Linux下GNU Radio平台的搭建以及该如何使用NI USRP设备

GNU Radio是一个开源的软件无线电开发平台，可以通过图形化界面或C++、Python等文本语言快速开发软件无线电应用，本文介绍了Linux下GNU Radio平台的搭建及如何在该平台下使用NI USRP设备。

1. 概念性描述

USRP设备需要固件（firmware image）和FPGA镜像（FPGA image）且版本一致才能正常工作，此二者与上位机使用何种环境：Windows还是Linux无关 [1]，即：同一套固件和镜像不需要更换可在Windows LabVIEW及Linux GNU Radio下使用。

图1 两套环境对比

 

在Windows系统下操作时，可通过NI-USRP Configuration Utility 软件进行固件与FPGA镜像的写入/更新，如图2 。这样，USRP设备就能通过NI-USRP驱动与上位机通信。

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

 

而在Linux GNU Radio下，UHD驱动代替了NI-USRP驱动的工作 [2]。可以通过运行 uhd_images_downloader 从网上下载镜像到本地，uhd_image_loader 更新镜像，之后会详细描述。

2. 环境搭建

2.1 安装Ubuntu系统
我们常用的电脑都是Windows系统的，有两种方法在电脑上运行Linux。第一种方法是安装双系统，第二种方法是安装虚拟机并在虚拟机中安装Linux，由于方法二不需要额外分区、更改BIOS等操作、在操作不当时也不会导致Windows的崩溃，因此选用方法二。

这里使用了常见的虚拟机软件 VMware Workstation。在以下链接中可以下载Ubuntu 16.04：https://www.ubuntu.com/download/desktop Ubuntu是一个Linux常用的发行版。下载到的文件是Ubuntu系统的镜像.iso文件，在VMware中选择File – New Virtual Machine 按照提示一步步点击下一步即可，在配置虚拟机硬件时，CPU数及CPU核心数与实际CPU一致即可，内存可设的稍大一些，我设置了8G内存（共16G物理内存），硬盘设置40G（装完Ubuntu系统、安装完GNU Radio的所有依赖软件后实际使用了8.1G）。

启动虚拟机，按照第一次启动向导简单配置Ubuntu，进入桌面后点击左上角的图标，搜索terminal即命令行工具，如图3 。

图3 找到Ubuntu的命令行工具

 

打开命令行工具，输入
sudo passwd回车

设置管理员（Supper User）密码即root密码，在用户设置密码之前，Ubuntu每次开机会产生一个随机的root密码。注意，输密码时不会显示“****”，而是什么字符也不显示，这一点和我们一般的认知很不一样！

系统提示再次输入密码，第二次输入密码并确认、两次一致后密码设置成功。接下来输入
sudo apt-get update回车

更新源，会提示输入管理员密码，输入刚才设置的管理员密码后点回车。之后输入（或复制粘贴，请勿使用Ctrl C + V的快捷键，而是鼠标右键在命令行窗口中单击 – 选择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回车

大约会下载1个多G的依赖库和软件。等待其下载完成后，下载编译安装UHD驱动。

2.2 安装UHD驱动
UHD驱动是以源码形式提供的。在命令行中输入
git clone https://github.com/EttusResearch/uhd回车

会将uhd源码拷贝到HOME路径下，转到该路径并新建build目录
cd uhd回车
cd host回车
mkdir build回车
cd build回车

输入
cmake ../回车

产生Makefile，输入
make回车

编译源码，大约需要10-30min时间，可以通过开启多线程编译可大大缩短编译时间，用make -j4 代替make即可，就会启用4个线程同时编译，但也不是越多越好，一般和计算机CPU线程数或虚拟机CPU线程数一致即可。如编译中途死机（虚拟机可能会出现、由于内存不足），重新来过时会接着之前的编译进度继续。之后安装编译成功的库，输入
make test回车
sudo make install回车

更新共享库和环境变量
sudo ldconfig回车

export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib回车

此时UHD驱动已经安装完毕，可通过输入
uhd_find_devices回车

查看驱动的版本，若在同一子网中已有USRP设备，可看到USRP设备的信息，如图4

图4 验证UHD安装情况

 

一个小技巧：在输入上条命令时输入uhd_fin之后按Tab键看看会发生什么……自动填充！对于输一些比较长的命令时可以通过自动填充功能降低拼写错误，省时省力。

在找到设备的情况下，可运行以下程序查看CDMA移动电话的上行频谱
uhd_fft -a addr=10.144.97.123 -f 835M -s 10M回车

图5 UHD FFT测试程序

 

注意，若USRP中的镜像和UHD版本不匹配的话，无法直接运行上述测试程序，可以通过更新firmware image 和 FPGA image使之匹配。更新方法见第3节。

2.3 安装GNU Radio
安装GNU Radio与安装UHD驱动的步骤类似。
首先回到home路径
cd $HOME回车
之后下载GNU Radio源码
git clone --recursive https://github.com/gnuradio/gnuradio回车

下载完成后新建build目录
cd gnuradio回车
mkdir build回车
cd build回车

生成Makefile并编译安装
cmake ../ 回车
make回车
make test回车
sudo make install回车
sudo ldconfig回车

完成后，可以测试安装是否正确，输入
gnuradio-companion回车
GNU Radio 开发环境应当可以正确打开。至此，环境搭建完成[3] 。

3. 运行一个GNU Radio程序

3.1 修改USRP IP地址并连接
这里使用的是USRP-2922，USRP设备使用固定IP，默认IP是192.168.10.2 。首先将USRP设备通过网线直连至PC，设置PC的ip为192.168.10.1，子网掩码255.255.255.0，在Windows下可通过NI-USRP Configuration Utility软件修改USRP设备的IP。在本次验证中，使用了超过1台的USRP，需要通过交换机和上位机通信，在处于同一个子网的PC上查看PC的IP地址：windows徽标键+R -> 输入cmd回车 -> 输入ipconfig回车，找到自己的本地网卡的IPv4地址，如10.144.97.17，将两台USRP的IP设置到同一个子网下，如10.144.97.123和10.144.97.124 。

在Linux下可通过以下方法修改设备IP [4] ，cd 到/usr/local/lib/uhd/utils目录下，运行
sudo ./usrp2_recovery.py --ifc=eth0 --new-ip=10.144.97.123回车

以上方法需要防火墙允许UDP广播。需要注意的是，在虚拟机中运行Linux的话，需要将虚拟机的网卡配置为直连或者与主机共用IP。

图6 虚拟机网卡配置

 

设置IP后，可以ping一下USRP，命令行输入：
ping 10.144.97.123回车

此时应当看到ping通的信息，按Ctrl + Z可以退出ping的状态。

3.2 更新firmware image和FPGA image
如开篇所述，这两个镜像在Windows和Linux下是通用的，只要版本和驱动版本一致即可。NI-USRP 15.5提供的镜像和UHD 3.11.0提供的镜像是一致的。如果你的USRP在Windows下更新过镜像，可以跳过这一步。

在Ubuntu命令行中输入：
sudo uhd_images_downloader回车

这样可以自动地将网络上合适的镜像下载到本地计算机中。

再输入
uhd_image_loader --args="type=usrp2,addr=,reset"回车
将镜像下载到USRP设备中并重启设备，这里的镜像是自动选择版本的。

3.3在GNU Radio中编程
首先，在命令行中输入
gnuradio-companion回车
运行GNU Radio开发环境，该环境也是使用图形化模块编程的，详细使用教程可以在网络上搜索。这里可以编写一个程序，在两台USRP-2922之间传文件。使用随机自带的天线，工作在915M ISM频段上。也可通过衰减器将两个USRP的TX/RX接口直连。注意：使用USRP发射无线电信号需遵守当地相关法律法规。

图7 一个GRC程序

图8 程序运行界面

图9 程序运行结果

 

相关链接:
[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