GNU Radio系列教程（六）：初级篇之GNU Radio GRC 硬件使用实例之信号频谱分析

在使用GNU Radio来做的一些接收程序中，最具代表性的一个就是频谱分析仪程序。这个程序可以用来验证你的设备是否可以正常工作。

需要具备的基础知识：

GNU Radio系列教程（二）：初级篇之GNU Radio介绍

GNU Radio系列教程（三）：初级篇之GNU Radio GRC流图

GNU Radio系列教程（四）：初级篇之GNU Radio GRC采样率

目录

一、我需要做什么？

二、搭建一个频谱分析仪的简易流图程序

三、调节QT GUI Sink模块中的参数观察信号变化情况

四、不同设备的FM接收机实例

五、有用链接和联系方式

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一、我需要做什么？

目前市面上有多种软件无线电开发板（或者也可以称为平台，更高大上一些），例如USRP系列、HackRF One、RTL-SDR、LimeSDR、BladeRF（目前最新版本2.0叫xA4和xA9，之前的第一代有x40）、PlutoSDR等等。这些软件无线电开发板价格不等，性能不等。具体可以参见下表。你需要做的就是根据你的需求，根据这里的硬件参数，来选择一款适合你的开发板。

	XTRX CS	XTRX Pro	USRP B2x0	bladeRF	bladeRF Micro 2.0	LimeSDR	LimeSDR Mini	RTL-SDR R820T2	RTL-SDR E4000	ADALM-Pluto	New Horizons	Hack RF One
Tuning range	30 MHz - 3.7 GHz	30 MHz - 3.7 GHz	70 MHz - 6 GHz	300 MHz - 3.8 GHz	47 Mhz - 6 Ghz	30 MHz - 3.8 GHz	10 MHz - 3.5 GHz	22 MHz - 2.2 GHz	65 MHz - 2300 MHz, gap@1100 MHz	325 MHz - 3800 MHz	70 MHz - 6 GHz	1 MHz - 6000 MHz
Duplex	Full MIMO	Full MIMO	Full MIMO	Full SISO	Full MIMO	Full MIMO	Full SISO	RX only	Rx only	Full SISO	Full MIMI	SISO Half Duplex
ADC/DAC resolution	12-bit	12-bit	12-bit	12-bit	12-bit	12-bit	12-bit	8-bit	8-bit	12-bit	12-bit	8-bit
Max RF bandwidth	120 MHz	120 MHz	56 MHz	28 MHz	56 Mhz	61.44 MHz	30.72 MHz	3.2 Mhz		20 MHz *limited by USB 2.0 and software to ~4Mhz	56 MHz / CH
Rx Noise Figure dB										<3.5
Channels	2	2	1 (2 for B210)	1	2	2	1	1 Rx only	1 Rx only	1	2	1 Half Duplex
Transmit power	0 to 10dBm	0 to 10dBm	10dBm+	6dBm	8dBm	0 to 10dBm	0 to 10dBm	none	none	7 dBm	9.7	0 - 15 dBm freq dependent
RF chipset	LMS7002M	LMS7002M	AD9364 or AD9361	LMS6002M	AD9361	LMS7002M	LMS7002M	R820T2	E4000	AD9363	AD9361	MAX 2837/Max5864
FPGA	Xilinx Artix7 35T	Xilinx Artix7 50T	Xilinx XC6SLX75	Altera 40KLE/115KLE	Intel Cyclone V	Altera 40KLE	Altera MAX 10	none	None	Xilinx Zynq 7000	Zync-7020	XC2C64A-7VQ100C CPLD
FPGA Gates, DSP slices	33k, 90 DSP	52k, 120 DPS	75k, 132 DSP	40K, 58 DSP opt 115k	49-301k, 66-342DSP	40K, 58 DSP	16k, 45 mult	0, 0	0, 0	28k	85k	64 Macro cell
Industrial temperature range	no	yes	no	Optional	Optional	no	no	no	no	10-40C
Temperature sensors	yes	yes	no	no	yes	yes	no	no	No
Frequency stability	±0.5 w/o <±0.01 ppm w/GPS	±0.1 w/o <±0.01 ppm w/GPS	±2 ppm	±1 ppm	±2.5 ppm	±2.5 ppm	±2.5 ppm	±0.5-25 ppm options	±0.5-25 ppm options	± 25 ppm	± 15 ppm
TCXO					VCTCXO		VCTCXO	Optional	Optional		VCTCXO 40MHZ (W/16bit DAC 0.2PPM max)	opt. 0.5ppm TXCO
GPS synchronization	on board	on board	Addon (+$636)	no	no	no	no	no	no	No	optional expansion	No
Bus/interface	PCIe, opt USB 3 adapter $85	PCIe, opt USB 3 adapter $85	USB 3	USB 3	USB 3	USB 3	USB 3	USB 2	USB 2	USB 2.0 OTG	USB 2.0+ETH	USB 2.0 HS
CPU/Bus Interface					Cypress FX3	CY3014		RTL2832U	RTL2832U	Dual A9,667MHz,		LPC4320
Raw bus bandwidth	10 Gbit/s	10 Gbit/s	5 Gbit/s	5 Gbit/s	5 Gbit/sec	5 Gbit/s	5 Gbit/s	480 Mbit/s	480 Mbit/s	480 Mbits/s	480 MBit/s 1000 MB/s (ETH)	480 MBit/s
Dimensions	30 × 51 mm	30 × 51 mm	97 x 155 mm	87 x 131 mm	63 x 102 mm	100 x 60 mm	69 x 31.4 mm	40 x 60 mm typical	40 x 60 mm typical	117 x 79 mm	75mm*102mm
Extra features	GPIO, GPS, SIM card	GPIO, GPS, SIM card	GPIO	GPIO		GPIO	GPIO	SMA optional	SMA optional		optional LCD, GPS	GPIO, RTC, opt case LCD
Clock Sync	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes, In/Out, Ref	Yes, In/Out	Yes, In	No	No		connector	In/Out
Time stamp Sync	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	No	No	No	No
Bias T	No	No	No	Yes	Optional	No	No	Optional	Optional			No
ANT/CLK Connectors					2Rx/2Tx + 3CLK U.FL	6 Rx/4Tx+2CLK U.FL	2 SMA, 1 U.FL Clk	Chip optional SMA	Chip optional SMA	SMA x 2	4 SMA (1 SMA opt GPS)	1 ANT + 2 CLK SMA
Price - typical US$	$260	$490	$686 - $1,119 2 CH clones ~$715	$415	$480-$720	$299	$139	$10 - $40	$10 - $40	$249	$642+$220 expansion	$300 official, down to ~$90 PCBA clones

二、搭建一个频谱分析仪的简易流图程序

在以下的例子中，我们使用了USRP B系列设备（B200/B210/B200mini/B205mini等，支持的频段为70MHz-6GHz，最大采样率为56MHz），因此流图程序中使用了UHD:USRP Source模块来接收无线信号。为了正常使用UHD模块，你需要确保你电脑中正确安装了UHD程序。具体的安装方法可以参见，

https://kb.ettus.com/Building_and_Installing_the_USRP_Open-Source_Toolchain_(UHD_and_GNU_Radio)_on_Linux

按照下图，搭建流图程序这里用的是GRCv3.8）。

其中UHD:USRP Source模块中的参数设置如下：

我们需要把UHD:USRP Source模块中的“RF Options”栏中的“Ch0 AGC”（即自动增益控制）设置为“Disable”，这是因为，我们平时接收信号时，环境中在指定的频段上是无有用信号的，如果我们开启了AGC自动增益控制选项的话，则会导致设备自动调节增益，我们无法辨识是否有信号存在。只有当你明确知道在某个指定频段上，确实有信号时，你才需要通过开始AGC自动增益控制功能来提高接收信号的质量。

三、调节QT GUI Sink模块中的参数观察信号变化情况

设置“QT GUI Sink”模块中的以下参数：

（1）Center Frequency (Hz): 可以通过界面中的“Frequency”滑动按钮来调节接收频率值。

（2）Bandwidth (Hz): samp_rate，采样率，可以通过界面中的“Sample Rate”滑动按钮来调节采样值。

（3）Show RF Freq: Yes，

在信号波形显示界面中，你可以调节信号接收频率和采样率的数值。如果你勾选了“Display RF Frequency”的话，则在“Frequency Display”和“Waterfall Display”选项卡中，会显示实际的信号接收频率。具体对比如下几个图形。

未勾选“Display RF Frequency”时，

勾选“Display RF Frequency”时，

记住一点，从USRP设备传输给电脑的IQ数据已经是基带信号了，也就是中心频率是0Hz，因为这个信号是在通过设备下变频处理之前已经进行了AD转换的基带信号。该示例中使用的GRC是v3.8版本，相对于v3.7版本来说，有一定的更新。其中，“QT GUI Sink”模块的“Freq”与“UHD:USRP Source”模块的“command”相连，这样之后，你可以通过在“Frequency Display”和“Waterfall Display”选项卡的信号显示区域中，通过双击某个频率来调节USRP的实际接收频率，就类似于你在Gqrx软件或者SDRsharp软件中，你通过鼠标来调节设备的实际接收频率一样。并且，在你双击某个频率之前，你的鼠标放在某个频率处，界面上就会显示出来当前的频率值。

你可以通过调节采样率来调整接收信号界面的频谱宽度，也就是红框中的频率范围。例如当前采样率是3.84MHz，那么这个红框中的频率范围就是3.84MHz。这个红框中的频率范围是与采样率相等的。

在使用GNU Radio GRC的时候，经常会碰到下图中的“工作空间”栏这里，连续出现U、O、 aU或者aO的情况。

输 出 O U u a 的意义当运行 gnu radio 程序时，会有时看见 O U u a 字符出现在屏幕上。这一般当数据从 USRP 到 PC 机数据输到硬件的时候PC数据速率跟不上。

输 出 "O" "U" "u" "a" 的意义

当运行 gnu radio 程序时，会有时看见 "O" "U" "u" "a" 字符出现在屏幕上。这一般当数据从 USRP 到 PC 机数据传输停止或什么事情发生时会出现。

（1）"u" = USRP

（2）"a" = audio (声卡)

（3）"O" = overrun （PC 无法同步地接受来自 USRP 或 声卡的数据 - PC not keeping up with received data from usrp or audio card）

（4）"U" = underrun（PC 无法快速的提供数据 - PC not providing data quickly enough）

（5）aUaU == audio underrun （PC 无法快速地给“漏”- 声卡提供数据 - not enough samples ready to send to sound                           card sink）

（6）uUuU == USRP underrun （PC 无法快速地给“漏”- USRP提供数据 - not enough sample ready to send to USRP                          sink）

（7）uOuO == USRP overrun （USRP 采样掉链源于它没有及时准备到位 - USRP samples dropped because they weren't read in time）

四、不同设备的FM接收机实例

USRP FM Receiver

PlutoSDR FM Receiver

FunCubePro+ FM Receiver

RTL-SDR FM Receiver

对于声音相关的处理，可以参见Audio_Sink模块。

五、有用链接和联系方式

https://wiki.gnuradio.org/index.php/Guided_Tutorial_Hardware_Considerations

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