了解和使用GNU Radio软件的功能并制作蓝牙抓包器

背景

在上一小节中，我们简单介绍和使用了GNU Radio软件的基础功能和模块，同时通过GNU Radio Companion（GRC）创建了简单的流程图，展示了信号生成、处理和输出的流程。最后通过制作一个FM receiver来加深对GNU Radio的了解。在这一小节中我们将更加深入的了解和使用GNU Radio软件的功能，并制作一个简单的蓝牙抓包器。

GNU Radio使用

Bits的打包和解包

Bits的打包与解包对于表示二进制数据（与数字化 RF 样本相对）以及使用调制器模块（Constellation调制器、GFSK 调制器和 OFDM 发射器）非常有用。我们创建一个新流程图并将 Random Source 模块添加到工作区，把他的输出设置为byte，此时输出端口由紫色显示。

然后将 Throttle、Pack K Bits、Char to Float 和 QT GUI Histogram Sink 模块按照下图添加到流程图并连接它们：

编辑 Pack K Bits 的属性，设置K为4

编辑QT GUI Histogram Sink的属性，设置Number of Bins: 1024，Max x-axis: 16。

编辑另一个QT GUI Histogram Sink的属性，设置Number of Bins: 1024，Max x-axis: 16。

此时我们开始运行流程图， 4 Bit的直方图显示 0 到 15 的值，而1 Bit的直方图显示 0 和 1 的值 。

随后我们将 Unpack K Bits 模块添加到工作区，并将其连接在 Pack K Bits 模块和 Char to Float 模块之间。编辑 Unpack K Bits 模块属性并输入 K: 4，流程图如下。

此时如果我们运行一下，就会得出上面框图是0-15的数值范围，下面的1bit只有0和1。

流和向量

GNU Radio 中的块可以使用流或向量进行连接。流为每个时间单位携带 1 个实例样本，且必须具有数据类型，例如 Float 32 或 Byte。向量是能够在单个时间实例中携带多个采样，代表了多个数据的平行存在。GRC 使用较浅的颜色表示流，使用较暗的颜色表示向量。我们用下面的流程图来更深刻的理解一下流，第一个数据源是一个1k的cosine函数，这个输出的stream类型的数据就是数据流。然后我们使用节流阀进行一个流量控制，然后可以将这个流送到一个QT GUI Time Sink中来展示出来。运行效果如下：

然后我们将第一个流程图的信号源复制出三份，然后分别将它们的输出类型设置成complex、float和short。此时我们可以用一个stream to vector的，将流转化为向量，我们可以收集128个数据，然后合成一个向量。

此时运行效果如下：

我们使用一个流转成向量的典型例子，更形象地展示一下。下面这个流程图引入了两个数据源，一个是1KHz的cosine信号源，另一个是100Hz的cosine信号源，然后第一个信号源设置浮动为正负1，第二个信号源设置浮动为正负0.1，相当于我们有两个数据流，此时我们用一个strings to vector，把俩个数据源的流留合成为一个向量，然后接着我们再把合成的向量转换成一个数据，然后把它显示出来。

我们可以运行流程图查看一下效果，第一个是我们的100Hz的cosine信号源正负0.1的效果图，第二个是1KHz的cosine信号源正负1的一个数据源。第三个图为把两个交替信号源显示的效果图。

类似byte的打包解包，我们可以用vector to stream模块将两个stream打包成一个vector，那我们也可以利用vector to streams模块将数据拆解回原来的样子。下面流程图中，两个数据源经过streams to vector，然后打包把它先显示出来，然后调用Vector to Streams 模块反序列化向量样本并将其转换为流，执行与Streams to Vector 模块的相反操作。

我们可以运行流程图查看一下效果，此时经过打包之后的一个合成数据源已分为两个流：

层次块

当我们想要在设计其他流程图中，如何自己设计一个模块并使用呢？这时就用到了层次块。在GNU Radio Companion软件中点击就File-New-Hier Block，即可创建层次块流程图。在新的 GRC 选项卡中创建流程图如下：

双击选项块并编辑属性，设置Id: FrequencyShifter，Title: Frequency Shifter Block。

此时我们需要注意变量与 GNU Radio 中的参数不同。参数为 hier 块创建一个接口以接受来自外部源的值，而变量仅存在于 hier 块内部。

例如， samp_rate 变量只能从 hier 块内访问。

那么我们就需要删除 samp_rate 变量，将其替换成为参数，我们将俩个参数块添加到 GRC 工作区中，以便可以从较大流程图中的另一个块进行更新。

设置第一个参数属性：Id: samp_rate，Label: Sample Rate，Type: Float

设置第二个参数属性：Id: frequency，Label: Frequency，Type: float

流程图设置完成后，需要generate保存。但是此时从右侧功能模块中搜索，并不能搜索到我们保存的层次块。

我们需要单击重新加载块按钮，此时再次从右侧功能模块中搜索，就可以搜索到我们保存的层次块了。

创建一个python块

python块是什么功能呢，我们要实现一个功能块，它可以中有多个输入，并且会根据属性中的特定参数进行相应处理。通常，Python 块有两个属性：代码（代码，一个点击框，其中包含该块的 Python 代码的链接）和参数（块的输入参数）。在下面的例子中，我们要实现一个可以实现输入相加或者相乘的一个块。该功能块的参数可以决定是相加还是相乘。我们搜索 Python 块并将其添加到工作区：

单击 Open in Editor 编辑 Python 代码：

此时编辑器窗口中会显示 Python 块的 Python 代码：

注意：__init__() 和 work() 函数必须符合 GNU Radio 软件框架的规则和期望进行修改，该框架控制块输入和输出之间的数据传输。

我们可以在编辑器菜单中选择“查找和替换”，将默认example_param参数重命名以方便我们自己查看，这里我全部替换为additionFlag。

接下来就是修改功能实现部分了，该python文件中定义了默认块有一个输入和一个输出，但是我们需要该块的两个输入，我们需要将第二个 np.complex64 添加到 in_sig列表中。同时，python块在处理条件分支时，处理逻辑分别为加和乘，那么我们需要修改work函数。最终修改的代码如下：

根据我们设计的逻辑，在“加法”或“乘法”模块中参数选择“True”处理逻辑为两个信号源的相加。运行流程图给出以下两个图：

当我们设置参数为 Additionflag 属性输入 False，处理逻辑为相乘。这时两个复数正弦曲线相乘会在两个频率之和处产生一个正弦曲线。因此，频率为 1,000 的信号源与频率 3,000 的乘积是频率为 4,000 的复正弦曲线。运行流程图时可以看到这个复杂的正弦曲线：

实验：制作一个简单的蓝牙抓包器

实验的github仓库地址为"https://github.com/oldprogram/sdr4iot-ble-rx"，该工具可以捕获的 BLE 数据包并通过命名管道 (FIFO) 直接显示在 Wireshark 中。我们使用Gnu Radio 用于接收和解调传入的 BLE 数据包。我们打开仓库中的流程图进行查看，流程为使用hackrf one设备收集到的数据，然后送到一个阈值滤波，-70的db的一个阈值滤波进行静噪和滤波。再送到GFSK模块(蓝牙的一种调制方式为GFSK)中进行个解码，解码后的数据再进行一个打包。然后数据会通过ZMQ模块(ZMQ模块，下小节中会进行讲解)pub出去。这样我们就可以用这个流程图实现一个功能，就是拿到了蓝牙最原始的GFSK数据包，并把它解出来就拿到蓝牙的物理层级别的数据。那接下来再写一个数据链路层的一个数据包的解析(ble_dump.py文件实现此功能，下一小节中讲解)，就能把蓝牙的广播包提取出来。

我们打开终端，运行下面的命令进行蓝牙抓包：

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

抓包效果如下：

总结

这一小节，我们更加深入的了解和使用GNU Radio软件的功能，同时对流程图基础知识也有了更好的拓展。从这一小节开始我们将接触与python的交互，方便我们更加高效和快捷的使用GNU Radio。在下一小节中，我们会学习ZMQ模块的使用以及蓝牙抓包器的原理。