[SDR] GNU Radio 系列教程(十四) —— GNU Radio 低阶到高阶用法的分水岭 ZMQ 的使用详解

2023/4/26 5:22:10

本文主要是介绍[SDR] GNU Radio 系列教程(十四) —— GNU Radio 低阶到高阶用法的分水岭 ZMQ 的使用详解,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!


目录
  • 1、前言
  • 2、ZMQ 块的类型
  • 3、ZMQ 块的使用
  • 4、DEMO
    • 4.1 同一台电脑上的两个流程图
    • 4.2 不同电脑上的两个流程图
    • 4.3 作为 REQ/REP 服务器的 Python 程序
    • 4.4 作为 PUSH/PULL 服务器的 Python 程序
    • 4.5 处理流程图数据的 Python 程序
  • 参考链接


1、前言

学会使用 GNU Radio 中的 ZMQ,是从低阶使用者向高阶迈进的第一步!

因为学会了 ZMQ,就可以将 GNU Radio 中的实时数据流通过 socket 引到外面的 python/c 等大型应用程序中,做数据分析、展示、人工智能等。

来自 ZeroMQ 官方介绍:ZeroMQ (0MQ, ZMQ),看起来像是一个可嵌入的网络库,同时起到了并发框架的作用。它为您提供了在进程内、进程间、TCP和多播等各种传输中承载原子消息的 socket 。


2、ZMQ 块的类型

SINK SOURCE 特征
PUB SUB 广播,可一对多
PUSH PULL 点播,点对点对等网络
REQ REP 点对点链路,一个请求一个回复,类似客户端服务器

Data Blocks:
ZMQ data blocks 传输原始流数据;没有格式化。数据类型和采样率由馈送 ZMQSink 的流程图确定。因此,接收数据的流程图或程序必须知道这些参数,以便正确地解释数据。


Message Blocks
不像普通的 ZeroMQ 字符串,GNU Radio ZMQ Message Blocks 使用 PMT 对数据进行编码和解码。


3、ZMQ 块的使用

  • ZMQ 块的用户应该对ZeroMQ有一些熟悉。特别是,应该认识到ZMQ套接字和BSD套接字之间的区别。有关概述,请参阅 ZMQ Socket API。
  • ZMQ 块使用 endpoints 来描述 ZMQ 应该如何传递数据。常见 endpoints 使用 TCP 传输数据,当然也可以采用其他协议。想要了解不同协议的 endpoints,可以参阅 zmq_tcpzmq_ipc
  • 可以在49152–65535范围内分配专用端口。
  • 不建议在单个流程图中使用ZMQ块,因为 Virtual_SourceVirtual_Sink 块的效率要高得多。

TCP Bind vs Connect

一些用户可能会想直接连接到GNU Radio ZMQ Blocks。虽然这是可能的,但需要谨慎。

首先要注意,在任何拓扑中,必须有一个到给定端点的绑定,而可能有多个到同一端点的连接。(A-B 之间绑定一次,可能会出现多个连接)

在 GNU Radio 中,stream sinks bind and stream sources connect。Message blocks 取决于参数设置。

还要注意:TCP端点的语义在绑定和连接之间有所不同。


TCP Bind

当绑定一个 TCP 端点时,您可以指定要侦听的连接点。

如果您指定了一个IP地址,则说明 socket 只接受与该地址相关联的网络上的连接(例如:127.0.0.1 or 192.168.1.123

在某些情况下,您可能希望在连接到节点的所有网络上进行侦听。对于 GNU Radio,您应该使用 0.0.0.0 作为通配符地址;尽管 ZMQ 接受 * 作为通配符,但它并不是在所有情况下都能很好地工作。因此,您可以选择绑定到 tcp://0.0.0.0:54321

请注意,如果您没有输入IP地址,bind 会将该值视为网络适配器名称(例如 eth0)。详细信息参阅:zmq_tcp


TCP Connect

连接 TCP 端点时,您可以指定要连接的远程端点。您可以指定 IP 地址或 DNS 可解析名称。


Wire Format

ZMQ stream blocks 具有传递标记的选项。此外,PUB/SUB块支持过滤。这两个选项都会影响 ZMQ-wire 协议。

当过滤器字符串被提供给 PUB/SUB 块时,GNU Radio 使用多部分消息来发送过滤器字符串,然后是有效载荷。尝试与 GNU Radio ZMQ 块接口的非 GNU 无线电代码必须为此部分准备好,并将其丢弃。请注意,只有在指定了非空筛选器的情况下,发送方才会发送此消息部分。

接下来,如果启用了发送标签,则要发送的数据窗口内的任何标签都将以特殊格式编码,并在有效载荷数据之前进行预处理。如果未启用标记,则会忽略此标头。

这两个特征使得发送器配置与接收器配置的匹配变得至关重要。否则将导致流程图中出现运行时错误。


4、DEMO

4.1 同一台电脑上的两个流程图

在同一个电脑上时,localhost 的 IP 地址应为 127.0.0.1。它的开销比完整的IP要小。

下面使用 PUB/SUB 的流程图来自 Simulation_example:_AM_transmitter_and_receiver:

这个流程图我也在 B 站上面有详细的视频介绍:GNU Radio 系列教程(十二)-- 窄带 FM 收发系统(基于ZMQ模拟射频发送)


4.2 不同电脑上的两个流程图

在不同电脑上时,则必须在该连接的每一端指定接收块(sink block) 的 IP 和端口号。例如,如果 Sink 位于 IP 192.168.1.194:50241,Source 位于 IP 192.168.1.85,则 Source 和 Sink 块都必须指定 Sink IP 和端口 192.168.1.194:00241


4.3 作为 REQ/REP 服务器的 Python 程序

下面的 Python 程序在其 REQ socket 上接收字符串消息,将文字变成大写,然后在其 REP socket 上发送出去。术语在这里变得混乱,因为传入的 REQ 来自 GR ZMQ_REP_Message_Sink,并返回到 ZMQ_REQ_Message_Source

只需记住: sink 是流程图的终点,source 是流程图的起点。

#!/usr/bin/python3
# -*- coding: utf-8 -*-

# zmq_REQ_REP_server.py

# This server program capitalizes received strings and returns them.
# NOTES:
#   1) To comply with the GNU Radio view, messages are received on the REQ socket and sent on the REP socket.
#   2) The REQ and REP messages must be on separate port numbers.

import pmt
import zmq

_debug = 0          # set to zero to turn off diagnostics

# create a REQ socket
_PROTOCOL = "tcp://"
_SERVER = "127.0.0.1"          # localhost
_REQ_PORT = ":50246"
_REQ_ADDR = _PROTOCOL + _SERVER + _REQ_PORT
if (_debug):
    print ("'zmq_REQ_REP_server' version 20056.1 connecting to:", _REQ_ADDR)
req_context = zmq.Context()
if (_debug):
    assert (req_context)
req_sock = req_context.socket (zmq.REQ)
if (_debug):
    assert (req_sock)
rc = req_sock.connect (_REQ_ADDR)
if (_debug):
    assert (rc == None)

# create a REP socket
_PROTOCOL = "tcp://"
_SERVER = "127.0.0.1"          # localhost
_REP_PORT = ":50247"
_REP_ADDR = _PROTOCOL + _SERVER + _REP_PORT
if (_debug):
    print ("'zmq_REQ_REP_server' version 20056.1 binding to:", _REP_ADDR)
rep_context = zmq.Context()
if (_debug):
    assert (rep_context)
rep_sock = rep_context.socket (zmq.REP)
if (_debug):
    assert (rep_sock)
rc = rep_sock.bind (_REP_ADDR)
if (_debug):
    assert (rc == None)

while True:
    #  Wait for next request from client
    data = req_sock.recv()
    message = pmt.to_python(pmt.deserialize_str(data))
    print("Received request: %s" % message)

    output = message.upper()

    #  Send reply back to client
    rep_sock.send (pmt.serialize_str(pmt.to_pmt(output)))

安装 NetCat:方便我们测试 TCP
-《NetCat使用指南》
-《Sending TCP/UDP packets using Netcat》
-《Simple client / server with nc not working》
注意,这鬼软件有好几个不同的软件,我用的是 openbsd-netcat

sudo pacman -S openbsd-netcat

上面代码:

kind port method func C/S
REQ 50246 connect recv() server
REP 50247 bind send() client

while 循环中用 REQ 等待接收,然后转为大写,用 REP 发送出去:(比较坑的是,我用 netcat 建立 tcp 服务器和客户端,无法与上面 python 脚本通信,似乎一启动,建立连接,server 就异常退出了,最终还是得用 GNN Radio 开启两个 ZMQ 工程,然后与这个 python 脚本通信,整体信息流如下:)


4.4 作为 PUSH/PULL 服务器的 Python 程序

与上面 demo 类似,是基于 PUSH/PULL 传递消息。

#!/usr/bin/python3
# -*- coding: utf-8 -*-

# zmq_PUSH_PULL_server.py

import sys
import pmt
import zmq

_debug = 0          # set to zero to turn off diagnostics

# create a PUSH socket
_PROTOCOL = "tcp://"
_SERVER = "127.0.0.1"          # localhost
_PUSH_PORT = ":50252"
_PUSH_ADDR = _PROTOCOL + _SERVER + _PUSH_PORT
if (_debug):
    print ("'zmq_PUSH_PULL_server' version 20068.1 binding to:", _PUSH_ADDR)
push_context = zmq.Context()
if (_debug):
    assert (push_context)
push_sock = push_context.socket (zmq.PUSH)
if (_debug):
    assert (push_sock)
rc = push_sock.bind (_PUSH_ADDR)
if (_debug):
    assert (rc == None)

# create a PULL socket
_PROTOCOL = "tcp://"
_SERVER = "127.0.0.1"          # localhost
_PULL_PORT = ":50251"
_PULL_ADDR = _PROTOCOL + _SERVER + _PULL_PORT
if (_debug):
    print ("'zmq_PUSH_PULL_server' connecting to:", _PULL_ADDR)
pull_context = zmq.Context()
if (_debug):
    assert (pull_context)
pull_sock = pull_context.socket (zmq.PULL)
if (_debug):
    assert (pull_sock)
rc = pull_sock.connect (_PULL_ADDR)
if (_debug):
    assert (rc == None)

while True:
    #  Wait for next request from client
    data = pull_sock.recv()
    message = pmt.to_python(pmt.deserialize_str(data))
    # print("Received request: %s" % message)

    output = message.upper()    # capitalize message

    #  Send reply back to client
    push_sock.send (pmt.serialize_str(pmt.to_pmt(output)))

4.5 处理流程图数据的 Python 程序

个 demo 是几乎贯穿后面 GNU Radio 高阶用法的最重要的 DEMO。 因为,通常情况下我们会使用 GNU Radio 进行信号处理,但希望数据流流入普通 python 程序,然后做丰富的数据分析等逻辑。这里,PUB 和 PUSH 可以让应用程序获得这些数据流。(这里我们将 127.0.0.1 换成了 *,这样能够让同一局域网内的设备都能访问)

一般的,流程图中采用 PUB/PUSH Sink,将数据送出:

然后,普通 python 脚本就可以对其进行 recv:

#!/usr/bin/python3
# -*- coding: utf-8 -*-

# zmq_SUB_proc.py
# Author: Marc Lichtman

import zmq
import numpy as np
import time
import matplotlib.pyplot as plt

context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.SUB)
socket.connect("tcp://127.0.0.1:55555") # connect, not bind, the PUB will bind, only 1 can bind
socket.setsockopt(zmq.SUBSCRIBE, b'') # subscribe to topic of all (needed or else it won't work)

while True:
    if socket.poll(10) != 0: # check if there is a message on the socket
        msg = socket.recv() # grab the message
        print(len(msg)) # size of msg
        data = np.frombuffer(msg, dtype=np.complex64, count=-1) # make sure to use correct data type (complex64 or float32); '-1' means read all data in the buffer
        print(data[0:10])
        # plt.plot(np.real(data))
        # plt.plot(np.imag(data))
        # plt.show()
    else:
        time.sleep(0.1) # wait 100ms and try again

参考链接

[1]. GNU Radio 系列教程(一) —— 什么是 GNU Radio
[2]. GNU Radio 系列教程(二) —— 绘制第一个信号分析流程图
[3]. GNU Radio 系列教程(三) —— 变量的使用
[4]. GNU Radio 系列教程(四) —— 比特的打包与解包
[5]. GNU Radio 系列教程(五) —— 流和向量
[6]. GNU Radio 系列教程(六) —— 基于层创建自己的块
[7]. GNU Radio 系列教程(七)—— 创建第一个块
[8]. GNU Radio 系列教程(八)—— 创建能处理向量的 Python 块
[9]. GNU Radio 系列教程(九)—— Python 块的消息传递
[10]. GNU Radio 系列教程(十)—— Python 块的 Tags
[11]. GNU Radio 系列教程(十一)—— 低通滤波器
[12]. GNU Radio 系列教程(十二)—— 窄带 FM 收发系统(基于ZMQ模拟射频发送)
[13]. GNU Radio 系列教程(十三)—— 用两个 HackRF 实现 FM 收发
[14]. SDR 教程实战 —— 利用 GNU Radio + HackRF 做 FM 收音机
[15]. SDR 教程实战 —— 利用 GNU Radio + HackRF 做蓝牙定频测试工具(超低成本)


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