北京交通大學 通原實驗-調(diào)制AM,FM

1、通信原理實驗電子信息工程學院學生姓名:學生姓名:指導教師:日期：_上課時間:周雨彤學號:_李佳怡學號:_李丞2017.11.24星期一第61521105715211070大節(jié)基于LabVIEW和USRP的調(diào)頻一、實驗?zāi)繕吮緦嶒灥哪康氖菍崿F(xiàn)一個基于LabVIEW和NI-USRP平臺的調(diào)頻收音機，并正確接收空中的調(diào)頻廣播電臺信號。讓學生可以直觀深入的理解調(diào)頻收音機的工作原理，感受真實信號。并通過實驗內(nèi)容熟悉圖形化編程方式，了解軟件LabVIEW和USRP硬件基本模塊的使用和調(diào)試方法，為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)。二、實驗環(huán)境與準備軟件LabVIEW2012(或以上版本)；硬件NIUSRP(1臺)及配件。三、

2、實驗原理1.頻率調(diào)制FM(FrequencyModulation)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。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m(t)調(diào)節(jié)載波的數(shù)學過程分為兩步。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。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：0（t）二2吋

3、t+2兀kI'm（T）dT（1.1）cf0式中，f代表載波頻率，k代表調(diào)制指數(shù)，m(T)代表信源信號。調(diào)制結(jié)果cf是相位的調(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2所示：圖2相位調(diào)制在此次實驗中，NIUSRP-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)學表達式：s（t）=AcosFMct+k/m（T）dTcfs1.2）式中，Ac代表載波幅度，kf代表調(diào)制指數(shù)，叭)代表信源信號。由于在軟件無線電

4、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,bkk+1分為n等份，分點x=kh,h=-_a,k=0,1,，n在每個子區(qū)間tx,x上kn引用梯形公式JJf(x)dx-f(x)+f(x),求和得復化求積公式為：x2kk+1xk1.3)I=bf(xI/x=xk+if(x)dx沁藝f(x)+f(x)ax2kk+1k=0kk=0?cosnT)cs采用復化求積公式后,按三角運算展

5、開后可得到FM的離散數(shù)學表達式為、匚，yx(7)+xb-1)Ts(nT)=cos<|kT乙1.4)FMsfs2.Lyx(7)+xR-1)T_,./、一sin<kT乙s*smnT)Ii=1丿從理論上來說,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所圖3正交調(diào)制實現(xiàn)框圖示。根據(jù)圖3，可以寫出它的時域數(shù)學表達式為：1.5)S(t)=IQcosCot)+Q(t)sin(t)FMcc2.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：S(n)=Acoshn+(n)(1.6)0c換句話講,1.7)S(n

6、)=A(tCosLn+k工m(n)+c0式中，®c表示載頻的角頻率，七表示比例因子，00是一個常數(shù)。展開1.7的結(jié)果是：S(n)=A(n)cosk工m(n)+0n)一A(n)sink工,cm(n)+-sin(ton)(18)0根據(jù)正交展開，設(shè)置同向分量如下：X(n)=A(n)cosk工m(n)+I01.9)假設(shè)正交分量是：X(n)=A(n)sinkSm(n)+Q0對正交分量與同向分量之比值進行反正切運算，得1.10)(n)=arctanfQ=kYm(n)+IXIJo然后，對相位差分，就可以得到調(diào)制信號為：0-(n-1)=m(n)1.11)1.12)即對接收到的經(jīng)過下變頻的基帶正交信號

7、化為極坐標的形式，得到其相位后再進行求導處理，得到調(diào)制信號。四、設(shè)計過程1、硬件連接：用網(wǎng)線將USRP設(shè)備與PC機連接，如圖4所示。由于調(diào)頻收音機有音頻輸出，所以要求計算機有聲卡，并且有聲音播放器。在控制面板中將PC機的IP設(shè)定為192.168.10.1，網(wǎng)關(guān)為255.255.255.0。連接USRP的電源、天線。在windows的開始菜單中AllProgramsNationalInstrumentsNI-USRP目錄下面找到NI-USRPConfigurationUtility，在ChangeIPAddress選項卡中應(yīng)該能夠看到設(shè)備(包括DeviceID,IPAddress,Type/re

8、vision)，如圖5所示。如果看不到設(shè)備，請點擊FindDevices來尋找設(shè)備。如果需要，可以選定一個設(shè)備并且在右邊NewIPAddress欄中輸入新IP地址，點擊ChangeIPAddress來修改USRP設(shè)備的IP地址。圖4用網(wǎng)線將USRP設(shè)備與PC機連接設(shè)香設(shè)香圖5NI-USRPConfigurationUtility界面2、FM_Rx.vi設(shè)計過程：FM收音機的原理框圖如圖6所示。在學生程序FM_Rx.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)部分是我們需要結(jié)合通信原理設(shè)計算法并完成的。/接收調(diào)頻信號圖6FM收音機原理框圖改變載波頻率Hz找到要收聽的廣播電臺，例如，如果中

9、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I/Q速率樣本數(shù)/秒減小到200k。打開頻譜圖中的自動模式“AutoScaleX”。移動到程序框圖（CTRL+E）。從未完成的圖形程序“DisabledDiagram”中捕捉VI并把它們放在程序框圖中。我們的目標是：基于FM解調(diào)器是從一個實信號恢復原始的音頻。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

10、用相位的一階導數(shù)來估計瞬時頻率，它隨著我們想恢復的消息（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。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。最后，刪除進入PS/PSDVI的VI,并連接導數(shù)和重采樣波形VI。運行VI。重要模塊解析：（這部分內(nèi)容用來說明subVIs提供的已編寫好的功能模塊）subComplextoPolarWF.vi圖標“功能：將復數(shù)向極坐標轉(zhuǎn)換位置：文

11、件夾“FMReceiver”-"subVIs”中subUnwrapPhase-Continuous"圖標“功能：將-n,n相位展開為連續(xù)相位位置：文件夾“FMReceiver”f“subVIs”中輸入信號InputSignalAngle（波形DBL）待處理的相位波形信號Reset布爾（TRUE或FALSE）是否重置輸出信號PhaseUnwrappedAngle（波形DBL）經(jīng)相位連續(xù)展開的波形信號subDifferentiateContinuous.vi圖標“惶寸”功能：對相位逐點求導位置：文件夾“FMReceiver”f“subVIs”中實驗效果驗證：運行結(jié)果如下圖9所示

12、?？梢酝ㄟ^接收不同的FM廣播電臺來檢查你設(shè)計接收機的性能，注意觀察接收信號的功率譜。3.L-lO.PiKihErt3.vaAntimaiHj*GifaLnriSuflanE圖9調(diào)頻接收機的前面板KXLRxQsirxlja:臉*09計AvTu”Mdc-rrrFfeeJ4R>i«IS/xl3、程序框圖解釋：整體程序框圖如圖10所示。包含USRP編程，反正切處理，以及聲卡編程三部分。MS號時垃匸弓iIJEMIF堆址遺琪卡控件E»lUS1PIFHWilD|dpii掛收妙蒼叵r?尿樣軍叵？“軾皆r不卜按rbsr”按收天枚F:.X薛率請毆出*subUWtauLfij引用硼擷潤后芒

13、號采徉臣敷出卡采徉宰HAIwipIerpl.a(SZ/片止10圃ibFKlEO”71賊乜號吉蚩徉鼻.:駅-二:.圖10FM整體程序USRP編程部分在圖11紅色框出，包括打開USRP接收通道，參數(shù)配置開始采集，連續(xù)獲取下變頻后的基帶波形數(shù)據(jù)，將讀出的波形數(shù)據(jù)存入右邊框出的基帶IQ移位寄存器中，While循環(huán)左邊對移位寄存器初始化。最后停止并關(guān)閉USRP，釋放資源。砌t號15止linno4“圖11USRP編程部分I/際逵采徉Ifi數(shù)聲卡采禪軍搖收帰益姑湖輸出£訕03徂曲恤JUS1PIFF“-、遙收夭；】K引用旬苗事調(diào)后11號mf*P*Ww»jd命拮取*號竝寰甘牽"回-

14、FE.基帶波形的反正切處理在圖12中間紅色框出，其中subFMDemod.vi部分程序需要我們編寫。解調(diào)后波形送到時域信號顯示，快速傅里葉變換PS/PSD后的波形送到頻域信號顯示。引用m柄聲卡的編程在圖13紅色框出，包括聲卡參數(shù)配置，音量調(diào)節(jié)，連續(xù)向聲卡"回-FE.緩存寫入聲音數(shù)據(jù)，最后對聲音輸出清零。?.jT!.r：:r=口3引用R炳采徉宜敷聲卡菲祥平圖13聲卡編程部分snlEIizodft擅收悄號竝覺甘率“調(diào)后任號卜lElf1F皓證播萱毎螯'V：1GC1&J4五、結(jié)論及分析對subFMDemod.vi的編程如圖14所示，首先將基帶復數(shù)波形向極坐標轉(zhuǎn)化然后展開相位，

15、對相位求導，求導后的波形即解調(diào)后波形，送到時域信號顯示重采樣后的信號送到聲卡輸出。圖14對subFMDemod.vi的編程EnrK孚生廩）門?！胺衿?1-=c即1:-M.；rn.v些/*I®."-,'1罔4設(shè)計好解調(diào)電路以后，連接USRP，運行程序，即可得到一臺FM收音機。我們的收音機能夠正常收聽普通的電臺，收聽效果較好，噪聲很小，可以自由調(diào)整音量大小。聲音頻譜范圍集中在OTkHz,符合人聲音的頻率范圍，但在19kHz附近觀測到尖峰脈沖，但不會對收聽造成影響。收聽時程序面板如圖15所示：基礎(chǔ)實驗篇站熏天迪尤竽實驗二頻率調(diào)制（RX）巾軸號十月靜卿広號陛IBiTSHFA

16、gfiULDDaEDk;4DkEUkBDkDDk"UATiQjrWiEQ5O.-05PP1.耳,時域圧弓|aiTlFjeD.Ce淨止V.圖15FM收音機界面六、實驗擴展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。但并不是說最大頻偏越大，頻譜帶寬就一定越寬，這里面還有個調(diào)制指數(shù)的問題。調(diào)制指數(shù)m=最大頻偏/調(diào)制低頻的頻率，調(diào)制指數(shù)直接影響移頻波頻譜的形狀與帶寬。一般說來，調(diào)制指數(shù)越大，移頻波頻譜的帶寬越寬。而最大頻偏是調(diào)制指數(shù)的一個決定因素，

17、所以說它影響調(diào)頻波的頻譜帶寬頻偏是調(diào)頻波里的特有現(xiàn)像，是指固定的調(diào)頻波頻率向兩側(cè)的偏移。首先要說明的是，調(diào)頻波是電磁波的一種形式，是傳輸圖像、聲音和其它有用信號的一種工具。利用調(diào)頻波可以傳送聲音，比如調(diào)頻廣播；也可以傳送圖像，比如電視等等。利用聲音信號（專業(yè)術(shù)語為音頻信號）對調(diào)頻波進行調(diào)制，可以使固定的調(diào)頻波頻率向兩邊偏移，當然利用圖像信號（專業(yè)術(shù)語稱為視頻信號）也可以使固定的調(diào)頻波頻率向兩邊偏移。這就使調(diào)頻波的頻率產(chǎn)生了頻偏。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：a.解調(diào)時間：接收到空間中的無線電信號以后，需要電路進行解調(diào)，會產(chǎn)生一定的延時，可以用真正的FM收音機和U

18、SRP設(shè)備同時接收信號，比較二者播放的內(nèi)容是否有時延，從而估計解調(diào)的時間；b.信噪比：解調(diào)以后的信噪比也是很重要的一個因素，直接影響收聽效果，可以通過人耳直接進行判斷，若音質(zhì)較好，可認為信噪比滿足要求，若能明顯聽到噪聲，則解調(diào)效果不好。3、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？在接收真實音頻信道時，可以看到在一些位置會出現(xiàn)尖峰脈沖，且出現(xiàn)的位置保持不變。頻譜中的尖峰脈沖總是在19kHz的位置，且幅度變化不大，我覺得應(yīng)該是混頻造成的干擾，是在降已調(diào)信號下變頻時發(fā)生的，但噪

19、聲頻率過高，人耳是聽不到的，只能從電腦的頻譜圖上觀測到。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，除了反正切解調(diào)法外，還可以通過基于ModulationToolkit的解調(diào)方法，也可以利用鎖相環(huán)解調(diào)。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：解調(diào)算法框圖如圖16所示，其中，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，得到頻分復用的信號。將頻分復用的信號分離開來，恢復成左右聲道。圖16解調(diào)算法框圖6、思考題思考題1結(jié)合通信原理課程，試推導FM時域頻域的信號表達式，并大致畫出單音信號調(diào)制后的時

20、域波形和復頻譜。思考題2從理論上分析，調(diào)制信號和載波信號對FM已調(diào)信號時域頻域的影響。思考題3考慮采用反正切解調(diào)方法，需要通過哪些步驟最終得到調(diào)制信號？試畫出流程框圖。思考題4你是否還有其他的FM解調(diào)方法？可米用通信原理中其他解調(diào)方法，并比較算法難易和性能優(yōu)劣。思考題1：由正交調(diào)制框圖，F(xiàn)M時域表達式輕易推導得到:SC）=IQcosCot）+Q（t）sin（t）FMccFM頻域表達式為：思考題2：一方面，通過調(diào)制可以把基帶信號的頻譜搬移到所希望的位置上去，從而將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸或便于信道多路復用的已調(diào)信號。另一方面，通過調(diào)制可以提高信號通過信道傳輸時的抗干擾能力，同時，它還和傳輸效

21、率有關(guān)。具體地講，不同的調(diào)制方式產(chǎn)生的已調(diào)信號的帶寬不同，因此調(diào)制影響傳輸帶寬的利用率。相干解調(diào)僅適用于窄帶調(diào)頻信號，且需同步信號；而非相干解調(diào)適用于窄帶和寬帶調(diào)頻信號，而且不需同步信號，因而是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式。而載波則是將FM的頻率從低頻調(diào)制到一個適合傳輸?shù)妮^高的頻段。思考題3：考慮采用反正切解調(diào)方法，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處理，得到調(diào)制信號，解調(diào)框圖如圖17所示。MFMQ延遲山sinW4圖17考慮反正切的FM解調(diào)思考題4：第一種：改進的正交解調(diào)法以上方法必須計算反正切,這樣編程計算是很麻煩的,因此我們提出了一種避免計算反正切的方法。

22、以上方法在計算反正切后進行差分運算,即求導,考慮到反正切的導函數(shù)形式簡單,因此這兩步應(yīng)用復合求導公式可以得到:Afn)-/arctarrfI用丿采用這種方法繞過了計算反正切的難點,可以直接計算出結(jié)果,與查表法相比,大大提高精度。它的計算工作量包括需要做2次除法(Q/I只需計算Q(n)/I(n),保存在寄存器里作為下一次的Q(n-1)/I(n-1)、1次平方,2次加減法。因為在TI的C54x系列DSP里,沒有現(xiàn)成的除法指令，這也增加了編程和DSP內(nèi)Q值控制上的問題,使得計算量增大。因此,此方法不能用于中頻采樣率很高而對計算量限制要求很高的情形。圖18為使用改進的正交解調(diào)法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。4山Ut.

23、l圖18改進的正交解調(diào)法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第二種：小角度近似解調(diào)法以上兩種方法都是先計算角度,再作差分。因此我們考慮能否直接計算差角的三角函數(shù)值，而后直接得到差角。由已調(diào)信號星座圖看來，由于FM是恒包絡(luò)調(diào)制，即星座圖上所有點都在單位圓上，故有：cos旳=I(rt-I).sin卩|=Qfn-I)cos色=Kn).sin見=Q£n)JIM>1)【則有：sinn-sin(-J=sin；<x)s|-=yfJfjj-丿-l.nQf.n-IJ我們知道當Ae(n)很小時，由小角度近似法則，sinAG(n)與AG(n)是近似相等的。利用這一原理,我們不難得到：X<til=zlfj!J=si

24、tijii=(J/.nin-L.J-icfi.J(Jlji-Ii由于采用傳統(tǒng)的正交解調(diào)法，計算的是e(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(diào)法的優(yōu)勢在于計算的是AG(n)三角函數(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(yīng)用在調(diào)制角度很小的情況下。圖19為使用小角度近似解調(diào)法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:圖19使用小角度近似解調(diào)法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖FM數(shù)字解調(diào)方法的比較:3種解調(diào)方法主要優(yōu)缺點應(yīng)用范圍傳統(tǒng)正父解調(diào)法查表

25、法計算里取小，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改進的正父解調(diào)法計算量較大，精度較高適用于精度要求高，但要求采樣率低或DSP性能較好的場合小角度近似解調(diào)法計算量較小,精度咼僅能用于小角度調(diào)制的場合七、問題與解決1、連接USRP遇到的問題在連接USRP時，我們將將PC機的IP設(shè)定為192.168.10.1,便誤以為USRPIP地址為192.168.10.1，忽略了NI-USRPConfigurationUtility中的地址,導致程序運行不成功。后來我們找到了問題所在，重新記錄了NI-USRPConfigurationUtility中的地址并輸入前面板的到USRP配置中。2、程序連接出現(xiàn)問題在連接電路時，我們理清了思路，但在對展開相位進行求導時，沒有使用提供的對相位求導工具，而是錯誤使用了LabVIEW函數(shù)中的普通求導，導致FM波形輸出不正確。我們最初沒發(fā)現(xiàn)問題出在哪