Pythonではじめるソフトウェア無線
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Introduction on GNURadio, PothosWare, and Universal Radio Hacker in regarding to how Python is effectively used in these platforms and application.
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Pythonではじめるソフトウェア無線
- 2. 今日の内容 (00:15) ● ソフトウェア無線って何？ ● どんなことができるの？ ● ちょっとだけ電波や通信の話 ● フレームワークやライブラリ ● 沼への始めてみたい人への案内
- 3. ソフトウェア無線って？ ● 従来はハードウェアで実現されていた要素が ● ソフトウェアによって実現されたもので ● 技術の発展により理論上でのみ可能とされていたことが 本当に可能になった
- 12. わかりたい 0000001111111110101001100000000000000011011011011011010111 どういうプロセスを経て、情報が電波となり、電波が情報になるのか？
- 14. Python: どう活用されてる？ ● GNURadio (+ GNURadio Companion) – C++/Pythonが主力言語 – DSPや制御ブロックをPythonで書いて拡張できる – 機能ブロックを接続してPythonアプリを生成 ● PothosFlow – C++/Pythonが主力言語 – ほぼGNURadio（GRC作者がGRに不満で作った） ● Universal Radio Hacker – Pythonで書かれた解析用SDRアプリケーション DSPコアはさすがにC++が強いものの、それでもNumPyやらCythonが 色々なところに登場して活用されている
- 15. GNURadio Companion (9:00) ● 2001年：GNURadioプロジェクト開始 – 信号処理フレームワーク – 豊富なDSPブロックのライブラリ – それらDSPブロックを実行するスケジューラ – 多数の各種SDRデバイスのIOドライバ ● 2009年：GRCでビジュアル開発が可能に – フローグラフを描いて機能ブロックを連結 – 図からPythonコードを生成して実行・検証
- 18. やってみよう (12:00) 一番簡単な「Lチカ」、「Hello, world」的なフローグラフ。 Signal Sourceで1KHzの信号を生成して、可視化用のQT GUI Time Sinkで それを受けている。間のThrottleはCPU過剰消費防止用。
- 19. やってみよう 一番簡単な「Lチカ」、「Hello, world」的なフローグラフ。 Signal Sourceで1KHzの信号を生成して、可視化用のQT GUI Time Sinkで それを受けている。間のThrottleはCPU過剰消費防止用。
- 33. GNURadioブロックの入出力構造 Dataは文字通りで信号データ、Tagは信号データの各所にマークを 付け後続ブロックの目印とするメタデータ、そしてMessageは ブロックに対する制御メッセージを送るためのもの。 これら3つをブロックで生成したり受け渡しつつ、ブロック パラメータに応じた処理をしてゆく形となる。 Message In Message Out Data In Data Out 010101110000000001010101010 Tag(name: value) Data
- 42. いろいろなブロックを経て・・・ 先頭8192byteだけ取り出して ファイルに保存 受 信 完 了 元々送出したバイト列と同じものが8KB続いている
- 44. Pothos ● GNURadio/GRCの代替として開発 – GRC作者がGRの機能に不満があり着手したらしい… ● おおむねGR/GRCと同じ – フローグラフで機能ブロックを連結 – APIでC++/Pythonでアプリや拡張を開発可能 ● 特徴的な違い – Pythonコードジェネレータは未実装 – 画面操作性はGRCよりもこなれている ● 変更がライブで反映、実行結果が止めても残るなど – 統一的なSDR機器のIOドライバがある（SoapySDR） ● ネットワーク透過なIOもできる
- 45. PothosFlow 機能的にはGNURadioと同等（GRのブロックも使える） 可視化や操作UIはPyQtな別窓が開く形態ではなく、シートに 自由配置する方式。別シートにも置け画面構成の自由度が高い
- 46. Pothos拡張もPythonで 上のフローグラフ自体はPython blockをテストしただけのものだが、 PothosでもPythonでブロックを拡張できる。 ただし、登録はGUIからではなく指定フォルダに配置の必要がある。 Windows: %APPDATA%/Pothos/modules/ Linux: ~/.config/Pothos/modules/
- 47. PothosアプリをPythonで コードジェネレータは ないため自分で書く。 GRと同様の 1. ブロックを設定 2. ブロックを接続 3. 実行開始 の構成。API自体はかなり クリーンで読みやすい。
- 49. (29:00)
- 52. そんなあなたにURH フローグラフすら描くことなく半自動でキャプチャした信号の ノイズ除去、復調、シンボル同期がなされる！範囲指定やパラメータを 切り替えたらその場で新しい結果が即座に見える。
- 54. もちろんPython $ pip install urh URHもやはりプラグイン拡張が可能で、当然Pythonが開発言語。 しかしその詳細は力が及ばなかったので今回は報告は見送りです・・・
- 55. まとめます ● 従来：用途別機器を介した制限されたアクセス ● SDRで無線へのアクセス性が質的に変わった – 振幅・位相といったレベルで任意の計測が可能に – 商用機材（H/W）がなくてもアクセス可能に ● GNURadio/GRCはビジュアルPython開発環境 – フローグラフ＝Pythonアプリケーション ● PothosWareも強力な信号処理開発環境 – SoapySDRを使えば未来のSDR機材まで含めて対応 ● Universal Radio Hackerは夢のリバエン環境 この分野、あらゆる所にPythonが使われています。 あなたもPythonでソフトウェア無線をはじめてみませんか？
- 56. END
- 57. 補記
- 58. 周波数帯の呼び名 周波数 波長 呼称 補足 ～3KHz 100km～ 極超短波(ULF, SLF, ELF) Ultra, Super, Extremely Low 3～30KHz 10～100km VLF、超長波 Very Low 30～300KHz 1～10km LF、長波 Low 0.3～3MHz 0.1～1km MF、中波 Medium 3～30MHz 10～100m HF、短波 High 30～300MHz 1～10m VHF、超短波、メートル波 Very High 0.3GHz～ 3GHz 0.1～1m UHF、極超短波 マイクロ波 L, S, C, X, Ku, K, Ka, V, W, G などのバンド名での 分類も使われる 3～30GHz 1～10cm SHF、センチメートル波 30～300GHz 1～10mm EHF、ミリ波 0.3～3THz 0.1～1mm THF、テラヘルツ波 3THzまでが電波という扱い。ここから先は赤外線、可視光、紫外線、X線、ガンマ線と続く
- 59. 補記：SDRとデジアナ境界
- 60. SDR：物理の制約はやっぱりある 実信号 Q成分 I成分 アンテナ フィルタ 増幅器 フィルタ Local Oscillator 局発/局部発振器 IF / 中間周波数 RF ADC増幅器 LO - RF = IF ここまで アナログ ここから デジタル ※どこが境界になるか（ADCがどこに置かれるか）は機材の設計による ※ADC性能やバス帯域との綱引きでそれぞれ結構違う構成で出ている
- 62. 実信号→解析信号への分解 この切り捨て処理がポイントで、「負の周波数」についての解釈を 見ることもありますが、結局の所は解析に必要十分な成分だけ残すと いう操作です。ここで数学的な等価性は失います。
- 63. 実信号→解析信号への分解 このような形に分解すると、周波数の算出や位相変化の検出といった 計算処理が非常に容易になり、そういった信号要素の変化に情報を 乗せる無線通信では不可欠なものになっています。
- 64. 補記：パケットデータの生成
- 65. パケットデータの生成 ダミーデータの生成 01 01 01 01 01 01 01 01 00 00 00 00 00 00 01 01 という16byteの反復
- 66. パケットデータの生成 16byte単位でタグを打ち、ペイロード範囲の目印とする 01010101010101010000000000000101 0101010101010101... Tag(packet_len: 16) Tag(packet_len: 16)
- 67. パケットデータの生成 入ってきたタグからペイロード長を得て、 それを含むフレームヘッダを生成する AA00100010 AA00100010 Tag(packet_len: 16) Tag(packet_len: 16) 01010101010101010000000000000101 0101010101010101... Tag(packet_len: 16) Tag(packet_len: 16) = AA
- 68. パケットデータの生成 フレームヘッダとペイロードの２つの ストリームを、タグをキーに合成する AA0010001001010101010101010000000000000101 AA001... Tag(packet_len: 16) = AA Tag(packet_len: 16)
- 70. 補記：変調→送信→受信→復調
- 71. 変調→送信→受信→復調 変調→送信 受信→復調 変復調はGNURadioのブロックにおまかせなので、非常に簡単。 本当に送受信する場合はこの間にSDR機器を入れる。 間のTag Gateはタグが受信側にまで伝播しないようにフィルタするもの。 FSKのコンステレーション 復調したベースバンド信号 （まだbitになってない）
- 72. 補記：シンボル同期とフレーム検出
- 74. シンボル同期とフレーム検出 bit(01010101010101010000000000000101) ... 入ってきたビット列を走査し、所定のビット列(0xAA)を 検知したらヘッダをデコードし、タグ付きペイロードを吐く = AA Tag(len_key2: 128) 128bit (16byte) payload
- 75. シンボル同期とフレーム検出 01010101010101010000000000000101 010101010101010... ここまで数値的にはfloatで流れていたデータを タグを境界目印にしつつビット→バイトと変換 Tag(len_key2: 128) Tag(len_key2: 128)
- 76. シンボル同期とフレーム検出 先頭8192byteだけ取り出して ファイルに保存 受 信 完 了 元々送出したバイト列と同じものが8KB続いている