[SDR] GNU Radio 系列教學（十四） —— GNU Radio 低階到高階用法的分水嶺 ZMQ 的使用詳解

1、前言

學會使用 GNU Radio 中的 ZMQ，是從低階使用者向高階邁進的第一步！

因為學會了 ZMQ，就可以將 GNU Radio 中的實時資料流通過 socket 引到外面的 python/c 等大型應用程式中，做資料分析、展示、人工智慧等。

來自 ZeroMQ 官方介紹：ZeroMQ (0MQ, ZMQ)，看起來像是一個可嵌入的網路庫，同時起到了並行框架的作用。它為您提供了在程序內、程序間、TCP和多播等各種傳輸中承載原子訊息的 socket 。

2、ZMQ 塊的型別

SINK	SOURCE	特徵
PUB	SUB	廣播，可一對多
PUSH	PULL	點播，對等對等網路
REQ	REP	對等鏈路，一個請求一個回覆，類似使用者端伺服器

Data Blocks：
ZMQ data blocks 傳輸原始流資料；沒有格式化。資料型別和取樣率由饋送 ZMQSink 的流程圖確定。因此，接收資料的流程圖或程式必須知道這些引數，以便正確地解釋資料。

Message Blocks
不像普通的 ZeroMQ 字串，GNU Radio ZMQ Message Blocks 使用 PMT 對資料進行編碼和解碼。

3、ZMQ 塊的使用

• ZMQ 塊的使用者應該對ZeroMQ有一些熟悉。特別是，應該認識到ZMQ通訊端和BSD通訊端之間的區別。有關概述，請參閱 ZMQ Socket API。
• ZMQ 塊使用 endpoints 來描述 ZMQ 應該如何傳遞資料。常見 endpoints 使用 TCP 傳輸資料，當然也可以採用其他協定。想要了解不同協定的 endpoints，可以參閱 zmq_tcp 和 zmq_ipc。
• 可以在49152–65535範圍內分配專用埠。
• 不建議在單個流程圖中使用ZMQ塊，因為 Virtual_Source 和 Virtual_Sink 塊的效率要高得多。

TCP Bind vs Connect

一些使用者可能會想直接連線到GNU Radio ZMQ Blocks。雖然這是可能的，但需要謹慎。

首先要注意，在任何拓撲中，必須有一個到給定端點的繫結，而可能有多個到同一端點的連線。（A-B 之間繫結一次，可能會出現多個連線）

在 GNU Radio 中，stream sinks bind and stream sources connect。Message blocks 取決於引數設定。

還要注意：TCP端點的語意在繫結和連線之間有所不同。

TCP Bind

當繫結一個 TCP 端點時，您可以指定要偵聽的連線點。

如果您指定了一個IP地址，則說明 socket 只接受與該地址相關聯的網路上的連線（例如：127.0.0.1 or 192.168.1.123）

在某些情況下，您可能希望在連線到節點的所有網路上進行偵聽。對於 GNU Radio，您應該使用 0.0.0.0 作為萬用字元地址；儘管 ZMQ 接受 * 作為萬用字元，但它並不是在所有情況下都能很好地工作。因此，您可以選擇繫結到 tcp://0.0.0.0:54321

請注意，如果您沒有輸入IP地址，bind 會將該值視為網路介面卡名稱（例如 eth0）。詳細資訊參閱：zmq_tcp

TCP Connect

連線 TCP 端點時，您可以指定要連線的遠端端點。您可以指定 IP 地址或 DNS 可解析名稱。

Wire Format

ZMQ stream blocks 具有傳遞標記的選項。此外，PUB/SUB塊支援過濾。這兩個選項都會影響 ZMQ-wire 協定。

當過濾器字串被提供給 PUB/SUB 塊時，GNU Radio 使用多部分訊息來傳送過濾器字串，然後是有效載荷。嘗試與 GNU Radio ZMQ 塊介面的非 GNU 無線電程式碼必須為此部分準備好，並將其丟棄。請注意，只有在指定了非空篩選器的情況下，傳送方才會傳送此訊息部分。

接下來，如果啟用了傳送標籤，則要傳送的資料視窗內的任何標籤都將以特殊格式編碼，並在有效載荷資料之前進行預處理。如果未啟用標記，則會忽略此檔頭。

這兩個特徵使得傳送器設定與接收器設定的匹配變得至關重要。否則將導致流程圖中出現執行時錯誤。

4、DEMO

4.1 同一臺電腦上的兩個流程圖

在同一個電腦上時，localhost 的 IP 地址應為 127.0.0.1。它的開銷比完整的IP要小。

下面使用 PUB/SUB 的流程圖來自 Simulation_example:_AM_transmitter_and_receiver：

這個流程圖我也在 B 站上面有詳細的視訊介紹：GNU Radio 系列教學（十二）－－ 窄頻 FM 收發系統（基於ZMQ模擬射頻傳送）

4.2 不同電腦上的兩個流程圖

在不同電腦上時，則必須在該連線的每一端指定接收塊（sink block) 的 IP 和埠號。例如，如果 Sink 位於 IP 192.168.1.194:50241，Source 位於 IP 192.168.1.85，則 Source 和 Sink 塊都必須指定 Sink IP 和埠 192.168.1.194:00241。

4.3 作為 REQ/REP 伺服器的 Python 程式

下面的 Python 程式在其 REQ socket 上接收字串訊息，將文字變成大寫，然後在其 REP socket 上傳送出去。術語在這裡變得混亂，因為傳入的 REQ 來自 GR ZMQ_REP_Message_Sink，並返回到 ZMQ_REQ_Message_Source。

只需記住： sink 是流程圖的終點，source 是流程圖的起點。

#!/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)))

安裝 NetCat：方便我們測試 TCP
-《NetCat使用指南》
-《Sending TCP/UDP packets using Netcat》
-《Simple client / server with nc not working》
注意，這鬼軟體有好幾個不同的軟體，我用的是 openbsd-netcat

sudo pacman -S openbsd-netcat

上面程式碼：

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

while 迴圈中用 REQ 等待接收，然後轉為大寫，用 REP 傳送出去:（比較坑的是，我用 netcat 建立 tcp 伺服器和使用者端，無法與上面 python 指令碼通訊，似乎一啟動，建立連線，server 就異常退出了，最終還是得用 GNN Radio 開啟兩個 ZMQ 工程，然後與這個 python 指令碼通訊，整體資訊流如下：）

4.4 作為 PUSH/PULL 伺服器的 Python 程式

與上面 demo 類似，是基於 PUSH/PULL 傳遞訊息。

#!/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 處理流程圖資料的 Python 程式

個 demo 是幾乎貫穿後面 GNU Radio 高階用法的最重要的 DEMO。 因為，通常情況下我們會使用 GNU Radio 進行訊號處理，但希望資料流流入普通 python 程式，然後做豐富的資料分析等邏輯。這裡，PUB 和 PUSH 可以讓應用程式獲得這些資料流。(這裡我們將 127.0.0.1 換成了 *，這樣能夠讓同一區域網內的裝置都能存取)

一般的，流程圖中採用 PUB/PUSH Sink，將資料送出：

然後，普通 python 指令碼就可以對其進行 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

參考連結

[1]. GNU Radio 系列教學（一） —— 什麼是 GNU Radio
[2]. GNU Radio 系列教學（二） —— 繪製第一個訊號分析流程圖
[3]. GNU Radio 系列教學（三） —— 變數的使用
[4]. GNU Radio 系列教學（四） —— 位元的打包與解包
[5]. GNU Radio 系列教學（五） —— 流和向量
[6]. GNU Radio 系列教學（六） —— 基於層建立自己的塊
[7]. GNU Radio 系列教學（七）—— 建立第一個塊
[8]. GNU Radio 系列教學（八）—— 建立能處理向量的 Python 塊
[9]. GNU Radio 系列教學（九）—— Python 塊的訊息傳遞
[10]. GNU Radio 系列教學（十）—— Python 塊的 Tags
[11]. GNU Radio 系列教學（十一）—— 低通濾波器
[12]. GNU Radio 系列教學（十二）—— 窄頻 FM 收發系統（基於ZMQ模擬射頻傳送）
[13]. GNU Radio 系列教學（十三）—— 用兩個 HackRF 實現 FM 收發
[14]. SDR 教學實戰 —— 利用 GNU Radio + HackRF 做 FM 收音機
[15]. SDR 教學實戰 —— 利用 GNU Radio + HackRF 做藍芽定頻測試工具（超低成本）

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