北交大通原labview實(shí)驗(yàn)報(bào)告-FM

1、通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程研究性學(xué)習(xí)手冊姓名 祖健文 學(xué)號(hào) 12211189 同組成員 劉少強(qiáng) 指導(dǎo)教師 李丞 時(shí)間 2014年12月 一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)：1、實(shí)驗(yàn)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(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。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：進(jìn)一步學(xué)習(xí)并練習(xí)圖形化編程方式；學(xué)習(xí)并運(yùn)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(jī)的工作原理的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)將具體通信原理知識(shí)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(shí)信號(hào)。3、實(shí)驗(yàn)任務(wù)：實(shí)現(xiàn)一個(gè)頻率調(diào)制的收音機(jī)，并正確

2、接收空中的調(diào)頻廣播電臺(tái)信號(hào)。二、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(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(hào)的積分得到一個(gè)相位和時(shí)間

3、的方程，即：（1.1）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2所示：圖 2 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)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：（1.2）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，

4、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：（1.3）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：（1.4）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3所示。圖 3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、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：對于連續(xù)波調(diào)制，調(diào)制信號(hào)的數(shù)字表達(dá)

5、式可以寫成：（1.6）換句話講，（1.7）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1.8的結(jié)果是：（1.8）根據(jù)正交展開，設(shè)置同向分量如下：（1.9）假設(shè)正交分量是：（1.10）對正交分量與同向分量之比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，得：（1.11）然后，對相位差分，就可以得到調(diào)制信號(hào)為：（1.12）即對接收到的經(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：FM收音機(jī)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(hào)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(jì)算法并完成的。接收調(diào)頻信號(hào)調(diào)諧(選擇頻率)中放

6、FM解調(diào)低放圖4 FM收音機(jī)原理框圖 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。 將I/Q速率樣本數(shù)/秒減小到200k。 打開頻譜圖中的自動(dòng)模式“Auto Scale X”。 移動(dòng)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。 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)：p

7、hase_est = arctan(Q/I)； 去除因?yàn)榉凑胁僮饕氲脑?/-180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。 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(jìn)入PS/PSD VI的VI，并連接導(dǎo)數(shù)和重采樣波形VI。 運(yùn)行VI。四、結(jié)論及分析：實(shí)驗(yàn)程序前面板如圖

8、5所示，左側(cè)為接受信息，從上至下依次為USRP設(shè)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(shí)域波形，右下圖為接收信號(hào)頻譜波形。圖5 FM收音機(jī)程序前面板下圖為FM模擬調(diào)制程序框圖圖6 FM收音機(jī)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 USRP-2920通過天線接收FM信號(hào)，USRP將接受到的模擬FM信號(hào)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(hào)和正交信號(hào)，利用反正切解調(diào)原理進(jìn)行進(jìn)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(hào)與正交信號(hào)通過數(shù)據(jù)線傳送至subComplextoPolarWF.vi

9、控件，其實(shí)現(xiàn)反正切運(yùn)算，即公式1.11，由此得到極坐標(biāo)形式的累加后的調(diào)制信號(hào)。由于反正切操作會(huì)使信號(hào)相位在+/-180度處不連續(xù)，因此利用subUnwrap Phase - Continuous.vi控件，將-,相位展開為連續(xù)相位，再經(jīng)過subDifferentiateContinuous.vi控件進(jìn)行差分處理，即可還原出原始調(diào)制信號(hào)。為使解調(diào)后的信號(hào)可以利用聲卡進(jìn)行播放，因此要對信號(hào)進(jìn)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(hào)功率譜的時(shí)候，我們在PSD控件屬性中設(shè)置其顯示為“dB”，可實(shí)際運(yùn)行程序時(shí)，功率譜卻未顯示為分貝形式，使得

10、觀察效果不明顯。后來，我們觀察到該控件輸入端有一個(gè)“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(shí)際顯示結(jié)果符合了要求?？紤]到該控件有復(fù)位功能，可能在運(yùn)行后自動(dòng)復(fù)位，所以更改屬性可能并不管用。2、當(dāng)信號(hào)增益為0時(shí)，收聽到的廣播伴有強(qiáng)烈的噪音，增大增益至20dB以上時(shí)，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(kuò)展問題：1. 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：頻偏就是調(diào)頻波頻率擺動(dòng)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(shí)

11、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87.5108MHz，總帶寬20.5MHz。一般國內(nèi)會(huì)把7687.5MHz的頻段用于大學(xué)校園廣播（四六級(jí)聽力的時(shí)候用）。一般是以100KHz為步進(jìn)搜索電臺(tái)，規(guī)定電臺(tái)可以使用的最大頻偏為75KHz，頻道之間留25KHz作為保護(hù)間隔。所以可以得出每個(gè)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(jì)的FM收發(fā)信機(jī)性能優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)。答：首先最明顯的性能指標(biāo)就是收聽效果，收聽到的信息中，噪聲越小，表明接收機(jī)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(jī)性能

12、越好。還有就是采樣率的大小，接收機(jī)采樣率越高，說明其運(yùn)算能力越強(qiáng)，同時(shí)，采樣率越高，相同信噪比下的收聽效果越好。3. 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：不同頻道的接收信號(hào)功率譜最大值，均出現(xiàn)在接收的中心頻率附近，因?yàn)榻?jīng)過調(diào)制以后的FM信號(hào)，音頻信號(hào)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(gè)廣播電臺(tái)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(tái)的頻率為

13、93.7MHz。4. 你能基于USRP數(shù)字平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)類似的解調(diào)算法嗎？答：可以設(shè)計(jì)一個(gè)基于USRP數(shù)字平臺(tái)的非相干解調(diào)算法。已知一條波的時(shí)域表達(dá)式為對其進(jìn)行差分，得可見，調(diào)頻波的差分結(jié)果是一個(gè)反相正弦型調(diào)頻-調(diào)幅波，并且含有直流分量，其包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)m(n)成正比波動(dòng)，因此這個(gè)信號(hào)可以直接進(jìn)行包絡(luò)檢波，再去除直流后，即可恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)。5. 嘗試創(chuàng)建一個(gè)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(hào)；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(jìn)行鑒頻，得到頻分復(fù)用的信號(hào)。將頻分復(fù)用的信號(hào)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(jī)實(shí)驗(yàn)，難度較上一個(gè)AM幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)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)，所以理解起來較為困難。而且USRP接收機(jī)和計(jì)算機(jī)聲卡模塊的知識(shí)積累也不是十分豐富，所以實(shí)