第四节：4FSK 文件收发

### 深入进阶：从 BFSK 到 4FSK 的高性能全双工通信系统实战

在软件无线电（SDR）的学习路径中，FSK（频移键控）系列是理解数字调制从理论走向实践的最佳切入点。在之前的教程中，我们详细探讨了正交解调的数学基础（[Lesson 57](https://beautifulzzzz.com/gnuradio/tutorial/lesson/57)）、BFSK 的波形仿真（[Lesson 58](https://beautifulzzzz.com/gnuradio/tutorial/lesson/58)）以及基于音频 FSK 的数据包传输（[Lesson 59](https://beautifulzzzz.com/gnuradio/tutorial/lesson/59)）。

本篇博客将通过一个完整的 **4FSK 全双工文件传输系统**，展示如何结合自定义 Python 模块、高性能向量化计算以及 Gardner 同步算法，构建一个工业级的 SDR 通信链路。

### 一、 4FSK 调制理论：频谱效率的跨越

#### 1. 为什么是 4FSK？

在 [Lesson 58](https://beautifulzzzz.com/gnuradio/tutorial/lesson/58) 中，我们使用的 BFSK 只能在两个频点间切换。而 **4FSK** 属于多进制频移键控（M-FSK），其核心优势在于提高了**带宽效率**：

* **二进制（BFSK）**：1 个符号 = 1 个比特 。
* **四进制（4FSK）**：1 个符号 = 2 个比特 。
这意味着在同样的波特率下，4FSK 的信息传输速率是 BFSK 的 2 倍。

#### 2. 映射逻辑与频率规划

本项目中，我们定义了四个符号（Symbol），分别对应四个不同的频率偏移。假设中心频率为 $f_c = 650\text{ kHz}$ ：

* **符号 0 (00)**：偏移 $-150\text{ kHz}$，即 $500\text{ kHz}$ 。
* **符号 1 (01)**：偏移 $-50\text{ kHz}$，即 $600\text{ kHz}$ 。
* **符号 2 (10)**：偏移 $+50\text{ kHz}$，即 $700\text{ kHz}$ 。
* **符号 3 (11)**：偏移 $+150\text{ kHz}$，即 $800\text{ kHz}$ 。

通过下面模块实现调制：

![][p2]

通过设置 `fsk_deviation = 150 kHz` 和 `f_spacing = 100 kHz` ，我们确保了四个频点之间有足够的保护带宽，降低了符号间的干扰（ISI）。

### 二、 发送端：基于 Python Block 的高性能协议封装

不同于 Lesson 59 中简单的 `char_list` 发送，本系统采用了一个更为严谨的 `4FSK Sender Final` 模块。

![][P3]

#### 1. 物理层帧格式

为了在接收端实现零误差同步，每一帧都包含以下结构 ：

```
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
|    字段名称     | 字节数 |       内容 / 值        |                   说明                     |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
| 前导码(Preamble)|   30   |   0x55 (01010101)     | 唤醒同步器，在断流后用于重建符号时钟锁         |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
| 同步头(Sync)    |   2    |   0xAA 0xBB           | 帧起始标志，用于在比特流中定位字节边界         |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
| 序列号(SN)      |   1    |   0x00 - 0xFF         | 循环计数，接收端依靠此字段进行重试包去重       |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
| 长度(Length)    |   1    |   0x00 - 0xFF         | 标识 Data 字段的实际字节数                  |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
| 数据(Data)      |  变长  |   UTF-8 字符串         | 实际传输的消息内容                          |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
| 校验和(CS)      |   1    |   Header+Data 的和     | 取累加和的低8位，用于验证数据完整性           |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
| 结束符(End)     |   1    |   0xFF                | 帧结束标志，辅助解析器判断数据包合法性         |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
| 帧间隙(Gap)     |   5+   |   0x55 (01010101)     | 确保重试包之间有物理间隔，防止接收端粘包        |
+----------------+--------+-----------------------+------------------------------------------+
```

#### 2. 打断与打散机制

针对文件传输，模块内置了分片逻辑（Payload Size 默认为 36 字节）。

* **打断逻辑**：当系统正在发送大文件时，如果收到新的紧急文本消息，模块会立即清除文件任务并响应新消息。
* **打散处理**：`Unpack/Pack` 逻辑被整合在模块内部，通过控制样点生成率来减小由于 `Repeat` 模块造成的数据突发冲撞，使数据输出更加平滑 。

#### 3. 采用重复编码

可以在 4FSK Sender Final 中调节 Msg_Repeat 和 Data_Repeat，主要是将原属的数据重复 n 遍发送，其中前者是对发送普通信息的重复次数；后者是对发送文件时的重复次数。调节变小可以让文件发送速度变快但成功率变低，否则会变慢变高。

### 三、 接收端：正交解调与高效切片

接收端的设计吸收了 [Lesson 57](https://beautifulzzzz.com/gnuradio/tutorial/lesson/57) 关于正交解调的精华，并结合了向量化技术。

![][P4]

#### 1. 下变频与预处理

* **Frequency Xlating FIR Filter**：将 650 kHz 的信号平移至基带 (0 Hz)，并进行低通滤波 。
* **Simple Squelch**：设置 $-70\text{ dB}$ 阈值，只有当信号强度足够时才开启解调链路，防止底噪导致系统误触发 。

#### 2. 正交解调 (Quadrature Demod)

该模块将频率变化转化为瞬时幅度 。

* **增益计算**：根据公式 $Gain = \frac{f_s}{2\pi \cdot \Delta f}$ 。
* 在 Lesson 57 中提到，合理的增益设置能将输出幅度归一化到 $\pm 1.0$ 之间，这直接影响后续 Symbol Sync 的准确性。

#### 3. 符号同步 (Symbol Sync)

沿用 [Lesson 59](https://beautifulzzzz.com/gnuradio/tutorial/lesson/59) 中详细讨论的 **Gardner 算法** ：

* **Timing Error Detector (TED)**：通过检测过零点来修正采样相位。
* **Samples per Symbol (SPS)**：从 12 倍过采样降采样至 1 倍（每符号 1 个采样点）。这一步解决了时钟漂移问题，确保提取的是符号中心点的电压。

#### 4. 向量化 4FSK 切片 (Vectorized Slicer)

这是一个基于 NumPy 优化的自定义模块 `vectorized_4fsk_slicer`。

* **逻辑实现**：使用 `np.where` 实现四电平切片，阈值设为 `[-0.75, 0, 0.75]`。
* **性能优势**：相较于 Python 循环，向量化操作极大提升了数据处理吞吐量，能够支撑 MHz 级别的实时采样流。

### 四、 应用层：全双工文件收发与进度管理

系统的最高层是 `4FSK Receiver Final` 模块，它不仅处理协议解析，还负责复杂的文件重组逻辑。

#### 1. 指令控制流

当发送端发出 `send file:lefa.png size:1234bytes` 这样的指令时，接收端会解析该指令并进入文件模式：

* **自动创建文件**：在本地创建 `recv_` 前缀的文件。
* **进度计算**：根据已接收的字节数动态计算百分比，并通过 `msg_out` 端口发布 `Progress: XX%` 消息。

#### 2. 全双工 ZMQ 架构

* **ZMQ PUSH/PULL Sink/Source**：系统使用本地回环地址 `tcp://127.0.0.1:12345` 连接发端和收端 。这种设计使得发送和接收逻辑在 GNU Radio 中相互独立，实现了真正的全双工并发。

[p1]:https://tuchuang.beautifulzzzz.com:3000/?path=202603/4fsk_old_lesson.png     
[p2]:https://tuchuang.beautifulzzzz.com:3000/?path=202603/4fsk_mod.png     
[p3]:https://tuchuang.beautifulzzzz.com:3000/?path=202603/4fsk_tx_grc.png         
[p4]:https://tuchuang.beautifulzzzz.com:3000/?path=202603/4fsk_rx_grc.png

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