Ubuntu 20.04 下使用 GNU Radio 3.8 + RFNoC 4.0 开发 USRP 片上 FPGA 资源

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在软件无线电领域，GNU Radio 和 USRP（Universal Software Radio Peripheral）是广泛使用的工具，允许开发者在软件层面上进行无线通信系统的实验和研究。对于一些对性能有较高要求的应用，USRP 的 FPGA 资源可以用于硬件加速，这就引出了 RFNoC (Radio Frequency Network on Chip)，它是一个用于将 USRP 的 FPGA 功能集成到 GNU Radio 流程中的框架。本文将介绍如何在 Ubuntu 20.04 上配置 GNU Radio 3.8 和 RFNoC 4.0，进行 FPGA 资源的开发与应用。

一、环境配置

1. 安装依赖库与工具

首先，确保你的 Ubuntu 系统已经安装了必要的工具和依赖库。执行以下命令安装 GNU Radio 和 RFNoC 所需的依赖项：

# 更新系统软件包
sudo apt update
sudo apt upgrade

# 安装 GNU Radio 3.8 版本依赖
sudo apt install gnuradio
sudo apt install libboost-all-dev
sudo apt install libfftw3-dev
sudo apt install libgmp-dev
sudo apt install libusb-1.0-0-dev

# 安装其他开发工具
sudo apt install cmake g++ make git

2. 安装 GNU Radio 3.8

对于 Ubuntu 20.04，GNU Radio 3.8 是支持的版本之一，可以通过官方 PPA 安装：

sudo add-apt-repository ppa:gnuradio/gnuradio-3.8
sudo apt update
sudo apt install gnuradio

验证安装是否成功：

gnuradio-companion --version

3. 安装 USRP 相关驱动（UHD）

为了确保 USRP 能够正常工作，必须安装 UHD 驱动程序：

sudo apt install libuhd-dev libuhd003 uhd-host

安装完成后，可以通过 uhd_find_devices 命令查看已连接的 USRP 设备。

4. 安装 RFNoC 支持

RFNoC 是 USRP FPGA 功能的一个模块，它允许将 FPGA 资源与 GNU Radio 结合起来。安装 RFNoC 需要从源代码构建。

首先，克隆 RFNoC 仓库并进行构建：

# 克隆 RFNoC 仓库
git clone https://github.com/EttusResearch/rfnoc.git

# 进入 RFNoC 目录
cd rfnoc

# 构建 RFNoC
mkdir build
cd build
cmake ..
make
sudo make install

二、创建与配置 RFNoC 流程

1. 创建一个简单的 GNU Radio 流程

使用 GNU Radio Companion (GRC) 创建一个新的流图。GNU Radio Companion 是一个图形化工具，允许用户通过拖放组件来构建信号处理流程。

启动 GRC：

gnuradio-companion

在 GRC 中，你可以使用现有的 GNU Radio 块进行常规的信号处理任务。但如果要使用 FPGA 资源，必须使用 RFNoC 的相关块。以下是如何创建一个简单的流图，来通过 RFNoC 使用 FPGA 加速：

• RFNoC Source Block：这个块将用于从 FPGA 中获取信号。
• RFNoC Sink Block：用于将处理后的信号送回 FPGA。
• Simple Signal Processing Blocks：包括增益、滤波等常用的信号处理块。

2. 使用 RFNoC FPGA 块

在 GRC 中，你可以选择 RFNoC 块。要实现对 FPGA 资源的使用，需要通过 RFNoC 提供的源和汇聚块来处理数据流。

示例： 使用 RFNoC 块进行一个简单的信号增益处理流程。

1. 在 GRC 中创建一个新的文件。
2. 从 RFNoC 模块中选择 RFNoC Source 和 RFNoC Sink 块。
3. 连接信号源和信号处理模块，应用增益或者其他操作。
4. 将结果通过 RFNoC Sink 块发送回 FPGA。

3. 通过代码实现 RFNoC 功能

在创建了基础的 GRC 流程后，你可以通过 Python 脚本来进一步控制信号流，访问 RFNoC 功能。以下是一个简单的 Python 脚本示例，展示了如何通过 RFNoC 块处理数据。

from gnuradio import gr
from gnuradio import uhd
from gnuradio import rfnoc

class rfnoctest(gr.top_block):

    def __init__(self):
        gr.top_block.__init__(self, "RFNoC Test")

        # 设置 USRP 的地址
        self.usrp_source = uhd.usrp_source(device_addr="addr=192.168.10.2")

        # RFNoC Source 块
        self.rfnoctest_source = rfnoc.rfnoctest_source()

        # 信号处理块（如增益块）
        self.gain_block = gr.multiply_const_cc(10)

        # RFNoC Sink 块
        self.rfnoctest_sink = rfnoc.rfnoctest_sink()

        # 连接块
        self.connect(self.rfnoctest_source, self.gain_block, self.rfnoctest_sink)

    def start_flow(self):
        # 启动流程
        self.run()

if __name__ == '__main__':
    tb = rfnoctest()
    tb.start_flow()

• usrp_source：从 USRP 设备中读取数据。
• rfnoctest_source：来自 FPGA 资源的信号源。
• gain_block：实现简单的增益操作。
• rfnoctest_sink：将处理后的数据写入 FPGA 资源。

三、FPGA 资源的开发与调试

RFNoC 使得你可以利用 FPGA 中的硬件资源进行并行数据处理，提高系统的性能。开发过程中，你需要：

1. 创建 RFNoC 功能模块

在 FPGA 上开发自定义的 RFNoC 模块时，通常需要使用 Vivado 工具进行硬件设计。你可以基于 RFNoC API 创建自定义块并将其映射到 FPGA 中。

一个简单的 RFNoC 模块可能包括：

• 一个硬件加速模块（如数字滤波器）。
• 数据传输接口（通常是通过 DMA 通道与 USRP 连接）。

2. 调试与验证

一旦自定义的 RFNoC 模块被设计并加载到 FPGA 上，你可以使用以下方法进行调试：

• 通过 GRC 流图监控信号流：GRC 提供了丰富的调试工具，允许你查看信号波形、监控数据流。
• 使用 uhd_usrp_source 和 uhd_usrp_sink：可以分别从 FPGA 和 USRP 上获取信号，验证 FPGA 处理后的结果。
• 性能分析：可以使用 perf 等工具进行性能监控，确保 FPGA 资源的使用效率。

四、常见问题与解决方案

1. 问题：USRP 设备无法识别

   • 解决方法：确保 USRP 设备正确连接，并且网络配置正确。可以通过 uhd_find_devices 命令检查设备是否可用。

2. 问题：RFNoC 模块加载失败

   • 解决方法：检查 RFNoC 的构建是否成功，确保使用的 USRP 型号支持 RFNoC 功能。可以通过查看日志和调试信息找出错误。

3. 问题：信号处理不如预期

   • 解决方法：检查信号处理的参数设置，确保增益、滤波等操作参数合理。此外，也可以通过 GRC 调试窗口查看中间结果，确保信号链路正确。

五、总结

在本文中，我们介绍了如何在 Ubuntu 20.04 上安装和配置 GNU Radio 3.8 和 RFNoC 4.0，以便开发和调试 USRP 片上 FPGA 资源。通过 RFNoC，用户可以将硬件加速功能与 GNU Radio 结合，从而提高无线通信系统的性能。本文提供了相关的代码示例，帮助读者理解如何使用 FPGA 进行实时信号处理，并解决一些常见的调试问题。希望通过这些介绍，能帮助你快速入门并深入探索 USRP 和 FPGA 资源的开发。