軟件無線電Labview仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、通信系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)課程研究性學(xué)習(xí)手冊(cè)一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)：1、在LabVIEW平臺(tái)上完成一個(gè)AM演示程序，實(shí)現(xiàn)簡單的AM調(diào)制。2、實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于LabVIEW和NI-USRP平臺(tái)的調(diào)頻收音機(jī)，并正確接收空中的調(diào)頻廣播電臺(tái)信號(hào)。二、理論分析：1.幅度調(diào)制幅度調(diào)制（Amplitude Modulation，AM）是一種模擬線性調(diào)制方法。頻域上，已調(diào)信號(hào)頻譜是基帶調(diào)制信號(hào)頻譜的線性位移；在時(shí)域上，已調(diào)波包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)波形呈線性關(guān)系。AM調(diào)制的載波信號(hào)通常是高頻正弦波，作為載體來傳遞信源信號(hào)中的信息。調(diào)制結(jié)果是一個(gè)雙邊帶信號(hào)，中心是載波頻率，帶寬是原始信號(hào)的兩倍。調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1.1）式中，是調(diào)制信

2、號(hào)，其直流分量為，交流分量為；是載波信號(hào)，其為角頻率為、初始相位為的余弦信號(hào)。從式1.1我們能夠得出幅度調(diào)制的已調(diào)信號(hào)就是是和的乘積。為了實(shí)現(xiàn)能夠?qū)d波信號(hào)的幅度實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制，應(yīng)該包含直流分量來保證，也就是 （1.2）這樣的話才能夠保證的包絡(luò)完全在時(shí)間軸上方，如圖1所示。 根據(jù)式（1.2），為避免產(chǎn)生“過調(diào)幅”現(xiàn)象而導(dǎo)致包絡(luò)檢波的結(jié)果嚴(yán)重失真，茲定義一個(gè)重要參數(shù)： （1.3）式中，稱為調(diào)幅指數(shù)，或調(diào)幅深度；代表信源信號(hào)的最大幅值。一般不超過0.8。下面對(duì)AM調(diào)制在頻域上進(jìn)行分析。對(duì)于式1.1，我們能夠直接通過傅里葉變換得到其頻域表達(dá)式，如式1.4所示。 （1.4）頻譜如圖2所示： 圖2 調(diào)幅信

3、號(hào)頻譜由于軟件無線電的核心思想是對(duì)天線感應(yīng)的射頻模擬信號(hào)盡可能地直接數(shù)字化，將其變?yōu)檫m合于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)流，然后由軟件（算法）來完成各種各樣的功能，使其具有更好的可擴(kuò)展性和應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性，故而對(duì)信源信號(hào)的各種調(diào)制與解調(diào)過程都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的。2.頻率調(diào)制與解調(diào)（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(tái)使用從87.5MHz到108MHz為中心頻率的信號(hào)進(jìn)行傳輸，其中每個(gè)電臺(tái)的帶寬通常為200kHz。本實(shí)驗(yàn)重新溫習(xí)FM的理論知識(shí)，并介紹其基本的實(shí)現(xiàn)方法。通過一個(gè)基帶信號(hào)調(diào)節(jié)載波的數(shù)學(xué)過程

4、分為兩步。首先，信源信號(hào)經(jīng)過積分得到關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，再將該函數(shù)當(dāng)作載波信號(hào)的相位，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)信源信號(hào)變化對(duì)載波頻率進(jìn)行控制的頻率調(diào)制過程。FM發(fā)射機(jī)頻率調(diào)制的框圖如圖3所示。 圖3 頻率調(diào)制示意圖在圖3的框圖中，將信源信號(hào)的積分得到一個(gè)相位和時(shí)間的方程，即： （2.1）式中，代表載波頻率，代表調(diào)制指數(shù)，代表信源信號(hào)。調(diào)制結(jié)果是相位的調(diào)制，與在時(shí)域上載波相位的變化有關(guān)。此過程需要一個(gè)正交調(diào)制器如下圖4所示： 圖 4 相位調(diào)制在此次實(shí)驗(yàn)中，NI USRP-2920通過天線接收FM信號(hào)，經(jīng)模擬下變頻后，再使用兩個(gè)高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化器和數(shù)字下變頻后將信號(hào)下變頻至基帶I/Q采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)通過千兆以太網(wǎng)

5、接口發(fā)送至PC，并在LabVIEW中進(jìn)行信號(hào)處理。假設(shè)已知調(diào)頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式： （2.2）式中，代表載波幅度，代表調(diào)制指數(shù)，代表信源信號(hào)。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(duì)式1.2進(jìn)行數(shù)字化。若將調(diào)頻信號(hào)以t為采樣間隔離散化，則式1.2中的積分運(yùn)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(shí)現(xiàn)FM連續(xù)數(shù)學(xué)表達(dá)式的離散化。即把積分區(qū)間分成若干子區(qū)間，再在每個(gè)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(diǎn)，k0，1，n在每個(gè)子區(qū)間上引用梯形公式，求和得復(fù)化求積公式為： （2.3）采用復(fù)化求積公式后，按三角運(yùn)算展開后可得到FM的離散數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （2.4

6、）從理論上來說，各種通信信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法加以實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。 圖 5正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)框圖根據(jù)圖3，可以寫出它的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （2.5）（2） 反正切解調(diào)原理在本實(shí)驗(yàn)中，推薦一個(gè)經(jīng)典的解調(diào)方法反正切方法。其基本思想和實(shí)現(xiàn)過程如下： 對(duì)于連續(xù)波調(diào)制，調(diào)制信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式可以寫成： （2.6）換句話講， （2.7）式中，表示載頻的角頻率，表示比例因子，是一個(gè)常數(shù)。展開2.8的結(jié)果是： （2.8）根據(jù)正交展開，設(shè)置同向分量如下： （2.9）假設(shè)正交分量是： （2.10）對(duì)正交分量與同向分量之比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，得： （2.11）然后，對(duì)相位差分，就可以得到調(diào)制信號(hào)為： （2.12）即對(duì)接

7、收到的經(jīng)過下變頻的基帶正交信號(hào)化為極坐標(biāo)的形式，得到其相位后再進(jìn)行求導(dǎo)處理，得到調(diào)制信號(hào)。三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、完成AM Modulation-Medium Exercise.vi的步驟：打開該VI，檢查已經(jīng)提供的前面板和程序框圖。在程序面板進(jìn)行編程，以完成一個(gè)單音信號(hào)的幅度調(diào)制。在完成這個(gè)VI后，改變載波以及調(diào)制信號(hào)的幅度和頻率，能觀察到已調(diào)信號(hào)在時(shí)域和頻域上的變化。圖6展現(xiàn)了完成程序在運(yùn)行時(shí)的前面板： 圖6 完成程序的前面板下面對(duì)程序面板進(jìn)行說明。如圖7所示，程序框圖包含一個(gè)while循環(huán)，其中包括各類控制器、顯示控件以及分析控件。 圖7 未完成程序的程序面板1）添加一個(gè)“仿真信號(hào)”控件，將“

8、載波頻率”控件連接到其頻率輸入端，并將采樣信息中的“每秒采樣率”設(shè)置為10M、波形的采樣數(shù)設(shè)置為“300k”。再將“載波幅度”控件連接到其幅度輸入端，這樣就實(shí)現(xiàn)了正弦載波信號(hào)的產(chǎn)生。將其輸出連接到“Carrier Signal”圖形顯示控件用來顯示載波信號(hào)。2）再添加一個(gè)“仿真信號(hào)”控件，采樣信息設(shè)置為與第一個(gè)控件相同，并將“調(diào)制頻率”和“調(diào)制幅度”控件分別連接到頻率和幅值輸入端。3）添加一個(gè)“Add.vi”控件和一個(gè)“Multiply.vi”控件，將第二個(gè)“仿真信號(hào)”控件的輸出與“載波幅度”相加后再與第一個(gè)“仿真信號(hào)”控件的輸出相乘。相乘后的輸出連接到“AM Modulated Signal

9、 (Time Domain)”圖形顯示控件，用來顯示調(diào)制后的AM信號(hào)的時(shí)域波形。4）添加一個(gè)“ FFT Power Spectrum and PSD.vi”控件，將4）中相乘后的輸出連接到“時(shí)間信號(hào)”輸入端，并將“顯示為dB”輸入端設(shè)置為True。最后將控件的輸出連接到“AM Modulated Signal (Frequency Domain)” 圖形顯示控件，用來顯示調(diào)制后的AM信號(hào)的頻域波形。單擊運(yùn)行按鈕來執(zhí)行VI，改變載波、調(diào)制幅值和頻率取值，查看這些參數(shù)對(duì)信號(hào)幅度調(diào)制過程的影響。2、完成FM Receiver.vi的步驟：1）改變載波頻率Hz找到你要收聽的廣播電臺(tái)，例如，如果中心頻率

10、是94.7MHz并且電臺(tái)出現(xiàn)在頻譜圖上-1M位置處，那么該廣播電臺(tái)的頻率為93.7MHz。2）將I/Q速率樣本數(shù)/秒減小到200k。3）打開頻譜圖中的自動(dòng)模式“Auto Scale X”。4）移動(dòng)到程序框圖（CTRL+E）。5）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(biāo)是：基于FM解調(diào)器是從一個(gè)實(shí)信號(hào)恢復(fù)原始的音頻。從得到一個(gè)FM調(diào)制的I/Q采樣信號(hào)開始，為了恢復(fù)音頻，我們將從以下幾步實(shí)現(xiàn)算法： 提取瞬時(shí)相位的I/Q信號(hào)，一種方法是利用反正切函數(shù)：phase_est = arctan(Q/I)； 去除因?yàn)榉凑胁僮饕氲脑?/-180

11、度處的信號(hào)不連續(xù)性； 使用相位的一階導(dǎo)數(shù)來估計(jì)瞬時(shí)頻率，它隨著我們想恢復(fù)的消息（音頻）成比例變化； 最后使用重采樣來降低數(shù)據(jù)率以便與聲卡相配。7） 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。8） 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。9） 最后，刪除進(jìn)入PS/PSD VI的VI，并連接導(dǎo)數(shù)和重采樣波形VI。10） 運(yùn)行VI。四、結(jié)論及分析：1.幅度調(diào)制程序框圖如下所示：分析：我們知道AM的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：。所以我們只需要將載波

12、幅度與調(diào)制信號(hào)相加再利用乘法器將所求之和與除去幅度的載波相乘，即可得到滿足要求的程序框圖。分析：載波幅度為8，調(diào)制幅度為4，不發(fā)生過調(diào)幅現(xiàn)象，所以得到的調(diào)制時(shí)域信號(hào)的包絡(luò)變化反應(yīng)的就是調(diào)制信號(hào)的波形。由頻譜搬移特性，我們?cè)谡{(diào)制頻域信號(hào)框圖中可以看見有三條脈沖，其中中間那條是載波信號(hào)的頻譜，兩側(cè)是調(diào)制信號(hào)經(jīng)過左右頻移所得到的。分析：逐漸減小載波幅度，當(dāng)載波幅度等于調(diào)制信號(hào)幅度時(shí)，出現(xiàn)臨界情況。分析:繼續(xù)減小載波幅度，當(dāng)調(diào)制信號(hào)幅度大于載波信號(hào)幅度時(shí)，通過觀察調(diào)制時(shí)域信號(hào)波形可以發(fā)現(xiàn)，圖中的信號(hào)已經(jīng)嚴(yán)重失真，無法反應(yīng)調(diào)制信號(hào)的原始波形。此時(shí)為過調(diào)幅。2.頻率調(diào)制由實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行編程，可以得到調(diào)頻收音

13、機(jī)的程序框圖如下所示：分析：我們所需要編寫的部分為灰色方框內(nèi)的部分，它屬于FM解調(diào)部分。FM的解調(diào)可以參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的反正切法原理及實(shí)驗(yàn)步驟可以快速得到。尋找USRP的IP地址：更改計(jì)算機(jī)IP地址：分析：尋找USRP是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟之一，我們只有找到了USRP的地址，我們才能在前面板上顯示收聽頻道的時(shí)域和頻域波形，此次實(shí)驗(yàn)的USRP地址為192.168.10.3。同時(shí)，為了達(dá)到聲卡匹配的目的，我們需要把計(jì)算機(jī)的通道二的IP地址改為192.168.10.8。接收到廣播后的調(diào)頻收音機(jī)的前面板：分析：收聽廣播的頻率是90.5MHz，收聽效果很好，噪聲干擾比較小。五、遇到的問題及解決方法：1、問

14、題：對(duì)于FM解調(diào)信號(hào)如何顯示表示疑惑。 解決辦法：查閱書籍，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)帶三角的方框是移位寄存器，通過移位寄存器在while循環(huán)中傳遞表示成數(shù)組形式的信號(hào)。 2、問題：前面板上不能顯示波形，且音響沒有播放相應(yīng)頻率的電臺(tái)。解決辦法：檢查程序未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是IP地址沒有設(shè)置正確，應(yīng)該將電腦中的本地連接中的IP地址改為192.168.10.*，這樣做的目的是使電腦能夠找到FM接收機(jī)的位置從而能夠聲卡匹配，播放廣播。六、擴(kuò)展問題：1、幅度調(diào)制中為什么要抑制載波？對(duì)于AM信號(hào)來說抑制載波的雙邊帶信號(hào)可以增加多少功效？答：在AM信號(hào)中，載波分量并不攜帶信息，但它仍占據(jù)著大部分功率，如果抑制載波

15、分量的發(fā)送，就能夠提高功率效率。對(duì)于增加多少功效，我們不妨進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算：假設(shè)載波的幅值為，調(diào)制信號(hào)的幅度為，那么我們可以很快能求出調(diào)制效率為： 對(duì)于抑制載波的雙邊帶信號(hào)，因?yàn)樗鼘⑤d波給抑制掉，所以它的調(diào)制效率為百分之百。而AM信號(hào)調(diào)制的最大效率為，所以功效至少增加。簡述DSB、SSB、VSB的概念和實(shí)現(xiàn)方式。分析并比較DSB和SSB的抗噪聲性能。答：雙邊帶信號(hào)（DSB）：抑制載波雙邊帶信號(hào)，它是一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式。實(shí)現(xiàn)方式：將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)利用乘法器相乘即可得到雙邊帶信號(hào)。單邊帶信號(hào)（SSB）：將雙邊帶信號(hào)中的一個(gè)邊帶濾掉而形成。實(shí)現(xiàn)方式：采用濾波法或相移法。殘留邊帶調(diào)制（VS

16、B）：介于SSB和DSB之間的一種折中方式，它既克服了DSB信號(hào)占用頻帶寬的缺點(diǎn)，又解決了SSB信號(hào)實(shí)現(xiàn)中的困難。實(shí)現(xiàn)方式：采用濾波法。DSB和SSB的抗噪聲性能比較：經(jīng)計(jì)算可知，DSB調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為2，SSB的調(diào)制系統(tǒng)的制度增益為1.但是這不能說明DSB系統(tǒng)的抗噪性能比SSB系統(tǒng)好。因?yàn)閮烧叩妮斎胄盘?hào)功率不同、帶寬不同，在相同的噪聲功率譜密度條件下，輸入噪聲功率也不同，所以兩者的輸出信噪比是在不同的條件下得到的。如果我們?cè)谙嗤妮斎胄盘?hào)功率，相同的輸入噪聲功率譜密度，相同的基帶信號(hào)帶寬條件下，對(duì)這兩種調(diào)制方式進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)它們的輸出信噪比是相等的。這就是說，兩者的抗噪性能是相同的。

17、根據(jù)已學(xué)知識(shí)簡述幅度調(diào)制有哪些解調(diào)方式，它們的基本原理是什么，各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：解調(diào)的方法可分為兩類：相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)也叫同步檢波。解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。解調(diào)是調(diào)制的反過程，即把在載頻位置的已調(diào)信號(hào)的譜搬回到原是基帶位置，因此同樣可以用相乘器與載波相乘實(shí)現(xiàn)。非相干解調(diào)也叫包絡(luò)檢波。通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成。非相干解調(diào)不需要恢復(fù)出相干載波,所以比相干解調(diào)方式要簡單。什么是門限效應(yīng)？AM信號(hào)采用包絡(luò)檢波時(shí)為什么會(huì)產(chǎn)生門限效應(yīng)？為什么相干解調(diào)不存在門限效應(yīng)。答：輸出信噪比不是按比例隨著輸入信噪比下降，而是急劇惡化，通常把這種現(xiàn)象稱為解調(diào)器的門限效應(yīng)。門限效

18、應(yīng)是由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)作用所引起的，所以會(huì)產(chǎn)生門限效應(yīng)。用相干解調(diào)的方法解調(diào)各種線性調(diào)制信號(hào)時(shí)不存在門限效應(yīng)，原因是信號(hào)與噪聲可分別進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)器輸出端總是單獨(dú)存在有用信號(hào)項(xiàng)。2、頻偏的意義是什么？它怎樣影響調(diào)制信號(hào)？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(yàn)證自己的觀點(diǎn)。答：頻率調(diào)制是指瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)成比例變化，頻偏反應(yīng)了調(diào)制信號(hào)的變化形式。頻偏通過影響載波的相位從而使輸出的載波波形存在一定的規(guī)律從而來反映調(diào)制信號(hào)的信息，它影響FM信號(hào)的頻譜寬度。找出一些能證明你設(shè)計(jì)的FM收發(fā)信機(jī)性能優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)。答：音頻增益調(diào)節(jié)指標(biāo)、載波噪聲電平。你可以用你的FM接收機(jī)來收聽不同的真實(shí)的音頻信道如103.9MHz，87.6MHz，它和在接收信號(hào)的功率譜有什么相同點(diǎn)？你知道其原因嗎？頻譜中的尖峰脈沖意味著什么？答：頻譜中的尖峰脈沖意味著FM接收機(jī)電路中存在著冒險(xiǎn)，即一個(gè)信號(hào)經(jīng)由不同路徑傳到同一個(gè)門的輸入端的時(shí)間不同導(dǎo)致出現(xiàn)競爭，從而使輸出端產(chǎn)生尖端脈沖。七、心得：本次實(shí)驗(yàn)我們學(xué)會(huì)了labview的基本用法，以及利用labview實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，使用USRP發(fā)射頻率調(diào)制信號(hào)并通過labview仿真收音機(jī)實(shí)現(xiàn)頻率解調(diào)。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)Labview作為一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真軟件，可以和很多硬件直接接口，可以將特有的功能和接口封