SDR（软件无线电）：基于AD9361的宽带收发系统在GNU Radio中的流图设计与信号捕获

在通信侦察、电子对抗等宽带应用中，AD9361（集成式RF捷变收发器）凭借其70 MHz至6 GHz的频率覆盖与56 MHz的瞬时带宽，成为SDR系统的理想前端。本文将探讨如何利用GNU Radio快速构建AD9361的收发流图，并实现宽带信号的实时捕获与分析。

一、硬件架构：AD9361与Host的桥接

典型的AD9361 SDR平台（如ADALM-PLUTO或Zynq+AD9361定制板）通常采用“前端数字化+主机处理”的架构：

1.  AD9361：负责射频下变频（RF→Baseband）、ADC/DAC及AGC。

2.  FPGA：实现JESD204B接口时序、DDC/DUC（数字上下变频）及DMA数据传输。

3.  Host PC：运行GNU Radio，通过libiio驱动与硬件交互，进行信号处理和可视化。

二、GNU Radio流图设计：从射频到基带

在GNU Radio Companion (GRC) 中，我们通过模块化连接构建信号处理链。

2.1 接收（Rx）流图核心模块

一个标准的宽带捕获流图包含以下关键模块：

1.  IIO Device Source：这是与AD9361交互的核心模块。

   ◦   URI：指向硬件（如ip:192.168.2.1或usb:）。

   ◦   Device：选择ad9361-phy。

   ◦   Buffer Size：设置为65536以获得更大的捕获窗口。

   ◦   Sampling Rate：设置为AD9361的输出速率（如30.72 MSPS）。

   ◦   LO Frequency：设置射频中心频率（如2.4 GHz）。

   ◦   Gain Mode：通常选择manual，手动设置Rx增益。

2.  Frequency Xlating FIR Filter（频移滤波器）：

   ◦   用于将宽带信号搬移到基带。设置Decimation为2或4以降低CPU负载，Center Frequency设为信号在接收带宽内的偏移量。

3.  Rational Resampler（有理重采样）：

   ◦   将AD9361的高采样率转换为GNU Radio易于处理的速率（如2 MSPS），便于后续分析。

4.  QT GUI Sink（显示模块）：

   ◦   使用Frequency Sink查看频谱，Time Sink查看时域波形，Constellation Sink查看星座图。

2.2 发射（Tx）流图核心模块

1.  Signal Source：生成要发射的信号（如CW、QPSK、LTE信号）。

2.  Rational Resampler：将低采样率信号插值到AD9361所需的Tx采样率。

3.  IIO Device Sink：与Source模块对应，负责将处理后的IQ数据通过DMA发送给AD9361进行上变频和发射。

三、宽带信号捕获实战：Python Snippet与文件存储

GNU Radio擅长实时处理，但对于宽带信号的“记录与回放”（Record & Playback），我们通常需要借助Python Snippet或File Sink。

3.1 使用Python Snippet进行实时捕获

在GNU Radio流图中插入Python Snippet模块，编写回调函数处理IQ数据。

# GNU Radio Python Snippet: capture_callback

# 该函数在每次接收到指定长度的数据块时被调用

import numpy as np

import datetime

import os

# 全局变量，用于控制捕获逻辑

capture_enabled = False

capture_count = 0

MAX_CAPTURES = 10

def capture_callback(data):

   """

   data: 输入的numpy数组，形状为 (num_channels, num_samples)

         对于AD9361，通常是 (2, N)，即I/Q两路

   """

   global capture_enabled, capture_count

   if not capture_enabled:

       # 可以通过其他逻辑（如检测到特定信号）触发

       # 这里简化为手动触发或定时触发

       return

   if capture_count >= MAX_CAPTURES:

       print("Capture limit reached.")

       capture_enabled = False

       return

   # 提取IQ数据 (假设第一路是I，第二路是Q)

   iq_data = data[0] + 1j * data[1]

   # 生成文件名，包含时间戳

   timestamp = datetime.datetime.now().strftime("%Y%m%d_%H%M%S")

   filename = f"/data/captures/adc_capture_{timestamp}.bin"

   # 以二进制形式写入文件 (int16或float32格式)

   # AD9361通常是12位数据，在GNU Radio中常转为float32

   iq_data.astype(np.complex64).tofile(filename)

   print(f"Captured {len(iq_data)} samples to {filename}")

   capture_count += 1

注意：此代码块需嵌入GRC的Python Snippet模块，并连接到IIO Device Source的输出端口。

3.2 使用File Sink进行原始数据存储

对于长时间的原始IQ数据记录，直接使用File Sink模块效率更高。

# 在GRC中添加 File Sink 模块

# File: /data/raw_iq_capture.dat

# Type: complex64 (或 short for int16 if supported by your SDR source)

# Num Items: 0 (unlimited)

这种方式会持续将IQ数据流写入硬盘，适合后续使用Matlab、Python或GNU Radio离线处理。

四、信号捕获后的离线分析示例

捕获到的.bin文件可以使用Python进行分析：

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# 读取捕获的数据

data = np.fromfile('/data/captures/adc_capture_xxxx.bin', dtype=np.complex64)

# 计算频谱

plt.specgram(data, NFFT=1024, Fs=30.72e6/4) # Fs为实际采样率

plt.title('Spectrum of Captured Signal')

plt.xlabel('Time')

plt.ylabel('Frequency (Hz)')

plt.show()

五、结语

基于AD9361和GNU Radio的SDR系统，极大地降低了宽带射频开发的门槛。通过IIO驱动实现与硬件的无缝对接，利用GRC流图快速搭建收发链路，再结合Python Snippet或File Sink实现精准的信号捕获，开发者可以专注于算法验证与协议分析，而无需陷入底层驱动开发的泥潭。