教學課程：透過使用 GNU 無線電示範水族來了解虛擬 RF （vRF）

發行項
03/09/2024

在教學課程：從公用衛星下行鏈接數據時，來自美國宇航局水衛星的數據會使用 受控數據機向下連結，這表示地面站從水衛星接收的原始 RF 信號會通過 Azure Orbital 管理的數據機傳遞。此數據機的輸出，其格式為位元組，然後串流至使用者的 VM。在設定公用衛星下行鏈接任務聯繫人配置檔的步驟中，Demodulation Configuration 已設定為 Aqua Direct Broadcast，這是啟用並設定受控調製解調器以降級/譯碼從 Aqua 接收的 RF 訊號。使用 vRF 概念時，不會使用受控數據機，而是將原始 RF 訊號傳送至使用者的 VM 進行處理。此概念可以同時套用至下行連結和上行連結，但在本教學課程中，我們會檢查下行鏈接程式。我們會根據 GNU Radio 建立 vRF，以處理原始 RF 訊號並作為數據機。

在本指南中，您將了解如何：

瞭解使用 vRF 的限制和取捨。
透過 vRF 設定連絡人設定檔，而不是受控數據機。
使用 GNU Radio 作為數據機處理來自 Aqua 的下行連結資料（以原始 RF 的形式），使用離線/開發設定和即時設定。

必要條件

完成教學課程：美國宇航局水體公用衛星的下行鏈接數據，因為本教學課程假設您已設定航太器和 VM。

瞭解使用 vRF 的限制和取捨

在深入探討本教學課程之前，請務必瞭解 vRF 的運作方式，以及它與使用受控數據機的比較方式。使用受控數據機時，整個實體（PHY）層會在 Azure Orbital 內發生，這表示 RF 訊號會在 Azure Orbital 的資源內立即處理，而使用者只會接收數據機所產生的資訊位元組。藉由選擇 vRF，沒有受控數據機，原始 RF 訊號會從地面站數位板串流傳送給使用者。此方法可讓使用者執行自己的數據機，或擷取 RF 訊號以供稍後處理。

vRF 的優點包括能夠使用 Azure Orbital 不支援或可存取的數據機。vRF 也允許透過數據機執行相同的 RF 訊號，同時嘗試不同的參數來優化效能。這種方法可以用來減少測試期間所需的衛星通過數目，並加快開發速度。由於原始 RF 訊號的性質，封包/檔案大小通常大於該 RF 訊號中包含的位元組;通常介於 2-10 倍之間。更多數據表示 VM 與 Azure Orbital 之間的網路輸送量可能是 vRF 的限制因素。

在本教學課程中，您會先瞭解 vRF 的運作方式。在本教學課程結束時，我們會包含數個對 vRF 使用者感興趣的 RF 和數位板特定詳細數據。

vRF 中 DIFI 的角色

Azure Orbital 的地面站由數位板組成，這些數位板利用 DIFI 來傳送和接收數位 RF 訊號。 DIFI 封包通訊協議在技術上稱為「IEEE-ISTO Std 4900-2021：Digital IF 互操作性標準」，定義用於透過標準 IP 網路傳輸和接收數位 IF 數據的數據平面介面（例如 IQ 樣本）和對應的元數據。即使 DIFI 是「IF」標準，基底帶的 IQ 樣本也可以與 DIFI 串流，如同 Azure Orbital 一樣。 DIFI 封包的主要使用案例是建立衛星地面站數位板（電報）與軟體數據機之間的介面，使互操作性和對抗困擾衛星產業的廠商鎖定。

DIFI 封包通訊協定包含兩個主要訊息類型：數據封包和內容封包。由於舊版硬體原因，內容封包有兩個不同的版本。 Azure Orbital 的地面站會針對 X 波段訊號使用最新的（DIFI v1.1）內容封包，以及 S-Band 訊號的舊版格式。如果您使用 gr-difi GNU Radio 套件，請務必選取 X-Band 的 108 位元組格式，以及 S 波段的 72 位元組格式。針對非 GNU Radio vRFs，您必須確保正確版本的 DIFI 用於內容封包，您可以在這裡找到 v1.1，而且可以從這一節的程式代碼推斷舊版。在本教學課程結束時，AOGS 參考中的 vRF 包含更多考慮。

步驟 1：使用 AOGS 排程聯繫人並收集青色數據

首先，我們會移除受控數據擷取到pcap檔案。執行教學課程：來自 NASA 水體公用衛星的下行鏈接數據中的步驟，但在設定水底下連結任務的聯繫人配置檔期間，將降級設定保留空白，然後選擇 [通訊協定] 的 UDP。最後，在結尾，而不是 socat 命令（擷取 TCP 封包），執行 sudo tcpdump -i eth0 port 56001 -vvv -p -w /tmp/aqua.pcap 以將 UDP 封包擷取到 pcap 檔案。

注意

教學課程需要下列三項修改：美國宇航局水公用衛星的下行鏈接數據：

降級設定：保留空白
通訊協議：選擇 UDP
步驟 8 和 9：請改用命令 sudo tcpdump -i eth0 port 56001 -vvv -p -w /tmp/aqua.pcap

在衛星傳遞之後，您應該會有大小為 10-20 GB 的檔案 /tmp/aqua.pcap （視高度上限而定）。此檔案包含 DIFI 封包，其中包含地面站所接收的原始 RF 訊號，格式為 IQ 樣本。

步驟 2：從 DIFI 封包擷取 IQ 範例

接下來，我們會擷取 IQ 樣本，並以更傳統的形式儲存它們;二進位 IQ 檔案。下列步驟可以在您建立的 aqua.pcap 檔案複本的任何 VM/計算機上執行。這些步驟牽涉到使用 DIFI 聯盟維護的簡短 Python 腳本，將 IQ 範例從 UDP DIFI 封包擷取到 IQ 檔案。

將下列程式代碼下載或複製到新的 Python 腳本中。
編輯 filename 以符合您儲存pcap （/tmp/aqua.pcap）的位置。
使用 python3 difi_to_binary_iq.py執行 Python 腳本，而且它應該在與 pcap 相同的目錄中建立新的檔案，擴展名 .cs8 為。此檔案是二進位 IQ 檔案，其中包含數位 RF 樣本做為 8 位整數，而沒有其他任何整數。腳本需要一些時間才能執行，而且執行檔案時會變大。當腳本完成時，檔案的大小大致與pcap檔案相同。您可以在完成之前停止腳本（使用 control-C），然後繼續進行教學課程：本教學課程其餘部分不需要連絡的整個持續時間。
（選擇性）如果您想要將訊號可視化，請使用 https://github.com/miek/inspectrum/wiki/Build#building-on-debian-based-distros 安裝 Inspectrum，然後使用執行 Inspectrum inspectrum /tmp/aqua.pcap.cs8 （使用新 .cs8 檔案的路徑）。在檢查 GUI 中之後，您可以調整 Power Max 並 Power Min 查看訊號的完整動態範圍。

如果您也想要使用 float32 格式的 IQ 範例，而不是 int8（某些軟體只可讓您載入 float32 格式），您可以使用下列 Python 代碼段：

import numpy as np
samples = np.fromfile('/tmp/aqua.pcap.cs8', np.int8) / 127.0
samples = samples.astype(np.float32)
samples.tofile('/tmp/aqua.pcap.cf32')

我們將在下一個步驟中使用 float32 版本，因為它簡化了 GNU Radio flowgraph。

步驟 3：示範 GNU 電台中的水色訊號

接下來，我們會根據 GNU 無線電建立實際的 vRF 數據機，以用來降級水色訊號。

GNU Radio 是一個免費的開放原始碼軟體開發工具組，可提供訊號處理區塊和許多範例數位訊號處理（DSP）應用程式。它可與現成的低成本 RF 硬體搭配使用，以建立軟體定義的無線電，或在類似仿真的環境中不使用硬體。 GNU 無線電廣泛使用於研究、產業、學術界、政府和愛好環境，以支援無線通信研究和真實世界無線電系統。在本教學課程中，我們會使用 GNU Radio 來降級 Aqua （也就是 GNU Radio 作為數據機）。

雖然 GNU Radio 可用於無外設模式，但在本教學課程中，我們會使用 GNU Radio 的 GUI（也就是桌面介面），因此您必須複製 /tmp/aqua.pcap.cf32 至具有 X11 轉送的 VM 或具有 Ubuntu 20/22 桌面的電腦。命令 scp 可用來將檔案從 Azure 上的 VM 複製到本機開發電腦。

安裝 GNU Radio

如果您使用 Ubuntu 22，請執行 sudo apt-get install gnuradio。如果您改為在 Ubuntu 20 上，請使用下列命令來安裝 GNU Radio：

sudo add-apt-repository ppa:gnuradio/gnuradio-releases
sudo apt-get update
sudo apt-get install gnuradio python3-packaging

確認 GNU Radio 已正確安裝，且圖形正在使用 gnuradio-companion;視窗應該會快顯如下：

如果未顯示右邊的區塊樹，您可以使用右上方的放大鏡圖示來顯示它。

執行水流圖

GNU Radio 應用程式稱為「流程圖」，而且通常會處理或產生 RF 訊號。您可以在這裡下載要使用的入門流程圖。在 GNU Radio 中開啟此 .grc 檔案，您應該會看到下列流程圖：

注意

對於那些對流程圖/數據機運作方式的詳細數據不感興趣，您可以略過下列段落

流程圖從在 IQ 檔案中讀取開始，將它從交錯的 8 位整數轉換成 GNU Radio 的複雜數據類型，然後重新取樣訊號，從原始的 18.75 MHz 轉換為 15 MHz，這是每個符號的整數樣本數目。此重新取樣可能會有點令人困惑，因為在聯繫人配置檔中，我們指定了 15 MHz 的頻寬。如本教學課程結尾所討論的更多內容，對於 X 頻訊號，數位板會使用指定頻寬 1.25 倍的取樣率。事實證明，在此流程圖中，我們想要 15 MHz 取樣率，因此每個符號只有兩個樣本：因此，我們必須從 18.75 MHz 重新取樣到 15 MHz。接下來，我們有一個自動增益控制（AGC）區塊，以標準化信號功率等級。根引發餘弦值（RRC）篩選條件會做為相符的篩選條件。科斯塔斯迴圈會執行頻率同步處理，以移除因誤差或不完美多普勒修正所造成的任何小頻率位移。接下來會使用三個區塊，因為 Aqua 會使用位移 QPSK （OQPSK），而不是一般 QPSK。接著會執行符號同步處理，讓 OQPSK 符號在尖峰時取樣。我們可以使用星座接收區塊將QPSK的取樣可視化（顯示範例輸出）。流程圖的其餘部分交錯了實際和虛構的部分，並將它們儲存為 int8 的（chars/bytes），代表軟符號。雖然它可以將這些軟符號轉換成 1 和 0，但稍後處理的優點是擁有完整的符號值。

在執行流程圖之前，請按兩下 [檔案來源] 區塊，並更新路徑以符合您儲存 /tmp/aqua.pcap.cf32的位置。按兩下頂端播放按鈕以執行流程圖。如果先前的步驟成功，且您的 Aqua 連絡人成功，您應該會看到下列電源光譜密度（PSD）和 IQ 繪圖顯示：

根據收到訊號的強度，您的情況可能會有所不同。如果未顯示任何 GUI，請檢查左下角的 GNU Radio 輸出是否有錯誤。如果 GUI 出現，但類似於水準嘈雜線（沒有駝峰），這表示聯繫人實際上沒有收到青色訊號。在此情況下，請仔細檢查聯繫人配置檔中已啟用自動追蹤，並正確輸入中心頻率。

GNU Radio 完成所花費的時間取決於您讓pcap_to_iq腳本執行的時間，再加上計算機/VM CPU 電源。當流程圖執行時，它會將儲存在中的 /tmp/aqua.pcap.cf32 RF 訊號降級，並建立檔案 /tmp/aqua_out.bin，其中包含數據機的輸出。請隨意從 VM 複製此.bin檔案。

我們在此結束本教學課程。如果您有興趣將位元組譯碼成影像，您可以使用 NASA 的工具或開放原始碼工具，例如 altillimity/X-Band-Decoders。

（選擇性）步驟 4：實時執行 GNU 無線電流程圖

本教學課程最多代表建立 vRF 的設計/測試部分。我們轉換此 GNU 無線電流程圖，使其可在 VM 上實時執行，其與真正的 vRF 數據機相同。

處理輸入

先前，我們手動將 DIFI 封包 pcap 轉換成二進位 IQ 檔案，然後使用 Fink Source 區塊將該二進位 IQ 檔案載入 GNU Radio。我們可以使用 gr-difi 內的區塊來簡化流程圖（由 Microsoft 維護），其設計目的是將 DIFI 封包接收到 GNU Radio！這個新增的區塊確實需要我們安裝 GNU Radio out-of-tree （OOT）模組，這就像 GNU Radio 的外掛程式：

sudo apt-get install python3-pip cmake liborc-dev doxygen
sudo pip install pytest pybind11
cd ~
git clone https://github.com/DIFI-Consortium/gr-difi
cd gr-difi
mkdir build
cd build
cmake -DCMAKE_FIND_ROOT_PATH=/usr ..
make -j4
sudo make install
sudo ldconfig

在這些步驟之後，您應該能夠重新開啟 GNU Radio，並查看區塊樹狀結構中列出的新區塊（DIFI 來源和 DIFI 接收）。在您在上一節中使用的流程圖中，執行下列步驟：

將 [檔案來源] 區塊取代為 DIFI 來源 區塊
按兩下 DIFI 來源區塊以編輯其參數
來源IP位址應該是VM eth0介面的IP
埠應該是 56001，就像我們在 tcpdump 步驟中使用的一樣
將 DIFI 數據流編號設定為 0。所有其他參數都可以保留預設值

如果您想要在開發計算機上測試此流程圖，您需要 udpreplay 之類的工具來播放我們錄製的 pcap。否則，您可以等候測試此部分，直到連線至 Azure Orbital 的 VM 上即時使用流程圖為止。這項限制是協助在 vRF 開發和測試階段期間錄製訊號的其中一個原因。

處理輸出

您可以選擇將檔案接收留在結尾，並擷取每個傳遞的記錄檔，但許多應用程式需要將位元組串流出數據機。其中一個選項是使用 TCP 接收區塊來取代檔案接收。 TCP 接收區塊可以在伺服器或用戶端模式中設定，視應進行初始連線的端而定。將輸入類型設定為 Byte，而 TCP 接收會透過原始 TCP 承載串流位元組。

ZMQ PUB 接收是另一個選項，這是位於 TCP 或進程間通訊（IPC）之上的傳訊連結庫，用於更複雜的行為，例如 PUB/SUB。

如果您將其保留為檔案接收，建議您在流程圖結尾新增幾行 Python，以將建立的檔案複製到新位置。

在無外設模式中執行流程圖

接收 Azure Orbital 數據流的 VM 很可能不支援桌面環境，這會導致 GNU Radio 當機。我們必須設定此流程圖，以避免使用 GUIS。

編輯左上角的 [選項] 區塊
在 [產生選項] 下選擇 [無 GUI]
在 [執行選項] 下，選擇 [執行至完成]
按 [確定]

這些步驟可讓我們以沒有 GUI 的 Python 腳本的形式執行流程圖，當連入套接字關閉流程圖時，流程圖應該會自動結束。

實時執行流程圖

一旦使用 DIFI 來源和無外設模式設定流程圖之後，我們可以在 VM 上即時執行流程圖。在 GNU Radio Companion （GRC）中，每次按下播放按鈕時，都會在同一個目錄中建立.py檔案。此 Python 腳本必須複製到 VM。如果 GNU Radio 和 gr-difi 已正確安裝，您應該能夠使用 python yourflowgraph.py 來執行 Python 腳本，並等候 Azure Orbital 的 DIFI 數據流啟動。您可以隨意新增任何您想要此 Python 腳本的 Python 程式代碼，例如將產生的檔案複製到每個階段的新位置。注意：如果您在 GRC 中重新產生 Python 腳本，則必須再次手動新增這個新的 Python 程式代碼。

如果上述步驟正常運作，您已成功根據 GNU Radio 建立並部署下行連結 vRF！

AOGS 參考內的 vRF

在本節中，我們提供數個對 vRF 使用者或設計工具感興趣的 RF/數位板特定詳細數據。

在下行連結端，vRF 會收到來自 Azure Orbital 的訊號。在衛星聯繫人期間，Azure Orbital 會將 DIFI 串流傳送至使用者的 VM。用戶應該即時擷取數據流，方法是錄製或實時處理串流。範例包括使用 tcpdump、socat 或直接內嵌至數據機。接下來是一些與 Azure Orbital 地面站如何接收和處理訊號相關的規格：

中心頻率是在聯繫人配置檔中指定
訊號頻寬（BW）是在聯繫人配置檔中設定，取樣速率是 1.25*BW X 頻和 1.125*BW S 波段聯繫人
DIFI 資料流使用 8 位深度（每個 IQ 樣本 2 個字節）
數位板的增益模式設定為使用自動增益控制（AGC），電源目標為 -10 dBFS
未使用光譜反轉
未使用頻率位移
使用者 VM MTU 大小應針對 X-Band 設定為 3650，而 S-Band 應設定為 1500，這是來自 Azure Orbital 的最大封包大小

在上行連結端，用戶必須提供 DIFI 串流給 Azure Orbital，Azure Orbital 才能傳輸。上行連結 vRF 設計工具可能會有下列注意事項：

中心頻率是在聯繫人配置檔中指定
訊號取樣率是透過 DIFI 串流設定的（即使頻寬是作為聯繫人設定檔的一部分提供，但純粹用於網路設定下）
位深度是透過 DIFI 數據流設定，但 Azure Orbital 預期有 8 位
DIFI 數據流標識碼應設定為 0
類似於下行連結，S-Band 的 MTU 大小應為 1500，X-Band 最多為 3650 （您選擇的）
未使用光譜反轉
未使用頻率位移

下一步

若要使用 Azure Orbital 地面站輕鬆部署接收和處理太空地球觀測數據所需的下游元件，請參閱：

Azure Orbital 整合

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