北交大通原labview試驗-FM

1、京交通乂攀通信系統(tǒng)實驗課程研究性學(xué)習(xí)手冊姓名祖他文學(xué)號12211189同組成員劉少強指導(dǎo)教師李丞時間2014年12月、實驗任務(wù):1、實驗簡介：頻率調(diào)制(FM)常用于無線電和電視廣播。世界各地的FM調(diào)頻廣播電臺使用從87.5MHz至ij 108MHz為中心頻率的信號進行傳輸，其中每個電臺的帶寬通常為200kHz。2、實驗?zāi)繕耍哼M一步學(xué)習(xí)并練習(xí)圖形化編程方式；學(xué)習(xí)并運用LabVIEW和USRP的基本模塊、使用和調(diào)試方法；在直觀深入理解調(diào)頻收音機的工作原理的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)將具體通信原理知識轉(zhuǎn)化為編程算法的思維模式、以及圖形化編程的能力，感受真實信號。3、實驗任務(wù)：實現(xiàn)一個頻率調(diào)制的收音機，并正確接收空

2、中的調(diào)頻廣播電臺信號。、理論分析:1、頻率調(diào)制FM (Frequency Modulation )代表頻率調(diào)制，常用于無線電和電視廣播。世界各地的FM調(diào)頻廣播電臺使用從 87.5MHz到108MHz為中心頻率的信號進行傳輸，其中每個電臺的帶 寬通常為200kHz o本實驗重新溫習(xí) FM的理論知識，并介紹其基本的實現(xiàn)方法。通過一個基帶信號 m(t)調(diào)節(jié)載波的數(shù)學(xué)過程分為兩步。首先，信源信號經(jīng)過積分得到關(guān)于時間的函數(shù)(t),再將該函數(shù)當(dāng)作載波信號的相位，從而實現(xiàn)根據(jù)信源信號變化對載波頻率進行控制的頻率調(diào)制過程。FM發(fā)射機頻率調(diào)制的框圖如圖 1所示。BasebandSignalIntegratedB

3、asebandModulatedFM SignalCarrier SinusoidPhasemodulator圖1頻率調(diào)制示意圖在圖1的框圖中，將信源信號的積分得到一個相位和時間的方程，即:t(t)2 fj2 kf 0m( )d(i.i)式中，fc代表載波頻率，kf代表調(diào)制指數(shù)，m )代表信源信號。調(diào)制結(jié)果是相位的2所示:l/Q GeneratorQuadrature Modulator調(diào)制，與在時域上載波相位的變化有關(guān)。此過程需要一個正交調(diào)制器如下圖圖2相位調(diào)制在此次實驗中，NI USRP-2920通過天線接收FM信號，經(jīng)模擬下變頻后，再使用兩個高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器和數(shù)字下變頻后將信號下變頻

4、至基帶I/Q采樣點，采樣點通過千兆以太網(wǎng)接口發(fā)送至 PC,并在LabVIEW 中進行信號處理。假設(shè)已知調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達式：t(1.2)Sfm (t) Ac cos ct kf m( )d式中，Ac代表載波幅度，kf代表調(diào)制指數(shù)， m()代表信源信號。由于在軟件無線電中，各種調(diào)制都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的，所以首先要對式1.2進行數(shù)字化。若將調(diào)頻信號以t為采樣間隔離散化，則式 1.2中的積分運算應(yīng)轉(zhuǎn)化為適合用軟件處理的數(shù)值積分，可采用復(fù)化求積法實現(xiàn)FM連續(xù)數(shù)學(xué)表達式的離散化。即把積分區(qū)間分成若干子區(qū)間，再在每個子區(qū)間上用低階求積。即將積分區(qū)間a, b分為n等份,分點Xkb a .，k= 0, 1,，

5、nn在每個子區(qū)間Xk,Xk 1上引用梯形公式Xk 1fXkx dxf Xkf Xk1 ,求和得復(fù)化求積公式為:bI f x dxaXk 1fx<x dx采用復(fù)化求積公式后，按三角運算展開后可得到n xiTsSfm (nTs) cos kfTs i 1f Xk fXk 1(1.3)FM的離散數(shù)學(xué)表達式為:X (i 1)Tsy ?cos( cnTs)sin kfTs n 二SX(i八?sin( Ms)i 12(1.4)從理論上來說，各種通信信號都可以用正交調(diào)制的方法加以實現(xiàn)，如圖3所示。圖3正交調(diào)制實現(xiàn)框圖根據(jù)圖3,可以寫出它的時域數(shù)學(xué)表達式為：Sfm t I t cos ctQ t sin

6、( ct)2、反正切解調(diào)原理在本實驗中，推薦一個經(jīng)典的解調(diào)方法一一反正切方法。其基本思想和實現(xiàn)過程如下:對于連續(xù)波調(diào)制，調(diào)制信號的數(shù)字表達式可以寫成：(1.6)S(n) Ao cos cn n換句話講，(1.7)S n A n cos cn k m n o式中，c表示載頻的角頻率，k表示比例因子，0是一個常數(shù)。展開1.8的結(jié)果是：S n A n cosk m(n)0 cos( cn)A(n)sin k m(n) 0 sin( cn)(1.8)根據(jù)正交展開，設(shè)置同向分量如下:XI nA(n)coskm(n)(1.9)假設(shè)正交分量是:XQ n A(n)sin km(n)1.10)對正交分量與同向分

7、量之比值進行反正切運算，得:n arctan Xik m(n) 01.11)然后，對相位差分，就可以得到調(diào)制信號為:(1.12)n n 1 m(n)即對接收到的經(jīng)過下變頻的基帶正交信號化為極坐標的形式，得到其相位后再進行求導(dǎo)處理, 得到調(diào)制信號。三、實驗步驟:FM收音機的原理框圖如圖 4所示。在學(xué)生程序 FM Receiver.vi中，框圖中接收調(diào)頻信 號等模塊都已經(jīng)給出，F(xiàn)M解調(diào)部分需要結(jié)合通信原理設(shè)計算法并完成的。圖4 FM收音機原理框圖 改變載波頻率Hz找到你要收聽的廣播電臺，例如，如果中心頻率是94.7MHz并且電臺出現(xiàn)在頻譜圖上-1M位置處，那么該廣播電臺的頻率為93.7MHz。 將

8、I/Q速率樣本數(shù)/秒減小到200k。 打開頻譜圖中的自動模式“Auto Scale X(4)移動到程序框圖(CTRL+E)。 從未完成的圖形程序“Disabled Diagram中捕捉VI并把它們放在程序框圖中。(6)我們的目標是：基于 FM解調(diào)器是從一個實信號恢復(fù)原始的音頻。從得到一個FM調(diào)制的I/Q采樣信號開始，為了恢復(fù)音頻，我們將從以下幾步實現(xiàn)算法： 提取瞬時相位的I/Q信號，一種方法是利用反正切函數(shù)：phase_est = arctan(Q/I);去除因為反正切操作引入的在+/-180度處的信號不連續(xù)性；使用相位的一階導(dǎo)數(shù)來估計瞬時頻率，它隨著我們想恢復(fù)的消息(音頻)成比例變化；最后使

9、用重采樣來降低數(shù)據(jù)率以便與聲卡相配。用橙色通道線將程序框圖左邊的while循環(huán)與subResampleWF.vi中的重采樣(dt)模塊的輸入端連接起來。刪除subSound_Out_16b_mono.vi右側(cè)的棕色波形線和subResFMpleWF.vi上方的輸出和移位寄存器右側(cè)的連線。VI。最后，刪除進入 PS/PSD VI的VI,并連接導(dǎo)數(shù)和重采樣波形(10)運行 VI。四、結(jié)論及分析:實驗程序前面板如圖 5所示，左側(cè)為接受信息，從上至下依次為 USRP備IP地址，采樣率，接收頻率，接收天線，增益，采樣數(shù)，聲卡采樣率；右上圖為解調(diào)后的時域波形，右卜圖為接收信號頻譜波形。哀件IT)國黨以I適

10、與on JF 摩1F3 工Jir 留口區(qū) W<HI» Fl Rc&iveE (.學(xué)牛Jk1, viFM ReceiverF O«nodulaTodD-evice Jar-e1IS2.1SS. IC. 3 ITi. 一>wIlw Mate (S/s)Camlet Fr。弼乙取;1Wai&Llik XulLw工耳Fi ujutiHay SjiBCtiuLB工COTO旦 u iuliA -mx l1|制中l(wèi)i二r Eate (5/s)|立寶用后牌安刑(L& 10k 12.5k lOh20k 22. SirV 弧L6C圖5 FM收音機程序前面板卜

11、圖為FM模擬調(diào)制程序框圖K«1：H KTHt l 隼.Tl ,而厚圖6 FM收音機程序框圖程序框圖中while循環(huán)外左上方控件的功能為利用NI USRR2920通過天線接收FM信號,USRP將接受到的模擬 FM信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過千兆以太網(wǎng)口發(fā)送給PC,接收到的包括同相信號和正交信號，利用反正切解調(diào)原理進行進行解調(diào)，解調(diào)模塊程序框圖放大如下:圖7反正切解調(diào)程序接收到的同相信號與正交信號通過數(shù)據(jù)線傳送至subComplextoPolarWF.vi 控件，其實現(xiàn)反正切運算，即公式1.11,由此得到極坐標形式的累加后的調(diào)制信號。由于反正切操作會使信號相位在+/-180度處不連續(xù)，因此利用

12、subUnwrap Phase - Continuous.vi控件，將-兀，兀 相位展開為連續(xù)相位，再經(jīng)過subDifferentiateContinuous.vi控件進行差分處理，即可還原出原始調(diào)制信號。為使解調(diào)后的信號可以利用聲卡進行播放，因此要對信號進行重采樣處理， 使其采樣速率與聲卡匹配，這樣就可以聽到調(diào)頻廣播了。五、遇到的問題及解決方法：1、在顯示信號功率譜的時候，我們在PSD控件屬性中設(shè)置其顯示為“ dB”，可實際運行程序時，功率譜卻未顯示為分貝形式，使得觀察效果不明顯。后來，我們觀察到該控件輸入端有一個“顯示為 dB”的端口，我們利用布爾型真值，連接該端口，發(fā)現(xiàn)實際顯示結(jié)果符合了

13、要求?？紤]到該控件有復(fù)位功能，可能在運行后自動復(fù)位，所以更改屬性可能并不管用。2、當(dāng)信號增益為 0時，收聽到的廣播伴有強烈的噪音，增大增益至20dB以上時，收聽到的噪音明顯減小，由此可見，增大信噪比可以明顯改善接收效果。六、擴展問題：1 .頻偏的意義是什么？它怎樣影響調(diào)制信號？從聽眾的角度，我們能做些什么來解決這些影響？做一些測試驗證自己的觀點。答：頻偏就是調(diào)頻波頻率擺動的幅度，一般說的是最大頻偏，它影響調(diào)頻波的頻譜帶寬。一般來說，調(diào)制指數(shù)越大，調(diào)頻波頻譜的帶寬越寬。但實際頻譜資源十分有限，我國規(guī)定FM廣播使用的頻帶范圍是 87.5108MH乙總帶寬20.5MHz。一般國內(nèi)會把 7687.5M

14、Hz的頻段用于大學(xué)校園廣播（四六級聽力的時候用）。一般是以100KHz為步進搜索電臺，規(guī)定電臺可 以使用的最大頻偏為 75KHz,頻道之間留25KHz作為保護間隔。所以可以得出每個頻道的最 大帶寬是75KHz所以，我們在使用無線通信設(shè)備的過程中，應(yīng)盡量避免占用公共頻帶資源。2 .找出一些能證明你設(shè)計的 FM收發(fā)信機性能優(yōu)劣的技術(shù)指標。答：首先最明顯的性能指標就是收聽效果，收聽到的信息中，噪聲越小，表明接收機信噪比越高。其次，是天線增益，相同的收聽效果，天線增益越小，說明接收機性能越好。還有就是采樣率的大小，接收機采樣率越高，說明其運算能力越強，同時，采樣率越高，相同信噪 比下的收聽效果越好。3

15、 .你可以用你的FM接收機來收聽不同的真實的音頻信道如103.9MHz , 87.6MHz ,它和在接收信號的功率譜有什么相同點？你知道其原因嗎？頻譜中的尖峰脈沖意味著什么？答：不同頻道的接收信號功率譜最大值，均出現(xiàn)在接收的中心頻率附近，因為經(jīng)過調(diào)制以后的FM信號，音頻信號的頻譜被搬移至更適合在空間傳播的中頻斷，因此，能量也集中在載 波頻率附近。頻譜中的尖峰脈沖，表示一個廣播電臺的中心頻率所在處，例如，如果當(dāng)前頻率是94.7MHz并且頻譜圖上-1M位置處有一尖峰脈沖，那么該廣播電臺的頻率為93.7MHz。4 .你能基于USRP數(shù)字平臺設(shè)計一個類似的解調(diào)算法嗎？答：可以設(shè)計一個基于 USR吸字平

16、臺的非相干解調(diào)算法。已知一條波的時域表達式為5 n A n cos cn k m n 0對其進行差分，得s'(n) A(n) c km(n) sin cn k m(n) 0可見，調(diào)頻波的差分結(jié)果是一個反相正弦型調(diào)頻-調(diào)幅波，并且含有直流分量A(n) c,其包絡(luò)與調(diào)制信號 m(n)成正比波動，因此這個信號可以直接進行包絡(luò)檢波，再去除直流后，即可恢復(fù)出調(diào)制信號。5.嘗試創(chuàng)建一個雙通道立體聲的視頻流的正確解調(diào)算法。答：非相干解調(diào)的原理圖如下圖所示：BPF濾去無用的噪聲信號；限幅器消除信道中的振幅起伏；鑒頻器由半波整流和低通濾 波組成。收到立體聲FM后先進行鑒頻，得到頻分復(fù)用的信號。將頻分復(fù)用的信號分離開來，恢 復(fù)成左右聲道。七、心得：本次基于labVIEW和USRP的FM接收機實驗，難度較上一個 AM幅度調(diào)制實驗明顯提 高，而且使用的原理也并不是課本上所講授的寬帶調(diào)頻的非相干解調(diào)，所以