-周一16：00-頻率調制實驗

1、 通信原理實驗 基于LabVIEW的頻率調制姓名： 學號： 組員： 指導教師： 日期： 2015年12月14日 上課時間：星期 一 第 五 大節(jié)一、 實驗目標在本實驗中你要在LabVIEW+USRP平臺上完成一對調頻收發(fā)信機，要求可以通過接收端或者普通的FM收音機接收到發(fā)送端發(fā)射的.wav聲音文件，用你做好的FM接收機收聽調頻廣播。本實驗將加深你對頻率調制相關概念的理解，并使你初步掌握LabVIEW+USRP軟件無線電平臺的使用方式。二、 實驗儀器軟件環(huán)境：LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件環(huán)境：兩套USRP（子板頻帶含97108MHz），兩臺計算機；三、 基本原理及分析1. 頻率調

2、制FM（Frequency Modulation）代表頻率調制，常用于無線電和電視廣播。世界各地的FM調頻廣播電臺使用從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。本實驗重新溫習FM的理論知識，并介紹其基本的實現(xiàn)方法。通過一個基帶信號調節(jié)載波的數(shù)學過程分為兩步。首先，信源信號經過積分得到關于時間的函數(shù)，再將該函數(shù)當作載波信號的相位，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制過程。FM發(fā)射機頻率調制的框圖如圖1所示。圖 1 頻率調制示意圖在圖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：（1.1）式中，代表載波頻率，代表調制指

3、數(shù)，代表信源信號。調制結果是相位的調制，與在時域上載波相位的變化有關。此過程需要一個正交調制器如下圖2所示：圖 2 相位調制在此次實驗中，NI USRP-2920通過天線接收FM信號，經模擬下變頻后，再使用兩個高速模擬/數(shù)字轉化器和數(shù)字下變頻后將信號下變頻至基帶I/Q采樣點，采樣點通過千兆以太網接口發(fā)送至PC，并在LabVIEW中進行信號處理。假設已知調頻信號的數(shù)學表達式：（1.2）式中，代表載波幅度，代表調制指數(shù)，代表信源信號。由于在軟件無線電中，各種調制都是在數(shù)字域實現(xiàn)的，所以首先要對式1.2進行數(shù)字化。若將調頻信號以t為采樣間隔離散化，則式1.2中的積分運算應轉化為適合用軟件處理的數(shù)值積

4、分，可采用復化求積法實現(xiàn)FM連續(xù)數(shù)學表達式的離散化。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，k0，1，n在每個子區(qū)間上引用梯形公式，求和得復化求積公式為：（1.3）采用復化求積公式后，按三角運算展開后可得到FM的離散數(shù)學表達式為：（1.4）從理論上來說，各種通信信號都可以用正交調制的方法加以實現(xiàn)，如圖3所示。圖 3正交調制實現(xiàn)框圖根據(jù)圖3，可以寫出它的時域數(shù)學表達式為：（1.5）2. 反正切解調原理在本實驗中，推薦一個經典的解調方法反正切方法。其基本思想和實現(xiàn)過程如下：對于連續(xù)波調制，調制信號的數(shù)字表達式可以寫成：（1.6）換句話講，（1.7

5、）式中，表示載頻的角頻率，表示比例因子，是一個常數(shù)。展開1.8的結果是：（1.8）根據(jù)正交展開，設置同向分量如下：（1.9）假設正交分量是：（1.10）對正交分量與同向分量之比值進行反正切運算，得：（1.11）然后，對相位差分，就可以得到調制信號為：（1.12）即對接收到的經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處理，得到調制信號。四、 實驗任務實現(xiàn)本實驗包括發(fā)送端和接收端兩個主程序。（1）發(fā)射端介紹發(fā)射端主程序的前面板如圖4所示。前面板左側為參數(shù)輸入部分，可以設置聲音文件路徑、USRP配置等控制參數(shù)；前面板右側為輸出部分，可以顯示發(fā)射聲音信號的時域波形和頻域波形；如果

6、程序運行出錯，還會在錯誤輸出部分顯示錯誤代碼和錯誤描述，便于程序的調試。圖4 發(fā)射端前面板發(fā)射端的主程序包含3個功能模塊，其功能如下所述。 獲取音頻文件此模塊的作用是根據(jù)輸入的路徑獲取音頻文件，對應程序框圖中的subGetSoundFile子程序，如圖5所示。圖5 subGetSoundFile子程序輸入是外部音頻文件的路徑，要求必須為.wav格式。輸出是每次從聲音文件中讀取的樣點數(shù)、聲音文件的引用句柄以及任務ID。 讀取聲音波形此模塊的作用是將獲取音頻文件模塊中得到的聲音文件轉換成波形數(shù)組形式輸出，并將波形數(shù)據(jù)寫入聲音輸出設備，讓你在發(fā)射端可以聽到將要發(fā)送的聲音。對應于程序框圖中的subRe

7、adSoundFile子程序，如圖6所示。圖6 subReadSoundFile子程序輸入是subGetSoundFile子程序的三個輸出；輸出是聲音文件的引用句柄、任務ID、波形數(shù)據(jù)以及文件結束標識。 進行FM調制此模塊的作用是對音頻進行FM調制。對應于程序框圖中的subFMMod子程序，如圖7所示。圖7 subFMMod子程序輸入是聲音波形數(shù)據(jù)、I/Q采樣率和頻偏；輸出是經過FM調制后的時域波形。調制后的波形數(shù)據(jù)進入niUSRP Write Tx Data (poly)函數(shù)，根據(jù)前面板上配置的各項參數(shù)發(fā)射到空間中，以供接收端程序、普通的FM收音機或者手機接收。subFMMod子程序在這個子

8、程序中需要分兩步來完成對聲音信號的FM調制。由于聲卡對聲音信號的采樣率并不是我們需要的采樣率，因此首先要對輸入的聲音波形數(shù)據(jù)進行重采樣，把信號的采樣率調整成前面板上設置的I/Q采樣率。在這一步要用到波形重采樣（Resample Waveforms）函數(shù)。第二步是對重采樣后的波形數(shù)據(jù)進行FM調制。此時你需要用到MT Modulate FM函數(shù)，可以在函數(shù)選版的RF Communications>>Modulation>>Analog>>Modulation中找到它。調制程序如圖所示：（2）接收端介紹接收端主程序前面板如圖所示。前面板左側同樣為參數(shù)輸入部分，可以

9、配置USRP的各項參數(shù)以及聲卡的采樣率；前面板右側為輸出部分，可以顯示對接收到的聲音信號進行解調后的時域波形和頻域波形。接收端主程序包含2個功能模塊，其功能如下所述。圖8 接收端前面板 進行USRP配置此模塊的作用是根據(jù)前面板上輸入的各項參數(shù)對USRP進行配置，對應于程序框圖中的subUSRPCon(rx)子程序，如圖所示。圖9 subUSRPCon(rx)子程序輸入是前面板上輸入的各項參數(shù)，包括USRP的IP地址、載波頻率、I/Q采樣率等；輸出為USRP的引用句柄以及錯誤信息輸出。 進行FM解調此模塊的作用是對接收到的信號進行FM解調，對應于程序框圖中的subFMDemod子程序，如圖所示。

10、圖10 subFMDemod子程序輸入是niUSRP Fetch Rx Data (poly)函數(shù)輸出的從空間中接收到的波形數(shù)據(jù)，以及根據(jù)聲卡采樣率和I/Q采樣率得到的重采樣率；輸出是解調后的信號和重采樣后的信號。將重采樣后的信號輸入subSound_Out_16b_mono函數(shù)便可以通過聲卡收聽到解調后的聲音。通過上述理論分析可以得知，在程序中只需要將接收到的基帶波形信號轉化為極坐標的形式，得到相位信息后再對其進行差分運算即可得到調制前的原始信號。在這一過程中會用到如下子程序：subComplextoPolarWF將信號轉化為極坐標形式、subUnwrap Phase-Continuous消

11、除相位的不連續(xù)、subDifferentiate Continuous對相位逐點求導。此外與發(fā)射端類似，同樣需要對解調后的信號進行重采樣，使得其采樣率匹配聲卡的采樣率。解調程序如圖所示需要合理的利用上面的提示以及提供的子程序，完成信號的解調并輸出解調后信號的時域波形。五、 實驗結論與分析圖11 發(fā)送端結果圖圖12 接收端結果程序設計完成后，將USPR硬件用網線連接到PC機的網絡接口，啟動LabVIEW尋找接入設備，運行程序，如圖11,12分別為發(fā)送端和接收端的波形，信號發(fā)送后，在手機收音機上調至102.9M頻率，即可聽到調制發(fā)送的音樂，有一點雜音；接收端也可以收到由另一臺發(fā)送來的聲音信號，同樣

12、會有一點雜音，接收端調整不同的載波頻率，即可聽到所調電臺的聲音。調制和解調過程中有一定的失真，會產生噪音，同時，周圍同學的實驗信號也會對結果有所影響。六、 遇到的問題及解決方法1. 遇到的問題：無法連接USRP；解決方法：連接USRP要先改計算機本地連接的IP地址，否則不能連接USRP；2. 遇到的問題：波形重采樣儀器的選擇，開始波形重采樣使用的連續(xù)的，接收時信號會有卡頓現(xiàn)象發(fā)生；解決方法：改成單次的波形重采樣儀器后這一現(xiàn)象消失。由于采樣的信號為數(shù)字信號，單次重采樣的工作頻率很高，所以用單次波形重采樣更合適；連續(xù)的波形重采樣有工作周期，故在reset周期的時候會使聲音發(fā)生卡頓。3. 遇到的問題

13、：接收噪音較大，有尖銳噪音出現(xiàn)；解決方法：在接收信號重采樣時加入濾波器規(guī)范，濾除高頻率的無用波，減少解調信號的噪音。4. 遇到的問題：當信號增益為0時，收聽到的廣播伴有強烈的噪音；解決方法：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。七、 實驗擴展解答1. 頻偏的意義是什么？它怎樣影響調制信號？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。頻偏就是調頻波頻率擺動的幅度，一般說的是最大頻偏，它影響調頻波的頻譜帶寬。一般來說，調制指數(shù)越大，調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87.510

14、8MHz，總帶寬20.5MHz。一般國內會把7687.5MHz的頻段用于大學校園廣播（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備的過程中，應盡量避免占用公共頻帶資源。2. 找出一些能證明你設計的FM收發(fā)信機性能優(yōu)劣的技術指標。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

15、時，采樣率越高，相同信噪比下的收聽效果越好。3. 嘗試使用另一種解調算法來實現(xiàn)解調，并基于LabVIEW+USRP平臺驗證其可行性；比較兩種方法所設計的FM接收端的功能和性能，并進行必要的方案改進。小角度近似解調法：直接計算差角的三角函數(shù)值,而后直接得到差角。由已調信號星座圖看來,由于FM是恒包絡調制,即星座圖上所有點都在單位圓上,故有: 我們知道當(n)很小時,由小角度近似法則,sin(n)與(n)是近似相等的。利用這一原理,我們不難得到: 由于采用傳統(tǒng)的正交解調法,計算的是(n)的三角函數(shù),這個是沒有辦法近似的,只能采用計算或查反三角函數(shù)表的方法,小角度近似解調法的優(yōu)勢在于計算的是(n)三

16、角函數(shù),這個值一般都很小,因此才可以近似。根據(jù)這種方法,可以獲得最簡單的算法,由于只有2次乘法和1次減法,而沒有反正切、除法等計算,計算量大大簡化,因此也可以采用較高的中頻采樣率,但它的限制在于只能應用在調制角度很小的情況下。圖3為使用小角度近似解調法的系統(tǒng)結構圖: FM數(shù)字解調方法的比較：解調方法主要優(yōu)缺點應用范圍傳統(tǒng)正交解調法查表法計算量最小,但精度不高,計算反正切法計算量大,編程困難用查表法適用于精度要求不高的場合小角度近似解調法計算量較小,精度高僅能用于小角度調制的場合程序圖利用希爾伯特變換求得其正交分量，根據(jù)上圖原理解調，但是有錯，運行過程只能聽到噪音，但找不到問題所在，試了幾種其他的方式，也沒有實現(xiàn)其效果，無能為力了，遺憾。八、 心得1) 剛開始對于FM解調和調制的電路毫無頭緒，覺得提供的器件對于電路功能實現(xiàn)沒有什么幫助，不知道從何