GNU Radio是一個開源的軟件開發工具包，它提供了信號處理模塊，用于構建軟件定義無線電（SDR）系統。在無線通信領域，調制與解調技術是核心，其中QPSK（四相相移鍵控）和FSK（頻移鍵控）是兩種經典且廣泛應用的調制方式。本文將探討如何在GNU Radio環境中設計、搭建并運行可實現正確編解碼的QPSK與FSK調制解調流圖，并闡述其在計算機軟硬件開發中的實際應用價值。
一、 QPSK與FSK調制解調原理簡述
QPSK通過改變載波信號的相位來傳輸信息，每個符號攜帶2比特信息，具有較高的頻譜效率。在GNU Radio中，其調制通常涉及比特流到符號的映射、脈沖成形（如升余弦濾波器）以及正交載波調制。解調則包括載波同步、時鐘恢復和符號判決等關鍵步驟。
FSK則是通過改變載波頻率來傳遞信息，其實現相對簡單，抗噪聲能力強，但頻譜效率較低。GNU Radio中可通過Frequency Mod模塊實現調制，解調則可使用如Quadrature Demod或專用的FSK解調器。
二、 可運行流圖的設計與搭建
構建一個“可運行且能正確解碼”的流圖，關鍵在于模擬真實通信鏈路的各個環節并確保參數匹配。
- 發射端設計：
- 信源：使用
Random Source或Vector Source產生比特流。
- 調制：
- QPSK：使用
Packet Encoder（如需成幀）或直接使用Chunks to Symbols將比特對映射為復數符號（如1+j, -1+j等），再經過Root Raised Cosine Filter進行脈沖成形。
- FSK：使用
Repeat模塊提升比特率以滿足過采樣要求，然后通過Frequency Mod模塊進行調制，頻偏需合理設置。
- 信道模擬：為了測試魯棒性，可加入
Channel Model模塊，引入噪聲、多徑衰落等效應。
- 接收端設計：
- 同步與解調：
- QPSK：這是難點所在。需要使用
Polyphase Clock Sync進行時鐘同步，使用Costas Loop進行載波相位恢復。之后通過CMA Equalizer（恒定模算法均衡器）校正信道畸變，最后進行符號判決和映射。
- FSK：使用
Quadrature Demod模塊將頻率變化轉換為幅度變化，再通過Low Pass Filter和Clock Recovery MM恢復時鐘，最后用Binary Slicer進行比特判決。
- 信宿與驗證：使用
Packet Decoder（如果發射端成幀）或直接將接收比特流與原始比特流通過Correlate Access Code - Tag Stream或簡單的XOR操作進行比較，通過Message Debug或GUI Message Edit Box輸出誤碼率（BER）以驗證解碼正確性。
- 調試技巧：廣泛使用
QT GUI Time Sink、Frequency Sink、Constellation Sink（對QPSK至關重要）和Number Sink（顯示BER）等可視化工具觀察信號狀態，逐步調整增益、環路帶寬等參數直至星座圖收斂、誤碼率降至可接受水平。
三、 在計算機軟硬件開發中的應用
GNU Radio的QPSK/FSK流圖不僅是教學演示工具，更是強大的研發平臺。
- 軟件算法開發與驗證：研究人員可在GNU Radio的圖形化或Python API（GRC生成的流圖實質是Python代碼）環境中，快速原型化新的同步、均衡或解碼算法，并與傳統算法進行性能對比。其模塊化設計便于算法替換和迭代。
- 硬件在環測試與驅動開發：通過
UHD: USRP Source/Sink模塊，流圖可以無縫連接Ettus USRP等通用硬件射頻前端。開發者可以用設計好的QPSK/FSK流圖：
- 測試硬件性能：如評估USRP的相位噪聲、線性度對QPSK誤碼率的影響。
- 驗證通信協議：作為物理層實現，為上層協議（如自定義的MAC層）提供測試環境。
- 開發與調試驅動程序：在開發新的SDR硬件驅動時，一個穩定的調制解調流圖是功能驗證的“黃金標準”。
- 教育與應用原型：在通信工程教育中，它使學生能直觀理解抽象理論。在工業界，可基于此快速搭建用于物聯網（FSK常用于Sub-1GHz頻段）、業余無線電、或特定場景無線數傳的演示原型系統。
結論：在GNU Radio中成功搭建并運行一個能正確解碼的QPSK或FSK調制解調流圖，是一項融合了通信理論、數字信號處理實踐和軟件工程能力的綜合性任務。它不僅為學習現代通信系統提供了絕佳的實踐環境，更在從算法仿真到硬件部署的完整軟硬件開發鏈條中扮演著關鍵的原型設計、測試與驗證角色，極大地加速了無線通信技術的創新與應用落地。
