LimeSDR官方系列教程（六）：使用Pothos和GNU Radio接收ASK/OOK信号

2024-02-01 11:02:22

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温馨提示：“开源SDR实验室”是北京的。

在本节，我们将研究接收和发送单极性不归零码序列的ASK信号，即把一个幅度取为0，另一个幅度为非0，这通常称为开关键控（OOK），该调制方式是经常用于门铃和车库门遥控器中。如果您要进行这个实验，则需要一些额外的硬件，并且需要433MHz（UHF）ASK/OOK设备，比如：车库门遥控器钥匙扣（以下简称钥匙扣）。

一、ASK

ASK是一种最简单的调制技术。实现ASK调制最简单的一个方式是发射一个固定的音调表示1，不发射表示0，即开和关，这就是OOK。其中的音调通常成为载波频率，在本次实验中，使用的载波频率即为433.9MHz。二进制启闭键控（OOK：On-Off Keying）又名二进制振幅键控（2ASK），它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。该调制方式的出现比模拟调制方式还早，Morse码的无线电传输就是使用该调制方式。由于OOK的抗噪声性能不如其他调制方式，所以该调制方式在卫星通信、数字微波通信中没有被采用，但是由于该调制方式的实现简单，在光纤通信系统中，振幅键控方式却获得广泛应用。该调制方式的分析方法是基本的，因而可从OOK调制方式入门来研究数字调制的基本理论。（百度百科：https://baike.baidu.com/item/ook/9996982?fr=aladdin）

正如上文所述，这可以看做是一个非常简单的通信协议——如此简单，可以在足够快的示波器上直接观察到并通过我们的眼睛进行解码。

根据无线电接收的实际情况，我们的通信电路需要时间来锁定和调整频率/增益。SDR和传统电路均是如此。以钥匙扣为例：这些钥匙扣的发射频率通常有点“松动”，即中心频率可能会漂移。

1、频率偏移

频偏在模拟电路中可以通过某种形式的控制环路锁定到载波，并调整接收电路使其匹配来解决，其中PLL或简单的自谐振电路是常见的解决方案，其解决的总体方案的工作原理是相同的。在SDR中可以以相同的方式来解决此问题，或者以牺牲数字滤波或同频抑制为代价，而频漂可以在某种程度上忽略它。我们假设接收设备具有足够的捕获带宽，而实际上，使用合适的接收器，ASK可以很好地抵抗频率漂移和相位变化，因此通常不必担心频漂这个问题。

2、增益

无论是在传统电路和SDR电路中，幅度都是一个值得关注的问题。通常情况将需要通过某种形式的增益控制来对其进行处理，其中AGC（自动增益控制）是最好的方式，不够也可以对其进行手动设置。在硬件中，这可以通过调节LNA来解决，而在软件中，则可以对信号乘以相应的放大倍数，这两种方式都有其优点。

3、前导码

为了锁定信号及其增益，我们的设备不能在接收到载波后的皮秒级时间内开始接收数据，因为增益控制和频率控制都需要时间来锁定。解决方案是产生一个前导码-简单来说，就是给予一段信号周期，该信号周期将允许接收机在传递实际数据之前将其锁定。该技术不仅限于RF通信，您正在阅读此技术的计算机可能都要每秒执行百万/十亿次的前导信号周期，因为DDR RAM需要PLL来锁定时间（就像RF接收器一样）。

二、确定中心频率

我们将使用从eBay购买的无线钥匙扣作为ASK信号的来源并进行解码。在欧洲，这些钥匙扣通常使用免许可的433MHz频段【这是翻译的原文，我们可以用自己的无线车钥匙或者家里用的无线门铃】。但是，如果想要做到有效解码，我们还需要找到该频段下的确切频率。

使用LimeSuiteGUI，这个问题就迎刃而解了，我们可以使用“FFT viewer”来检测信号传输的频率。在“SXR”选项卡中的频率更改为433MHz，我们可以获得FFT，当按下钥匙扣的按键时，应该可以观察到该频段内出现了一个新的峰值。通过重新调谐直到这个新的波峰位于中心，我们可以找到确切的频率。图中可以看出我们的频率为433.9MHz。

三、接收信号程序设计

如上图所示，非常容易理解到接收信号的主要过程：信号在接收部分或数字域（或两者）中需要获得一些增益，然后经过解调部分，我们就可以将数据从信号中解调出来。由于我们在上文中已经对Pothos已经所有了解，现在我们就利用它来实现。第一步，通过添加SDR设备源（具有频率控制功能）和“Wave Monitor”，我们就拥有了接收所有ASK信号的一个最简单的设备。第二步，将调谐控件参数设置为433.9MHz并按下遥控钥匙扣的按钮，此时我们就能看到出现了一些微小的波形改变。因为这是设计的一种最简单的接收器中，所以性能不是很好，还有进一步改进的空间。比如，我们对信号需要一些增益的处理，此时添加一个“Periodogram”是个好主意。这与频谱分析仪给出的图相同。当我们的信号开始随着增益的改变而失真时，我们想看到一个信号的频谱图，以此来估计信号失真的严重程度。理想情况下，在信号传输过程中。我们希望信号开始出现失真（例如出现超过1个峰值）之前获得最大增益。在我们的例子中，20dB是比较理想的，随着增益进一步增加，信号开始出现失真。使用时序的波形图时，我们可以看到中心频率处有一个很大的尖峰。这是RF信号的DC（直流）分量。我们可以使用“DC remove”模块将其消除。接着往下看，此时信号仍然有点微弱，因此我们可以：

以数字方式增加信号的增益
增加图形的视觉增益

对波形进行进一步的放大会增加视觉效果，但效果有待您去进一步评估。“Wave Monitor”具有用于对波形进行缩放的“轴”控制，尽管这不是解调波形的好方法，因为它需要缓慢的人机界面，即使最快的智能示波器也很难解调信号，并且会丢失很多信号。那么，让我们来解决这些问题。为了获得增益，我们添加了一个乘法器以将信号放大20倍。从简单的解码方法“Envelope Detector”开始，使用此控件的主要目的在于检测载波包络（打开时）并将其转换为数字输出。

在“normal”模式下添加“Wave Trigger”，我们可以观察到信号（类似于示波器）。可以在“Wave Trigger”和“Wave Monitor”上调整点数，以查看整个传输信号的细节。如果钥匙扣的code是静态的，则足以手动解码或将码序列保存到文件。此时，我们就拥有了一个简单但有效的ASK接收器了。

四、GNU Radio

到目前为止，我们还未谈到GNU Radio。其实，Pothos与GNU Radio的联系非常紧密，在许多方面都相似，并且还能够与GNU Radio结合使用。使用了Pothos GUI之后，GNU Radio Companion GUI应该会感到很熟悉。如果尚未安装，请立即安装。（具体安装方法可参考开源SDR实验室博客）就像Pothos一样，我们解调信号的流程是相同的：Radio->Gain->Demod->Analysis。要将LimeSDR与GNU Radio一起使用，我们需要使用“osmocom Source”并将设备参数设置为“driver=lime，soapy=0”。【其实，早就有了gr-limesdr，推荐大家安装使用】https://wiki.myriadrf.org/Gr-limesdr_Plugin_for_GNURadio

说到这里，我们需要指出GNU Radio与Pothos的一些重要区别。在GNU Radio中，建立一个新文件，我们会自动得到2个模块。第一个是“Variable（变量）”模块，该模块将“sample_rate”定义为一个变量，它定义的采样率被程序中的所有控件使用。另一个是“Options（选项）”，其中包含一些设置选项。我们需要将采样率更改为1e6（1Msample/s），将“Generate options”更改为WX（双击该模块即可）。 QT/WX是不同的可视化，并且由于我们要在程序中使用的模块多数在多数在WX的规范下，因此需要更改为WX。使用GNU Radio，我们有很多方法可以重新生成在Pothos中生成的ASK波形。我们使用了下面这些模块的某种组合：

DC blocking block
RMS block
thresholds block
Freq Xlating FIR Filter
AM modulation block
Clock Recovery MM

鉴于我们的目标是设计ASK解码设备，因此我们采取最方便的方法。就此而言，使用“Clock Recovery Module”是将数据恢复为二进制数据并保存到文件的最佳方案。我们发现这是一个设计很复杂的模块，因此，可以肯定下面的配置不是最优的，要想充分利用该模块并不容易。我们调整的唯一参数是“omega”值。经过一些反复试验，我们选择了可接受的初始值为18。我们的采样率为1Msample/sec。这是一个“悬空手指”（finger in the air）的猜测，因为我们尚不知道最终的符号率。请注意，如果使用“Wave Trigger”，则采样率现在变为“samp_rate/samp_per_sym”。

当我们下变频之后，时钟恢复模块对我们来说效果会更好。这可以通过使用“AM modulation block”来实现。另一种方法是使用“RMS block”创建一个包络检测器，并将其与“Clock Recovery Module”一起使用，波形需要通过添加负常数来补偿零附近的偏差，最后再添加一个“binary slicer”和一个“file sink”，来实现数据的存储。是不是很惊讶，如此步骤竟然实现了对ASK信号的解码！