
        if (stripped_name.isEmpty())
            return DEFAULT_USBFS_PATH;
        else
            return stripped_name;
    }

路径似乎每次都是”/dev/bus/usb”，但这个步骤是必要的，为的是防止某些特殊情况。

最后，我们调用StartRadio，这实际上是我们之前完成的其他的OnCreate工作，但现在我们正在等待USB设备被正确分配。

当我们在装有USRP的设备上构建并运行这个程序时，会弹出一个对话框，询问我们是否要授予USB设备权限。单击确定，但不要单击复选框。因为我们不希望这个应用程序默认与USRP关联，我们希望这是由GrHardwareService应用程序完成的。点击确定后，我们应该看到logcat中的日志消息，它提供了fd，usbfs_path以及发现设备的vid和pid。这确保我们正确地与Java中的USRP交互。然后，我们会将这些信息传递给流图，以创建UHD USRP block。你应该在logcat中看到类似这样的内容：

04-22 11:30:01.624 14537 14537 D GrTemplateUSRP: Didn't get a device; finding it now.
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: Selected Device: UsbDevice[mName=/dev/bus/usb/002/003,mVendorId=9472,mProductId=34,mClass=255,mSubclass=0,mProtocol=0,mManufacturerName=Ettus Research LLC,mProductName=USRP B200,mVersion=2.16,mSerialNumber=30BFC51,mConfigurations=[
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbConfiguration[mId=1,mName=null,mAttributes=128,mMaxPower=1,mInterfaces=[
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbInterface[mId=0,mAlternateSetting=0,mName=USRP B200,mClass=255,mSubclass=0,mProtocol=0,mEndpoints=[]
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbInterface[mId=1,mAlternateSetting=0,mName=USRP B200,mClass=255,mSubclass=0,mProtocol=0,mEndpoints=[
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbEndpoint[mAddress=2,mAttributes=2,mMaxPacketSize=512,mInterval=0]]
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbInterface[mId=2,mAlternateSetting=0,mName=USRP B200,mClass=255,mSubclass=0,mProtocol=0,mEndpoints=[
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbEndpoint[mAddress=134,mAttributes=2,mMaxPacketSize=512,mInterval=0]]
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbInterface[mId=3,mAlternateSetting=0,mName=USRP B200,mClass=255,mSubclass=0,mProtocol=0,mEndpoints=[
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbEndpoint[mAddress=4,mAttributes=2,mMaxPacketSize=512,mInterval=0]]
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbInterface[mId=4,mAlternateSetting=0,mName=USRP B200,mClass=255,mSubclass=0,mProtocol=0,mEndpoints=[
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: UsbEndpoint[mAddress=136,mAttributes=2,mMaxPacketSize=512,mInterval=0]]]]
04-22 11:30:01.626 14537 14537 D GrTemplateUSRP: Called Request Permission
04-22 11:30:01.627 14537 14537 D GrTemplateUSRP: Found fd: 22  usbfs_path: /dev/bus/usb
04-22 11:30:01.627 14537 14537 D GrTemplateUSRP: Found vid: 9472  pid: 34

创建UHD USRP Source

现在我们有权限与我们需要与USRP传递的所有信息。 所以现在可以改变流图了，我们可以使用UHD USRP Source block作为源代替sig_source_f。

首先，我们需要将fd和usrpfs_path值传递给流图。将fg.cpp中的函数签名更改为：

JNIEXPORT void JNICALL
Java_org_gnuradio_grtemplateusrp_MainActivity_FgInit(JNIEnv* env,
                                                     jobject thiz,
                                                     int fd, jstring devname)

在声明JNI函数的MainActivity.java中，我们需要添加两个参数：

public native void FgInit(int fd, String usbfs_path);

在SetupRadio中，确保将这些信息作为“FgInit(fd，usbfs_path)”传递。

然后我们提取信息并为usrp_source block格式化设备参数字符串：

#include 
....
  const char *usbfs_path = env->GetStringUTFChars(devname, NULL);
  std::stringstream args;
  args << "uhd,fd=" << fd << ",usbfs_path=" << usbfs_path;
  GR_INFO("fg", boost::str(boost::format("Using UHD args=%1%") % args.str()));
  uhd::stream_args_t stream_args;
  stream_args.cpu_format = "fc32";
  stream_args.otw_format = "sc16";
  ....
  gr::uhd::usrp_source::sptr src;
  ....
  src = gr::uhd::usrp_source::make(args.str(), stream_args);
  src->set_samp_rate(200e3);
  src->set_center_freq(101.1e6);
  src->set_gain(20); // adjust as needed

src现在是一个复杂的源。 所以现在要做的是创建一个简单的流图，如下所示：

usrp_source -> complex_to_real -> multiply_const_ff -> opensl_sink

完整的流图FgInit如下所示：

// Get any GNU Radio headers
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  
// Declare the global virtual machine and top-block objects
JavaVM *vm;
gr::top_block_sptr tb;
extern "C" {
JNIEXPORT void JNICALL
Java_org_gnuradio_grtemplateusrp_MainActivity_FgInit(JNIEnv* env,
                                                     jobject thiz,
                                                     int fd, jstring devname)
{
  GR_INFO("fg", "FgInit Called");
  const char *usbfs_path = env->GetStringUTFChars(devname, NULL);
  std::stringstream args;
  args << "uhd,fd=" << fd << ",usbfs_path=" << usbfs_path;
  GR_INFO("fg", boost::str(boost::format("Using UHD args=%1%") % args.str()));
  uhd::stream_args_t stream_args;
  stream_args.cpu_format = "fc32";
  stream_args.otw_format = "sc16";
  float samp_rate = 48e3;  // 48 kHz
  // Declare our GNU Radio blocks
  gr::uhd::usrp_source::sptr src;
  gr::blocks::complex_to_real::sptr c2r;
  gr::blocks::multiply_const_ff::sptr mult;
  gr::grand::opensl_sink::sptr snk;
  // Construct the objects for every block in the flowgraph
  tb = gr::make_top_block("fg");
  src = gr::uhd::usrp_source::make(args.str(), stream_args);
  c2r = gr::blocks::complex_to_real::make();
  mult = gr::blocks::multiply_const_ff::make(0.0);
  snk = gr::grand::opensl_sink::make(int(samp_rate));
  src->set_samp_rate(200e3);
  src->set_center_freq(101.1e6);
  src->set_gain(20); // adjust as needed
  // Connect up the flowgraph
  tb->connect(src, 0, c2r, 0);
  tb->connect(c2r, 0, mult, 0);
  tb->connect(mult, 0, snk, 0);
}
....

这个流图对USRP没有任何特别的用处，但是应该可以接收静态的了。由于没有设置采样率，频率或增益值的事件，因此传入的与任何真实的东西都没有关系。有关USRP应用更复杂的用法，请查看GrRxFM，它使用USRP接收和解调FM广播信号。且设置滑块来调整频率和增益，以及处理流图中的采样率和比率变化。