北京交通大學(xué)通原實(shí)驗(yàn)調(diào)制AMFM

1、通信原理實(shí)驗(yàn)電子信息工程學(xué)院學(xué)生姓名： 周雨彤 學(xué)號(hào)： 15211057 學(xué)生姓名： 李佳怡 學(xué)號(hào)： 15211070 指導(dǎo)教師： 李丞 日期： 上課時(shí)間：星期 一 第 6 大節(jié)基于LabVIEW和USRP的調(diào)頻一、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)本實(shí)驗(yàn)的目的是實(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)。讓學(xué)生可以直觀深入的理解調(diào)頻收音機(jī)的工作原理，感受真實(shí)信號(hào)。并通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境與準(zhǔn)備軟件LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件NI USRP（1臺(tái)）及配

2、件。三、實(shí)驗(yàn)原理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(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)間的方程，即：（1.1）式

3、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(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)

4、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：（1.5）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：

5、（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1.7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(duì)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(duì)相位差分，就可以得到調(diào)制信號(hào)為：（1.12）即對(duì)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)。四、設(shè)計(jì)過程1、硬件連接：用網(wǎng)線將USRP設(shè)備與PC機(jī)連接，如圖4所示。由于調(diào)頻收音機(jī)有音頻輸出，所以要求計(jì)算機(jī)有聲卡，并且有聲音播放器。在控制面板中將PC機(jī)的IP設(shè)定為192.168.10.1，網(wǎng)關(guān)為255.25

6、5.255.0。連接USRP的電源、天線。在windows的開始菜單中All ProgramsNational InstrumentsNI-USRP目錄下面找到NI-USRP Configuration Utility，在Change IP Address 選項(xiàng)卡中應(yīng)該能夠看到設(shè)備（包括Device ID, IP Address, Type/revision)，如圖5所示。如果看不到設(shè)備，請(qǐng)點(diǎn)擊Find Devices來尋找設(shè)備。如果需要，可以選定一個(gè)設(shè)備并且在右邊New IP Address欄中輸入新IP地址，點(diǎn)擊Change IP Address來修改USRP設(shè)備的IP地址。圖4 用網(wǎng)線將

7、USRP設(shè)備與PC機(jī)連接圖5 NI-USRP Configuration Utility界面2、FM_Rx.vi設(shè)計(jì)過程：FM收音機(jī)的原理框圖如圖6所示。在學(xué)生程序FM_Rx.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)部分是我們需要結(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FM解調(diào)低放圖6 FM收音機(jī)原理框圖 改變載波頻率Hz找到要收聽的廣播電臺(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（

8、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)：phase_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subResampleW

9、F.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。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(biāo)“”功能：將復(fù)數(shù)向極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換位置：文件夾“FM Receiver”“subVIs”中 subUnwrap Phase - Continuous.vi 圖標(biāo)“”功能：將-,相位展開為連續(xù)相位位置：文件夾“FM

10、Receiver”“subVIs”中輸入信號(hào)Input SignalAngle（波形DBL）待處理的相位波形信號(hào)Reset布爾（TRUE或FALSE）是否重置輸出信號(hào)Phase UnwrappedAngle（波形DBL）經(jīng)相位連續(xù)展開的波形信號(hào) subDifferentiateContinuous.vi 圖標(biāo)“”功能：對(duì)相位逐點(diǎn)求導(dǎo)位置：文件夾“FM Receiver”“subVIs”中實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證：運(yùn)行結(jié)果如下圖9所示。可以通過接收不同的FM廣播電臺(tái)來檢查你設(shè)計(jì)接收機(jī)的性能，注意觀察接收信號(hào)的功率譜。圖9調(diào)頻接收機(jī)的前面板3、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

11、理，以及聲卡編程三部分。圖10 FM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(duì)移位寄存器初始化。最后停止并關(guān)閉USRP，釋放資源。圖11 USRP編程部分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(shí)域信號(hào)顯示，快速傅里葉變換PS/PSD后的波形送到頻域信號(hào)顯示。圖12 基帶波形的反正切處理聲卡的編程在圖13紅色框出，包括聲卡參數(shù)配置，音量調(diào)節(jié)，連續(xù)向聲卡緩存寫入聲音數(shù)據(jù)，最后對(duì)聲音

12、輸出清零。圖13 聲卡編程部分五、結(jié)論及分析對(duì)subFMDemod.vi的編程如圖14所示，首先將基帶復(fù)數(shù)波形向極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，然后展開相位，對(duì)相位求導(dǎo)，求導(dǎo)后的波形即解調(diào)后波形，送到時(shí)域信號(hào)顯示，重采樣后的信號(hào)送到聲卡輸出。圖14 對(duì)subFMDemod.vi的編程設(shè)計(jì)好解調(diào)電路以后，連接USRP，運(yùn)行程序，即可得到一臺(tái)FM收音機(jī)。我們的收音機(jī)能夠正常收聽普通的電臺(tái)，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0-1kHz，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(huì)對(duì)收聽造成影響。收聽時(shí)程序面板如圖15所示：圖15 FM收音機(jī)界面六、實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展1、頻偏的意義

13、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。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(gè)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(gè)決定因素，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(hào)的一種工具。利用調(diào)頻波可以傳送聲

14、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(hào)（專業(yè)術(shù)語為音頻信號(hào)）對(duì)調(diào)頻波進(jìn)行調(diào)制，可以使固定的調(diào)頻波頻率向兩邊偏移，當(dāng)然利用圖像信號(hào)（專業(yè)術(shù)語稱為視頻信號(hào)）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(jì)的FM收發(fā)信機(jī)性能優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)。答：a.解調(diào)時(shí)間：接收到空間中的無線電信號(hào)以后，需要電路進(jìn)行解調(diào)，會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)，可以用真正的FM收音機(jī)和USRP設(shè)備同時(shí)接收信號(hào)，比較二者播放的內(nèi)容是否有時(shí)延，從而估計(jì)解調(diào)的時(shí)間；b.信噪比：解調(diào)以后的信噪比也是很重要的一個(gè)因素，直接影響收聽效果，可以通過人耳直接進(jìn)行判斷，若音質(zhì)較好，可認(rèn)為信噪比

15、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(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？在接收真實(shí)音頻信道時(shí)，可以看到在一些位置會(huì)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(hào)下變頻時(shí)發(fā)生的，但噪聲頻率過高，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(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)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Modulation Toolkit的

16、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(gè)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(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。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(dǎo)FM時(shí)域頻域的信號(hào)表達(dá)式，并大致畫出單音信號(hào)調(diào)制后的時(shí)域波形和復(fù)頻譜。思考題2從理論上分析，調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)對(duì)FM已調(diào)信號(hào)時(shí)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(hào)？試畫出流程框圖。思考題4你是否還有其

17、他的FM解調(diào)方法？可采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(shí)域表達(dá)式輕易推導(dǎo)得到：FM頻域表達(dá)式為： 思考題2：一方面，通過調(diào)制可以把基帶信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上去，從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)。另一方面，通過調(diào)制可以提高信號(hào)通過信道傳輸時(shí)的抗干擾能力，同時(shí)，它還和傳輸效率有關(guān)。具體地講，不同的調(diào)制方式產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)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(hào)，且需同步信號(hào)；而非相干解調(diào)適用于窄帶和寬帶調(diào)頻信號(hào)，而且不需同步信號(hào)，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

18、低頻調(diào)制到一個(gè)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(duì)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)，解調(diào)框圖如圖17所示。圖17考慮反正切的FM解調(diào)思考題4：第一種：改進(jìn)的正交解調(diào)法以上方法必須計(jì)算反正切,這樣編程計(jì)算是很麻煩的,因此我們提出了一種避免計(jì)算反正切的方法。以上方法在計(jì)算反正切后進(jìn)行差分運(yùn)算,即求導(dǎo),考慮到反正切的導(dǎo)函數(shù)形式簡單,因此這兩步應(yīng)用復(fù)合求導(dǎo)公式可以得到: 采用這種方法繞過了計(jì)算反正切的難點(diǎn),可以直接計(jì)算出結(jié)果,與查表法相比,大大提高精度。它的計(jì)算工作量包括需要做2次除法(Q/I只需計(jì)算Q(n)/I(n),保

19、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?yàn)樵赥I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(jì)算量增大。因此,此方法不能用于中頻采樣率很高而對(duì)計(jì)算量限制要求很高的情形。圖18為使用改進(jìn)的正交解調(diào)法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖18 改進(jìn)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(jì)算角度,再作差分。因此我們考慮能否直接計(jì)算差角的三角函數(shù)值,而后直接得到差角。由已調(diào)信號(hào)星座圖看來,由于FM是恒包絡(luò)調(diào)制,即星座圖上所有點(diǎn)都在單位圓上,故有:則有：我們知道當(dāng)(n)很小時(shí),由小角度近似法則,sin(n)與(n)是近

20、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(diào)法,計(jì)算的是(n)的三角函數(shù),這個(gè)是沒有辦法近似的,只能采用計(jì)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(jì)算的是(n)三角函數(shù),這個(gè)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(jì)算,計(jì)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(diǎn)應(yīng)用范圍傳統(tǒng)正交解調(diào)法查表法計(jì)算量最小,但精度不高,計(jì)算

21、反正切法計(jì)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(jìn)的正交解調(diào)法計(jì)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(jì)算量較小,精度高僅能用于小角度調(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(shí)，我們將將PC機(jī)的IP設(shè)定為192.168.10.1，便誤以為USRP IP地址為192.168.10.1，忽略了 NI-USRP Configuration Utility中的地址，導(dǎo)致程序運(yùn)行不成功。后來我們找到了問題所在，重新記錄了NI-USRP Configuration Utility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(shí)，我們理清了思路，但在對(duì)展開相位進(jìn)行求導(dǎo)時(shí)，沒有使用提供的對(duì)相位求導(dǎo)工具，而是錯(cuò)誤使用了LabVIEW函數(shù)中的普通求導(dǎo)，導(dǎo)致FM波形輸出不正確。我們最初沒發(fā)現(xiàn)問題出在哪，以為是老師提供的框架在信號(hào)接收時(shí)出現(xiàn)了問題，于是開始查閱資料并嘗試修改給定的聲卡連接部分程序，沒有結(jié)果，后來花費(fèi)很長時(shí)間才找到了問題所在，將普通求導(dǎo)更改為對(duì)相位求導(dǎo)。雖然花費(fèi)了很長時(shí)間去看給定部分程序，但我們也因此對(duì)其他部分程序有了更深的了解。3、FM頻段選擇