GNU Radio เครื่องมือพัฒนาซอฟต์แวร์วิทยุที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์ (SDR)

GNU Radio เป็นชุดเครื่องมือพัฒนาซอฟต์แวร์เสรี (Free Software Development Toolkit) ที่ให้บริการบล็อกการประมวลผลสัญญาณเพื่อนำไปใช้ในการสร้างวิทยุที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์ (Software-defined radios หรือ SDR) และระบบการประมวลผลสัญญาณ โดยสามารถใช้งานร่วมกับฮาร์ดแวร์ความถี่วิทยุ (RF) ภายนอกเพื่อสร้างระบบวิทยุ หรือใช้งานโดยไม่มีฮาร์ดแวร์ในสภาพแวดล้อมจำลองเพื่อการทดสอบและวิจัย

ภาพรวมของ GNU Radio

ซอฟต์แวร์ GNU Radio ให้โครงสร้างพื้นฐานและเครื่องมือในการสร้างและรันแอปพลิเคชันวิทยุซอฟต์แวร์หรือแอปพลิเคชันการประมวลผลสัญญาณทั่วไป โดยแอปพลิเคชันเหล่านี้มักถูกเรียกว่า "flowgraphs" ซึ่งเป็นชุดของบล็อกการประมวลผลสัญญาณที่เชื่อมต่อกันเพื่ออธิบายการไหลของข้อมูล

คุณสมบัติหลักของระบบ SDR คือความสามารถในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างได้ (Reconfigurability) แทนที่จะใช้เครื่องรับ-ส่งวิทยุที่ออกแบบมาเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่ง เราสามารถใช้เครื่องรับ-ส่งวิทยุทั่วไป (General-purpose radio) เป็นส่วนหน้า (Front-end) และใช้ GNU Radio ในการประมวลผลสัญญาณตามความต้องการของแอปพลิเคชันนั้นๆ

การพัฒนาและภาษาที่ใช้

Flowgraphs สามารถเขียนได้ด้วยภาษา C++ หรือ Python โดยโครงสร้างพื้นฐานของ GNU Radio ถูกเขียนขึ้นด้วย C++ ทั้งหมด ในขณะที่เครื่องมือสำหรับผู้ใช้ เช่น GNU Radio Companion ถูกเขียนด้วย Python

GNU Radio เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ GNU Project และเผยแพร่ภายใต้เงื่อนไขของ GNU General Public License (GPL) ซึ่งรหัสต้นฉบับส่วนใหญ่ได้รับลิขสิทธิ์โดย Free Software Foundation

ประวัติความเป็นมา

GNU Radio เริ่มเผยแพร่ครั้งแรกในปี 2001 โดยได้รับการสนับสนุนทางการเงินจาก John Gilmore เพื่อให้ Eric Blossom พัฒนาและจัดการโครงการ หนึ่งในแอปพลิเคชันแรกๆ คือการสร้างเครื่องรับ ATSC ด้วยซอฟต์แวร์

ซอฟต์แวร์นี้เริ่มต้นจากการเป็น fork ของรหัส Pspectra ที่พัฒนาโดยโครงการ SpectrumWare ของ MIT ต่อมาในปี 2004 ได้มีการเขียนรหัสใหม่ทั้งหมด ทำให้ปัจจุบัน GNU Radio ไม่มีรหัสเดิมของ Pspectra หลงเหลืออยู่

Matt Ettus ได้เข้าร่วมโครงการในฐานะนักพัฒนาคนแรกๆ และได้สร้าง Universal Software Radio Peripheral (USRP) เพื่อเป็นแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์สำหรับใช้งานร่วมกับ GNU Radio ต่อมาเขาได้ก่อตั้ง Ettus Research LLC เพื่อจำหน่าย USRP

เครื่องมือและซอฟต์แวร์ภายใน

GNU Radio Companion (GRC)

GNU Radio Companion เป็นอินเทอร์เฟซกราฟิก (GUI) ที่ใช้ในการพัฒนาแอปพลิเคชัน GNU Radio โดยทำหน้าที่เป็นส่วนหน้าของไลบรารีการประมวลผลสัญญาณ GRC ถูกพัฒนาโดย Josh Blum และเริ่มรวมเข้ากับชุดการติดตั้งของ GNU Radio ตั้งแต่เวอร์ชัน 3.2.0

GRC ทำหน้าที่เป็นเครื่องมือสร้างรหัส Python โดยเมื่อมีการคอมไพล์ flowgraph ใน GRC ระบบจะสร้างรหัส Python ที่สร้างหน้าต่าง GUI และวิดเจ็ตต่างๆ รวมถึงสร้างและเชื่อมต่อบล็อกใน flowgraph ตามที่ออกแบบไว้ โดยปัจจุบัน GRC รองรับการสร้าง GUI โดยใช้ชุดเครื่องมือ Qt

การแสดงผลและการพล็อตข้อมูล (Plotting and Displays)

GNU Radio มีตัวเลือกการแสดงผลข้อมูล (Data Sinks) สำหรับการพล็อตข้อมูลที่หลากหลาย เช่น การแสดงผล FFT, แผนภูมิกลุ่มดาวสัญญาณ (Symbol Constellation Diagrams) และการแสดงผลแบบ scope ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากในการตรวจสอบข้อผิดพลาด (Debugging) และการสร้างอินเทอร์เฟซผู้ใช้สำหรับแอปพลิเคชันสุดท้าย

PyBOMBS

เนื่องจากผู้ใช้จำนวนมากสร้าง "out-of-tree modules" เพื่อใช้งานร่วมกับ GNU Radio ทางองค์กรจึงได้สร้างโครงการ PyBOMBS (Python Build Overlay Managed Bundle System) เพื่อจัดการโมดูลเหล่านี้และจัดการ dependencies ที่จำเป็นในการรัน GNU Radio