项目概述

AirSpy Host是一个用于控制AirSpy软件定义无线电(SDR)设备的主机端软件库和工具集。该项目包含核心库libairspy和配套工具airspy-tools，提供了完整的SDR设备控制、数据采集和信号处理功能。

项目结构

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airspyone_host/
├── libairspy/          # 核心库
│   └── src/
│       ├── airspy.c           # 主要API实现
│       ├── airspy.h           # 公共API头文件
│       ├── iqconverter_float.c # 浮点数IQ转换器
│       ├── iqconverter_float.h
│       ├── iqconverter_int16.c # 16位整数IQ转换器
│       ├── iqconverter_int16.h
│       └── filters.h          # 滤波器系数定义
├── airspy-tools/       # 工具集
│   └── src/
│       ├── airspy_rx.c        # 数据接收工具
│       ├── airspy_info.c      # 设备信息工具
│       ├── airspy_calibrate.c # 校准工具
│       └── ...
└── cmake/              # 构建配置

核心功能模块

1. 设备管理模块 (airspy.c)

设备初始化流程

graph TD A[airspy_open] --> B[libusb_init] B --> C[查找AirSpy设备] C --> D[打开USB设备] D --> E[配置USB接口] E --> F[分配传输缓冲区] F --> G[创建IQ转换器] G --> H[初始化线程同步] H --> I[设备就绪]

关键数据结构

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typedef struct airspy_device {
    libusb_context* usb_context;        // USB上下文
    libusb_device_handle* usb_device;   // USB设备句柄
    struct libusb_transfer** transfers; // USB传输数组
    airspy_sample_block_cb_fn callback; // 数据回调函数
    
    // 线程管理
    pthread_t transfer_thread;          // USB传输线程
    pthread_t consumer_thread;          // 数据消费线程
    
    // 缓冲区管理
    uint16_t *received_samples_queue[RAW_BUFFER_COUNT]; // 原始数据队列
    void *output_buffer;                // 输出缓冲区
    
    // 信号处理
    iqconverter_float_t *cnv_f;        // 浮点IQ转换器
    iqconverter_int16_t *cnv_i;        // 整数IQ转换器
    
    enum airspy_sample_type sample_type; // 采样类型
} airspy_device_t;

2. 数据流处理架构

graph LR A[AirSpy硬件] --> B[USB传输] B --> C[原始数据队列] C --> D[数据解包] D --> E[样本转换] E --> F[IQ转换器] F --> G[用户回调] subgraph "多线程处理" H[传输线程] --> I[消费线程] end

数据流详细处理步骤

  1. USB数据接收 (airspy_libusb_transfer_callback)

    • 接收来自AirSpy设备的原始12位ADC数据
    • 数据打包格式：每3个32位字包含8个12位样本

  2. 数据解包 (unpack_samples)

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    // 将打包的12位数据解包为16位
static inline void unpack_samples(uint32_t *input, uint16_t *output, int length)
{
    for (i = 0, j = 0; j < length; i += 3, j += 8) {
        output[j + 0] = (input[i] >> 20) & 0xfff;
        output[j + 1] = (input[i] >> 8) & 0xfff;
        // ... 解包8个12位样本
    }
}

  3. 样本格式转换

    • 12位ADC值转换为有符号格式：(sample - 2048)
    • 缩放到适当范围：浮点数使用SAMPLE_SCALE，整数使用位移

3. DDC (Digital Down Converter) 实现

DDC功能主要在iqconverter_float.c和iqconverter_int16.c中实现，用于将实数采样转换为复数IQ数据。

DDC处理流程

graph TD A[实数采样流] --> B[DC偏移移除] B --> C[频率平移 fs/4] C --> D[半带滤波器] D --> E[延迟补偿] E --> F[IQ输出] subgraph "DDC核心算法" G[remove_dc] --> H[translate_fs_4] H --> I[fir_interleaved] I --> J[delay_interleaved] end

DDC关键函数分析

  1. 主处理函数 (iqconverter_float_process)

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    void iqconverter_float_process(iqconverter_float_t *cnv, float *samples, int len)
{
    remove_dc(cnv, samples, len);      // 移除DC偏移
    translate_fs_4(cnv, samples, len); // DDC处理
}

  2. 频率平移 (translate_fs_4)

    • 实现fs/4频率平移，将实数信号转换为复数IQ
    • 使用复数乘法：[1, -j, -1, j]的循环模式
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    // 频率平移序列：乘以 [-1, -hbc, 1, hbc]
samples[j + 0] = -samples[j + 0];        // I通道反相
samples[j + 1] = -samples[j + 1] * hbc;  // Q通道反相并乘以半带系数
samples[j + 3] = samples[j + 3] * hbc;   // Q通道乘以半带系数

  3. 半带滤波器 (fir_interleaved)

    • 使用47阶半带FIR滤波器进行抗混叠滤波
    • 滤波器系数定义在filters.h中
    • 优化实现：针对不同长度提供专门的函数

  4. 延迟补偿 (delay_interleaved)

    • 补偿I/Q通道间的群延迟差异
    • 确保I/Q信号的相位对齐

4. DC Offset 移除实现

DC偏移移除是DDC处理的第一步，用于消除ADC和前端电路引入的直流分量。

DC移除算法

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#define SCALE (0.01f)  // 时间常数控制

static void remove_dc(iqconverter_float_t *cnv, float *samples, int len)
{
    float avg = cnv->avg;  // 当前DC估计值
    
    for (i = 0; i < len; i++) {
        samples[i] -= avg;           // 移除当前DC估计
        avg += SCALE * samples[i];   // 更新DC估计（一阶IIR滤波器）
    }
    
    cnv->avg = avg;  // 保存更新的DC估计
}

DC移除原理

  • 使用一阶IIR高通滤波器：H(z) = (1 - α) / (1 - α·z^-1)
  • 时间常数由SCALE参数控制，值越小响应越慢但稳定性越好
  • 自适应跟踪DC偏移的缓慢变化

5. 滤波器设计

半带滤波器系数 (filters.h)

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#define HB_KERNEL_FLOAT_LEN 47

const float HB_KERNEL_FLOAT[47] = {
    -0.000998606272947510,
     0.000000000000000000,  // 奇数索引为0（半带特性）
     0.001695637278417295,
     0.000000000000000000,
     // ... 
     0.500000000000000000,  // 中心抽头
     // ... 对称结构
};

滤波器特性

  • 类型: 47阶线性相位FIR半带滤波器
  • 通带: 0 到 fs/4
  • 阻带: fs/4 到 fs/2
  • 对称性: 利用半带滤波器的对称性优化计算

6. 多线程架构

graph TD A[主线程] --> B[启动接收] B --> C[创建传输线程] B --> D[创建消费线程] C --> E[USB事件处理] E --> F[数据接收回调] F --> G[数据入队] D --> H[数据出队] H --> I[信号处理] I --> J[用户回调] subgraph "线程同步" K[条件变量] --> L[互斥锁] end

线程同步机制

  • 生产者-消费者模式: 传输线程生产数据，消费线程处理数据
  • 环形缓冲区: 8个缓冲区的环形队列，避免内存分配开销
  • 条件变量: 用于线程间的高效同步

7. 采样类型支持

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enum airspy_sample_type {
    AIRSPY_SAMPLE_FLOAT32_IQ = 0,   // 32位浮点IQ
    AIRSPY_SAMPLE_FLOAT32_REAL = 1, // 32位浮点实数
    AIRSPY_SAMPLE_INT16_IQ = 2,     // 16位整数IQ
    AIRSPY_SAMPLE_INT16_REAL = 3,   // 16位整数实数
    AIRSPY_SAMPLE_UINT16_REAL = 4,  // 16位无符号整数实数
    AIRSPY_SAMPLE_RAW = 5,          // 原始12位数据
};

8. 增益控制系统

增益级联结构

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RF输入 → LNA → 混频器 → VGA → ADC

预设增益模式

  • 线性度模式: 优化动态范围和线性度
  • 灵敏度模式: 优化接收灵敏度
  • 手动模式: 独立控制各级增益

9. 工具程序 (airspy_rx.c)

主要功能

  • 实时数据采集和文件保存
  • 支持多种输出格式（WAV、原始数据）
  • 命令行参数配置
  • 性能监控和统计

使用示例

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# 接收900MHz信号，保存为WAV文件
airspy_rx -w -f 900 -a 10000000 -t 2

# 手动增益控制
airspy_rx -r output.bin -f 900 -v 10 -m 8 -l 6

# 线性度优化模式
airspy_rx -r output.bin -f 900 -g 15

性能优化特性

1. SIMD优化

  • 在支持的平台上使用SSE2指令集
  • 向量化FIR滤波器计算
  • 提高实时处理性能

2. 内存对齐

  • 使用16字节对齐的内存分配
  • 优化缓存性能
  • 减少内存访问延迟

3. 零拷贝设计

  • USB传输缓冲区直接用于处理
  • 最小化内存拷贝操作
  • 降低CPU占用率

编译和部署

依赖项

  • libusb-1.0: USB设备通信
  • pthread: 多线程支持
  • CMake: 构建系统

构建步骤

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mkdir build
cd build
cmake ..
make
make install

总结

AirSpy Host项目实现了一个完整的SDR主机端解决方案，其核心特性包括：

  1. 高效的DDC实现: 通过fs/4频率平移和半带滤波实现实数到复数的转换
  2. 自适应DC偏移移除: 使用IIR滤波器实时跟踪和移除DC分量
  3. 多线程架构: 分离USB传输和信号处理，确保实时性能
  4. 灵活的数据格式: 支持多种采样类型和输出格式
  5. 优化的信号处理: 利用SIMD指令和内存对齐提高性能

该设计为SDR应用提供了稳定、高效的数据采集和初步信号处理能力，是软件定义无线电系统的重要组成部分。