通过 callback 函数获取 HackRF RX 输出 IQ 信息

获取 HackRF RX IQ 数据信息

下面我们看一下如何在 Linux 环境下如何通过 HackRF 获取到采到的 IQ 数据，这将是通过 HackRF 做各种数据处理的第一步：

不得不说 ChatGPT 确实让 programming 简单了太多，下面的很多内容都来自于 GhatGPT，特此致敬

在前几篇 Blog 中，我们写了一个简单的 HackRF 工程来获取 Hackrf 的 ID 和各种版本信息。下一步我们来看一下如何获取通过 HackRF 收到的 IQ 数据信息。

接收机参数配置

首先我们需要对 HackRF 的接收机参数进行配置，HackRF library 中通过以下几个函数进行 RX 配置：

1. hackrf_set_freq：该函数用于配置 HackRF 的工作频率，理论的配置范围是 1-6000MHz，单位是 Hz，Default 是 900MHz

2. hackrf_set_sample_rate：该函数用于配置 HackRF 的采样率，理论的配置范围是 2-20MHz，单位是 Hz，Default 是 10MHz

3. hackrf_set_vga_gain：该函数用于配置 HackRF 收发器芯片的 BB Gain，理论配置范围是 0-62dB，单位是 dB，步进是 2dB

4. hackrf_set_lna_gain：该函数用于配置 HackRF 收发器芯片的 LNA Gain，理论配置范围是 0-40dB，单位是 dB，步进是 8dB

5. hackrf_set_amp_enable：该函数用于使能/去使能 HackRF 收发器芯片前端的射频放大器，可以提供 14dB 的增益，理论配置范围是 0 或 1

为方便调用，我们可以创建一个 hackrf_rx_config 函数来进行上述的 RX 配置，如下图所示：

int hackrf_rx_config(hackrf_device* dev,uint64_t freq_Hz,double sample_rate,uint32_t vga_gain_value, uint32_t lna_gain_value){

	int result = HACKRF_SUCCESS;

	// Set frequency
	result = hackrf_set_freq(dev, freq_Hz);
	if(result != HACKRF_SUCCESS){
		printf("HackRF Set Frequency Fail \n");
	}
	else{
		printf("HackRF Frequency Set to %lu \n", freq_Hz);
	}

	// Set Sample Rate
	result = hackrf_set_sample_rate(dev, sample_rate);
	if(result != HACKRF_SUCCESS){
		printf("HackRF Set Sample rate Fail \n");
	}
	else{
		printf("HackRF Frequency Set to %f \n", sample_rate);
	}

	// Set VGA Gain
	result = hackrf_set_vga_gain(dev, vga_gain_value);
	if(result != HACKRF_SUCCESS){
		printf("HackRF Set VGA Fail \n");
	}
	else{
		printf("HackRF VGA GAIN Set to %u \n", vga_gain_value);
	}

	// Set LNA Gain
	result = hackrf_set_lna_gain(dev, lna_gain_value);
	if(result != HACKRF_SUCCESS){
		printf("HackRF Set LNA Fail \n");
	}
	else{
		printf("HackRF LNA GAIN Set to %u \n", lna_gain_value);
	}

	// Disable Amplifier by Default
	result = hackrf_set_amp_enable(dev, 0);
	if(result != HACKRF_SUCCESS){
		printf("HackRF Disable Amp Fail \n");
	}
	else{
		printf("HackRF Disable Amp \n");
	}

	return result;
 }

RX Callback 函数

接下来我们定义一个 callback 函数，用于当 HackRF RX 每次采集 Buffer 装满后调用，我们也可以在这个 callback 函数中将 HackRF 接收到的 IQ 数据采集出来，然后进行后续的数字信号处理。callback 函数本身会返回一个 int，注意返回值为 0 的时候会继续下一次的 rx；返回值为 1 就会在此次 callback 后停止接收。

callback 函数通过一个 hackrf_transfer 结构体来进行 USB 数据传输，hackrf_transfer 结构体包括了:

1. hackrf_device* device: 用于定义发起此次 USB 传输的 HackRF device

2. uint8_t* buffer: 这个就是 USB 传输的 Data，以交织的 8bit I 和 Q 的形式进行传输。注意，HackRF 在 2014.08.01 version 开始改为 signed 数据，即有符号数。因此大家可以通过查询自己 HackRF 的版本信息来判断是否采用 无符号数 或 有符号数。关于这一改动的记录在这里：

1. int buffer_length：返回 Buffer 长度

2. int valid_length: 这个用于返回此次 callback 中有效的传输的 bytes 数量，注意这个数量除以 2 才是 IQ 数据的数量

3. void* rx_ctx: 是用户可以往 callback 函数中传输的内容，基本没有用到过。

因此我们可以写一个简单的 callback 函数来打印出 callback 函数的频率与每次调用后输出 Buffer 的有效数据长度（也就是采集到的 IQ 数据数量）。这样可以与我们设置的 Sample Rate 做对比。

一开始我尝试使用 clock_t current_time = clock() 的方式进行时间记录，但是发现这种方式在 callback 函数中无法正确的记录 callback 的频率，于是改为采用 timespec 来记录绝对的时间。实话说我不知道为什么 clock_t 的方法无法正确记录 callback 函数的频率，我猜测与 clock_t 只记录 CPU 的时间有关，因为我通过 sleep 的方式去使 hackrf 处于一段时间的 RX 状态，因此可能在这个 sleep 中间程序并没有使用 CPU 所以导致计时的错误。Anyway，通过 timespec 获取绝对时间的方式，可以完成计算，因此整个 rx callback 函数如下所示：

int rx_callback(hackrf_transfer* transfer){

    // Used to record time consumption
    static struct timespec current_time;
    static struct timespec  last_time;
    static double execution_time;

    //Used to record how many times the callback is used
    static int num_callback = 0;

    // Error in streaming handle:
    if(transfer == NULL || transfer->buffer == NULL){
        fprintf(stderr,"Invalid transfer data \n");
        return -1;
    }

    // Time calculate
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC,&current_time);
    execution_time = (current_time.tv_sec-last_time.tv_sec)*1000.0+(current_time.tv_nsec - last_time.tv_nsec)/1000000.0;
    num_callback++;
    last_time = current_time;

    // Print Output
    printf("The %i transfer Buffer length is: %i\n",num_callback,transfer->valid_length);
    printf("The execution time (ms) is: %f\n",execution_time);

    return 0;
}

Main 函数

最后，我们在 main 函数中通过 hackrf_start_rx() 的方式启动 RX 流程，并将上面定义的 rx_callback 函数写入 hackrf_start_rx 的 callback 中。接下来我们设置 sleep(5）让程序休眠 5s，在这个期间当 RX Buffer 填满之后就会调用 callback 函数将每次有效的 Buffer 长度和 callback 调用频率打印出来。最后在休眠 5s 后通过 hackrf_stop_rx() 关闭 hackrf 接收，并通过 hackrf_close() 关闭 hackrf 设备。

整个 Main 函数如下所示：

int main(int argc, char** argv){

	// Parameters
	void* rf_dev;
	int result = HACKRF_SUCCESS;

	// Initiate HackRF
	hackrf_init_and_checkID(&rf_dev);

    // Config HackRF RX
    hackrf_rx_config(rf_dev,FREQ,SAMPLE_RATE,VGA_GAIN,LNA_GAIN);

    // Start HackRF Receive
    hackrf_start_rx(rf_dev,rx_callback,NULL);

	// Execute RX for 5s
    sleep(5);

    // Stop HackRF Rx
    result = hackrf_stop_rx(rf_dev);
    if(result != HACKRF_SUCCESS){
        fprintf(stderr,"Hackrf STOP RX Fail \n");
    }

	// Close HackRF
	result = hackrf_close(rf_dev);
	if(result != HACKRF_SUCCESS){
		fprintf(stderr,"Hackrf not closed\n");
	}
	else{
		printf("Hackrf closed \n");
	}
}

输出

当我们设置采样率为 8MHz 时，从下图可以看到在 5s 内调用了 305次 callback 函数，也就是 16.39ms 每次。同时我们从记录的 time interval 可以看到实时每一次 callback 与上一次的时间间隔，大约也是 16.3ms 附近。每次 Buffer 的有效长度都是 262144 个 bytes，也就是有 131072 个 IQ 数据。我们可以计算 8MHz 采样率，每次采 131072 个数，理论需要的时间为 1/8e6*131072 = 16.384ms，因此所有的数据都能够一一对应。注意实际每次 callback 的调用频率从下图中可以看到并不是完全一样的，这可能是与 USB 传输延迟有关。

如果把采样调整为 20MHz，可以看到 5s 内调用了 762次 callback，每次实测的 callback 时间间隔大约是 6.6ms，与理论计算的 6.55ms 对齐。

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