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" /> <!-- RTL-SDR -->
<usb-device vendor-id="9472" product-id="2" /> <!-- USRP B100 -->
<usb-device vendor-id="9472" product-id="32" /> <!-- USRP B200/B210 -->
<usb-device vendor-id="9472" product-id="33" /> <!-- USRP B200/B210 -->
<usb-device vendor-id="9472" product-id="34" /> <!-- USRP B200mini -->
<usb-device vendor-id="14627" product-id="30739" /> <!-- NI B200/B210 -->
<usb-device vendor-id="14627" product-id="30740" /> <!-- NI B200/B210 -->
</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 <gnuradio/uhd/usrp_source.h>
....
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 neededsrc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 <gnuradio/top_block.h>
#include <gnuradio/uhd/usrp_source.h>
#include <gnuradio/blocks/complex_to_real.h>
#include <gnuradio/blocks/multiply_const_ff.h>
#include <grand/opensl_sink.h>
// 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。