GRCとはgnuradio-companionのことです。グラフィカルなパッチプログラミングにより、お手軽にSDR信号処理の実験や実装が可能です。

GNU Radioについては、こちらでも少し紹介しています。ただ、日本語によるまとまった解説が、Webや雑誌を含め存在しないことを残念に思っていました。どこかで紹介や解説を書かせていただければなー、と思っていました。そんなところに、あのRFワールド誌からお声がけをいただき、O編集長のご尽力により、このような形で記事にしていただくことができました。

SDRのフロントエンドも安価なものが入手しやすくなっています。今回はいろいろ比較した結果、HackRF Oneを使うことにしました。性能のバランスもよく、秋月で購入可能で入手性も良く、オススメです。

特集記事の内容はGNU Radio入門ということで、アマチュア無線にお馴染みのアナログ方式についての変復調をメインに取り上げました。それから、ちょっとだけデジタルもということで、ワンセグの受信とデコードをGNU RadioとRTLドングルで行う方法を紹介しています。GNU Radioはソフトウェアフレームワークなので、ちょっとだけPythonコードの雰囲気や、ブロックの開発についても紹介しています。

あのカンガルー先輩の挿絵も入っていますよ! 

電波の扱いにはくれぐれもご留意ください。

発売は2018/10/29です。ぜひお手にとってご高覧いただければ幸いです。

コメントは是非Amazonレビューにお願いします。

RFワールド No.44 http://www.rf-world.jp/bn/RFW44/RFW44A.shtml

CQ出版社販売ページ https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MTR/MTRZ201811.html

キャンペーンは昨年の4月でした。デリバリは11月予定だったはずなのでちょっと遅れたというところです。

2016/4/29 キャンペーン開始

2016/4/29 さっそくBackする

2016/6/22 ファンディング成功

2016/7/29 コネクタをMicro-Bに変更

2017/1/27 出荷

2017/2/5 受領

箱は黒いスリーブにレーザカッターでロゴが抜かれて内箱の緑が見えています。添付はUSB micro-Bのケーブルのみです。電源補助用のAプラグが二股になっています。

内側には携帯やWiFiなどのバンド番号と周波数(DL/UL)の表が書かれています。地味に有り難いです。

基板は小さく密度は高いです。購入時にUSBコネクタを選べますが、USB micro-Bにしました。他にUSB Aプラグタイプが選択肢にあります。

裏面にも部品が詰まっています。プラの6角スタッドが足として付いています。おぉっと思ったのは、おなじみのSi5351が使われています(AではなくC)。

bladeRFとくらべるとかなり小さいです。bladeRFは部品の配置に余裕があり、さらに拡張コネクタも装備されていました(結局使いませんでしたが)。それに対してLimeSDRは部品の密度も高く、拡張コネクタもFPGAから出ている10ピンのGPIOのみです(JTAGと同じコネクタ形状)。

肝心のRFコネクタですが、なんとU.FL(IPX)でごく小さいのです。TX,RXともに2チャネルずつ用意され、さらにTXはチャネル毎に2つ、RXもチャネル毎に3つコネクタが装備されているので、合計2x2+3x2=10個もあります。このようにポート数がとても多いため、SMAではスペースが確保できずU.FLを選択したのだと思われますが、ちょっとやり過ぎの感も否めません。U.FLは機械的強度がとても弱いので、何度も付け外しを繰り返すことができません。早急にケースに入れてケーブルを固定してしまうことが必須だと思われます。今回は仮にUFLのついたケーブルを机にテープで仮止めして外れないようにしています。

ソフトウェアは、例によってmacosにセットアップします。これを機会にようやくsierra(10.12)にバージョンアップしました。

LimeSDR用にLimeSuiteとしてツールがいくつか用意されています。これも公式ページに従ってbrewでインストールしておきます。

$ brew tap pothosware/homebrew-pothos $ brew update $ brew install limesuite

コマンドラインツールのLimeUtilでボードが認識できたら、さっそくファームウェアをアップデートしておきます。

$ LimeUtil -info $ LimeUtil -update

LimeSuiteGUIというグラフィカルツールも用意されています。ボードに載っている各デバイスを細かくコントロールできるようです。動作させるためには、メニューのOptionsからConnection Setupでまずは接続を行う必要があるようです。ちょっとまごつきます。

SDRソフトウェアとしてgqrxをlimesdrで動作させることができるようです。そのためにはソースからビルドする必要があるため、各種ツールキットをインストールします。下記はbrewであっさりとインストール可能です。soapysdrは、SDR関連のライブラリやツールをまとめたSuiteとのことです。

gnuradio

soapysdr

下記はコードからビルド必要でしたが、今回brewのFormulaを用意/アップデートしました。githubに上げてありますので、brew tap ttrftech/gqrxで利用可能です。

gr-iqbal

gr-osmosdr

gqrx

インストールに成功したら、gqrxを起動します。LimeSDRはsoapyというインターフェースで使用する必要があるので、デバイス設定として、

driver=lime,soapy=0

を指定します。起動がうまくいかないことがたまにありますが、もう一度実行するとOKだったりします。Input rateは8000000(8Msps)から55000000(55Msps)程度が指定可能でした。仕様上は上限60Mspsだったはずですが、これを指定すると起動できませんでした。

50Mspsの指定で動作させてみます。RTLドングルに付属していたアンテナをU.FLコネクタに接続します。最初は何も受信できずに焦りました。

設定が2箇所必要でした。まずアンテナポートを選択する必要があります。デフォルトではNONEになっているので何も受かりません。アンテナを接続したポートをプルダウンメニューで選択します。LNAH,LNAL,LNAWがRX1-H,L,Wにそれぞれ対応しているようです。RX2には未対応のようです。

そしてもう一つは、ゲイン設定を上げる必要があります。必須なのはLNAでこれは最大にします。他の設定ではレベルは変化しますが、NFは変化しないようです。適宜設定します。

そうすると受信できるようになりました。この画面では地上デジタルTVの3波がわずかの隙間を空けて並んでいるのが見えています。

ちょっと周波数を上げるとこちらも地デジが1チャネル分の隙間を空けて並んでいます。サンプリングレートが高いので、50MHzの帯域を一度に見ることができます。

もっと周波数を上げると携帯の周波数が見えてきます。 4つの帯の左からKDDIのLTE, 3G, Docomoの3G,LTEのDL(Down Link)です。

1.5G帯にも携帯の太い帯が見えています。

2.4Gでは室内の通信が見えています。一瞬出る横幅の太い線はWiFi(11gの20MHz幅)。点々と散らばっているのはおそらくBluetoothの周波数ホッピング(FH)です。

とりあえず、受信機として正常に使えているようです。

LimeSDRは0.1〜3800MHzというとても広い帯域に対応していることが謳われていました。気になる低い周波数ですが、300MHz以下を受信可能なことは一応確認しました。しかし顕著に感度は下がって行くようです。特にHF帯ではちょっと実用性は無さそうな感じです。資料を読むと30MHz以下の低い周波数の対応は、チューナではなく信号処理段で特別な処理を行うようですので、もしかすると使い方が足りていないか、まだ対応がされていない可能性もあります。

もう一つ気になることは、300MHz以下ではイメージが顕著に出ることです。例えば180MHzにチューニングすると明らかに地デジの帯が出てきます。右には違う周波数帯の携帯も見えています。チューニングをずらすとばらばらにズレていきます。このチップ(LMS7002)のチューニングスキームを理解できていませんが、300MHz以下の受信をしたい場合には、広帯域信号では不都合があります。適当なLPFで帯域を絞った信号を入れる必要があるようです。

使っているとチューナチップとFPGAどちらも結構発熱します。USBからは7〜800mA消費しているようです。

gqrxでの受信を試してみた印象ですが、300MHz以上の周波数帯では感度も良く、快適に使えそうです。元来WiFiやBluletoothの実験に供することを主眼に設計されているようですので、当然かもしれません。一方、低い周波数での応用は、特に無線用途では難しいと思われます。謳われているスペックを鵜呑みにするとがっかりすることになると思います。

さて、LimeSDRは受信だけでなく、信号生成機能もあります。bladerfではコマンドを使ってデータストリームを送受できたのですが、limesdrでは見当たりません。おそらくgnuradioを使うことで利用できるのではと思うのですが、こちらはまた探ってみたいと思います。

リファレンス

クラウドファンディングサイト CrowdSupplyでのLimeSDRキャンペーン https://www.crowdsupply.com/lime-micro/limesdr

LimeSDR公式 https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR

ユーザガイド https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR-USB_User_Guide

クイックスタートガイド https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR_Quick_Start

LMS7002 Datasheet (wiki) https://wiki.myriadrf.org/LimeMicro:LMS7002M_Datasheet

公式のLimeSuiteインストール手順 https://wiki.myriadrf.org/Lime_Suite#OSX_homebrew

Gqrx http://gqrx.dk/

参考にした先人のgqrx構築手順 https://discourse.myriadrf.org/t/anyone-been-successful-in-getting-limesdr-osx-gqrx-working/657/14

最近のHomebrewでは、GNURadioのformulaが用意されています。しかもバイナリでインストール可能となっているのですぐに使えます。ところが残念ながら、バイナリインストールされるGNURadioは、GUIをサポートしていません。そして残念なことに、gnuradio-companionがディセーブルされていて使えないという問題があります。gnuradio-companionはGNURadioの主要な操作系ですので、これが使えないのは致命的とも言えます。オプションを追加して、gnuradio-companionを使えるよう試みたのですが、ビルドは成功するものの動作させることができませんでした。

以前にもGNURadioをHomebrewでビルドした手順を解説しましたがすでに内容が古くなっていますので、今回また改めてGNURadioの構築手順を整備することにしました。以下その解説です。

GNURadioのインストールには落とし穴が多く、なかなか成功しません。主な理由として、構築に必要なツールの選択肢がいくつもあり、それらを一貫性を持って合わせていく必要があるためです。大きく言語の問題と、GUIツールキットの問題があります。

GNURadioは、C++とPythonを使用しているのですが、まずはC++についてです。

C++コンパイラに、gcc、またはclangという選択肢があります。後者はxcodeの一部として提供されているものです。

C++には言語のバージョンがいくつもあり、一部のモジュールは特定のバージョンを要求します。C++11 を選びます。

標準ライブラリに、newlib, stdlibという選択肢があり、これの不一致はリンク失敗の原因となる。

一方Pythonについても、バージョン問題に加えて、どの実装を使うか問題があります。

Python2とPython3があり、現行バージョンのGNURadioではPython2を使用する必要がある。

Homebrewの場合には、Pythonバイナリを直接リンクするのではなく、dynamic lookupを指定をする。直接リンクしてしまうと、マイナーバージョンの変化にも追従できなくなるためと思われます。

OSXの場合、PythonはOSにもともとインストールされています。しかし、通常の利用ではHomebrewやpyenv、virtualenvなどの方法で後からインストールで追加したPythonを使うことが一般的です。GNURadioの構築でこれらのPythonを混ぜて使うと、実行時にエラーとなってしまいます。そのため、構築の途中で、どのPythonが使われるか留意が必要です。特にOSXにもともと入っているPythonが使用されることがないよう慎重に排除する必要があります。cmakeのモジュール、もしくはPATH変数など、Formulaや各モジュールに数多くのpythonの依存解決の場所があり、これらを一貫させる必要があります。

言語の他にも、GUIについても配慮する必要があります。

WXとQTの2種類のGUIツールキットをサポートしている

QTの現行バージョンは5だが、gnuradioが要求するのは4

QT4は、デフォルトのHomebrewではサポートされていませんが、有志がTapとして提供してくれているので、これを使います。

これらをえいやっと解決して、パッチをまとめてHomebrewのFormulaとして用意しました。https://github.com/ttrftech/homebrew-gnuradio に置いてありますので、tapとして利用することができます。

$ brew tap cartr/qt4 $ brew tap ttrftech/gnuradio $ brew install ttrftech/gnuradio/gnuradio --with-qt

RTL-SDRなど多くのSDRフロントエンドで使うためには、gr-osmosdrが必要となります。同じtapの中に、いくつかのフロントエンドを追加したものを作成しました。

$ brew install ttrftech/gnuradio/gr-osmosdr

バージョンが少し古い(3.7.10.1、最新は3.7.11.2)のと、実行時にいくつかウォーニングが出るのがちょっと気になります。が使えてはいるようです。

今回Homebrewは、Formulaが正しいかチェック(audit)するコマンドがコマンドが用意されています。当初コンパイル成功して動くようになった後、brew auditしてみるとこんな感じでいくつか不具合を指摘されました。以下はpythonのリンクが正しくされていないという指摘の例です。

$ brew audit ttrftech/gnuradio/gnuradio ttrftech/gnuradio/gnuradio: * python modules have explicit framework links These python extension modules were linked directly to a Python framework binary. They should be linked with -undefined dynamic_lookup instead of -lpython or -framework Python. /usr/local/opt/gnuradio/lib/python2.7/site-packages/gnuradio/qtgui/_qtgui_swig.so Error: 1 problem in 1 formula

これをログやソースから調べて問題を解消していきました。何も問題がなければ何も文句を言われなくなります。

$ brew audit ttrftech/gnuradio/gnuradio $

とりあえずGNURadioがGUI付きで使えるようになりました。インストール手順はREADME.mdにも記載しています。もし間違いや動作しないなどの不具合があれば詳しくお知らせください。

いくつかフロントエンドを入手して、GNURadioで使えるよう整備していますので、引き続きこちらも紹介したいと思います。

参考

作成したFormula https://github.com/ttrftech/homebrew-gnuradio

元にしたFormula https://github.com/rixon/homebrew-gnuradio/

以前解説した手順 「 gnuradio 3.7をHomebrewでMac OSXにインストールする」https://ttrftech.tumblr.com/post/72672888223/