-周一16：00-頻率調(diào)制實(shí)驗(yàn)

1、 通信原理實(shí)驗(yàn) 基于LabVIEW的頻率調(diào)制姓名： 學(xué)號(hào)： 組員： 指導(dǎo)教師： 日期： 2015年12月14日 上課時(shí)間：星期 一 第 五 大節(jié)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)在本實(shí)驗(yàn)中你要在LabVIEW+USRP平臺(tái)上完成一對(duì)調(diào)頻收發(fā)信機(jī)，要求可以通過接收端或者普通的FM收音機(jī)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(jī)收聽調(diào)頻廣播。本實(shí)驗(yàn)將加深你對(duì)頻率調(diào)制相關(guān)概念的理解，并使你初步掌握LabVIEW+USRP軟件無線電平臺(tái)的使用方式。二、 實(shí)驗(yàn)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(tái)計(jì)算機(jī)；三、 基本原理及分析1. 頻率調(diào)

2、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）式中，代表載波頻率，代表調(diào)制指

3、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)轉(zhuǎn)化為適合用軟件處理的數(shù)值積

4、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：（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(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(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、 實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)包括發(fā)送端和接收端兩個(gè)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(cè)為參數(shù)輸入部分，可以設(shè)置聲音文件路徑、USRP配置等控制參數(shù)；前面板右側(cè)為輸出部分，可以顯示發(fā)射聲音信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形；如果

6、程序運(yùn)行出錯(cuò)，還會(huì)在錯(cuò)誤輸出部分顯示錯(cuò)誤代碼和錯(cuò)誤描述，便于程序的調(diào)試。圖4 發(fā)射端前面板發(fā)射端的主程序包含3個(gè)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(duì)應(yīng)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(diǎn)數(shù)、聲音文件的引用句柄以及任務(wù)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(zhuǎn)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(shè)備，讓你在發(fā)射端可以聽到將要發(fā)送的聲音。對(duì)應(yīng)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(gè)輸出；輸出是聲音文件的引用句柄、任務(wù)ID、波形數(shù)據(jù)以及文件結(jié)束標(biāo)識(shí)。 進(jìn)行FM調(diào)制此模塊的作用是對(duì)音頻進(jìn)行FM調(diào)制。對(duì)應(yīng)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(jīng)過FM調(diào)制后的時(shí)域波形。調(diào)制后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)入niUSRP Write Tx Data (poly)函數(shù)，根據(jù)前面板上配置的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)射到空間中，以供接收端程序、普通的FM收音機(jī)或者手機(jī)接收。subFMMod子程序在這個(gè)子

8、程序中需要分兩步來完成對(duì)聲音信號(hào)的FM調(diào)制。由于聲卡對(duì)聲音信號(hào)的采樣率并不是我們需要的采樣率，因此首先要對(duì)輸入的聲音波形數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，把信號(hào)的采樣率調(diào)整成前面板上設(shè)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(duì)重采樣后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行FM調(diào)制。此時(shí)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(diào)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(cè)同樣為參數(shù)輸入部分，可以

9、配置USRP的各項(xiàng)參數(shù)以及聲卡的采樣率；前面板右側(cè)為輸出部分，可以顯示對(duì)接收到的聲音信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后的時(shí)域波形和頻域波形。接收端主程序包含2個(gè)功能模塊，其功能如下所述。圖8 接收端前面板 進(jìn)行USRP配置此模塊的作用是根據(jù)前面板上輸入的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)USRP進(jìn)行配置，對(duì)應(yīng)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(xiàng)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(cuò)誤信息輸出。 進(jìn)行FM解調(diào)此模塊的作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行FM解調(diào)，對(duì)應(yīng)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(diào)后的信號(hào)和重采樣后的信號(hào)。將重采樣后的信號(hào)輸入subSound_Out_16b_mono函數(shù)便可以通過聲卡收聽到解調(diào)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(hào)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)的形式，得到相位信息后再對(duì)其進(jìn)行差分運(yùn)算即可得到調(diào)制前的原始信號(hào)。在這一過程中會(huì)用到如下子程序：subComplextoPolarWF將信號(hào)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)形式、subUnwrap Phase-Continuous消

11、除相位的不連續(xù)、subDifferentiate Continuous對(duì)相位逐點(diǎn)求導(dǎo)。此外與發(fā)射端類似，同樣需要對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行重采樣，使得其采樣率匹配聲卡的采樣率。解調(diào)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(hào)的解調(diào)并輸出解調(diào)后信號(hào)的時(shí)域波形。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析圖11 發(fā)送端結(jié)果圖圖12 接收端結(jié)果程序設(shè)計(jì)完成后，將USPR硬件用網(wǎng)線連接到PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口，啟動(dòng)LabVIEW尋找接入設(shè)備，運(yùn)行程序，如圖11,12分別為發(fā)送端和接收端的波形，信號(hào)發(fā)送后，在手機(jī)收音機(jī)上調(diào)至102.9M頻率，即可聽到調(diào)制發(fā)送的音樂，有一點(diǎn)雜音；接收端也可以收到由另一臺(tái)發(fā)送來的聲音信號(hào)，同樣

12、會(huì)有一點(diǎn)雜音，接收端調(diào)整不同的載波頻率，即可聽到所調(diào)電臺(tái)的聲音。調(diào)制和解調(diào)過程中有一定的失真，會(huì)產(chǎn)生噪音，同時(shí)，周圍同學(xué)的實(shí)驗(yàn)信號(hào)也會(huì)對(duì)結(jié)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(jì)算機(jī)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(shí)信號(hào)會(huì)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(hào)為數(shù)字信號(hào)，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(shí)候會(huì)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(hào)重采樣時(shí)加入濾波器規(guī)范，濾除高頻率的無用波，減少解調(diào)信號(hào)的噪音。4. 遇到的問題：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；解決方法：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。七、 實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展解答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)。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)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(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?cè)谑褂脽o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)。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

15、時(shí)，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(diào)算法來實(shí)現(xiàn)解調(diào)，并基于LabVIEW+USRP平臺(tái)驗(yàn)證其可行性；比較兩種方法所設(shè)計(jì)的FM接收端的功能和性能，并進(jìn)行必要的方案改進(jìn)。小角度近似解調(diào)法：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: 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(shì)在于計(jì)算的是(n)三

16、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3為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：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(diào)，但是有錯(cuò)，運(yùn)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(shí)現(xiàn)其效果，無能為力了，遺憾。八、 心得1) 剛開始對(duì)于FM解調(diào)和調(diào)制的電路毫無頭緒，覺得提供的器件對(duì)于電路功能實(shí)現(xiàn)沒有什么幫助，不知道從何