基于labview的頻率調(diào)制

1、-. z.國家電工電子實驗教學中心通信系統(tǒng)與原理實驗報告實驗題目：基于LabVIEW的頻率調(diào)制學院：電子信息工程學院專業(yè)：通信1210班通信1212班學生：*：任課教師：純喜磊實驗教師：王琴一、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)頻播送電臺信號。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。并通過實驗容熟悉圖形化編程方式，了解軟件LabVIEW和USRP硬件根本模塊的使用和調(diào)試方法，為后續(xù)實驗奠定根底。二、實驗環(huán)境與準備軟件LabVIEW 2012或以上版本；硬件NI USRP1臺及配件。三、實驗原理1. 頻率調(diào)制F

2、MFrequency Modulation代表頻率調(diào)制，常用于無線電和電視播送。世界各地的FM調(diào)頻播送電臺使用從87.5MHz到108MHz為中心頻率的信號進展傳輸，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，并介紹其根本的實現(xiàn)方法。通過一個基帶信號調(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)，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展控制的頻率調(diào)制過程。FM發(fā)射機頻率調(diào)制的框圖如圖1所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 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：1.1式中，代表載波

3、頻率，代表調(diào)制指數(shù)，代表信源信號。調(diào)制結(jié)果是相位的調(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)制器如下列圖2所示：圖 SEQ 圖 * ARABIC 2相位調(diào)制在此次實驗中，NI USRP-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中進展信號處理。假設(shè)調(diào)頻信號的數(shù)學表達式：1.2式中，代表載波幅度，代表調(diào)制指數(shù)，代表信源信號。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進展數(shù)字化。假設(shè)將調(diào)頻信號以t為采樣間隔離散化，則式1.2中

4、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)間分成假設(shè)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(diào)制的方法加以實現(xiàn)，如圖3所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 3正交調(diào)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：1.52. 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。其根本思想和實現(xiàn)過程如下：對于連續(xù)波調(diào)制

5、，調(diào)制信號的數(shù)字表達式可以寫成：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展反正切運算，得：1.11然后，對相位差分，就可以得到調(diào)制信號為：1.12即對接收到的經(jīng)過下變頻的基帶正交信號化為極坐標的形式，得到其相位后再進展求導處理，得到調(diào)制信號。四、程序設(shè)計FM收音機的原理框圖如圖4所示：接收調(diào)頻信號調(diào)諧(選擇頻率)中放FM解調(diào)低放圖4 FM收音機原理框圖 = 1 * GB2 改變載波頻率Hz找到要收聽的播送電臺，例如，如果中心頻率是94.7MHz并且

6、電臺出現(xiàn)在頻譜圖上-1M位置處，則該播送電臺的頻率為93.7MHz。 = 2 * GB2 將I/Q速率樣本數(shù)/秒減小到200k。 = 3 * GB2 翻開頻譜圖中的自動模式Auto Scale *。 = 4 * GB2 移動到程序框圖CTRL+E。 = 5 * GB2 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。 = 6 * GB2 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采樣信號開場，為了恢復音頻，從以下幾步實現(xiàn)算法： = 1 * GB3 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 = arct

7、an(Q/I)； = 2 * GB3 去除因為反正切操作引入的在+/-180度處的信號不連續(xù)性； = 3 * GB3 使用相位的一階導數(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； = 4 * GB3 最后使用重采樣來降低數(shù)據(jù)率以便與聲卡相配。 = 7 * GB2 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。 = 8 * GB2 刪除subSound_Out_16b_mono.vi右側(cè)的棕色波形線和subResFMpleWF.vi上方的輸出和移位存放器右側(cè)的連線。 = 9 * GB2 最后，刪除進入PS/PSD VI

8、的VI，并連接導數(shù)和重采樣波形VI。 = 10 * GB2 運行VI。重要模塊解析這局部容用來說明subVIs提供的已編寫好的功能模塊 = 1 * GB3 subple*toPolarWF.vi 圖標功能：將復數(shù)向極坐標轉(zhuǎn)換位置：文件夾FM ReceiversubVIs中 = 2 * GB3 subUnwrap Phase - Continuous.vi 圖標功能：將相位展開為連續(xù)相位位置：文件夾FM ReceiversubVIs中輸入信號Input SignalAngle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Phase UnwrappedAngle波

9、形DBL經(jīng)相位連續(xù)展開的波形信號 = 3 * GB3 subDifferentiateContinuous.vi 圖標功能：對相位逐點求導位置：文件夾FM ReceiversubVIs中五實驗現(xiàn)象程序設(shè)計完成后，將USPR硬件用網(wǎng)線連接到PC機的網(wǎng)絡(luò)接口，啟動LabVIEW尋找接入設(shè)備，運行程序，可收聽到不同頻率的播送，但有一定的雜音。程序構(gòu)造如下列圖所示：實驗中遇到的問題及解決方法遇到問題：程序設(shè)計完成后，將USPR硬件用網(wǎng)線連接到PC機的網(wǎng)絡(luò)接口，不能啟動程序。解決方法：檢查程序設(shè)計無誤，通過請教同學得知USPR不光要在硬件上接入，還要在PC機的網(wǎng)絡(luò)連接窗口將IP地址改為，子網(wǎng)掩碼改為，啟

10、動LabVIEW尋找接入設(shè)備可看到IP地址已被修改，這時USPR才真正與連接到電腦，在程序中可用，運行程序可收聽不同頻率的播送。七實驗擴展頻偏的意義是什么？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。頻偏就是調(diào)頻波以載頻為中心頻率擺動的幅度，一般說的是最大頻偏，它影響調(diào)頻波的頻譜帶寬。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，所以說它影響調(diào)頻波的頻譜帶寬。調(diào)頻收音機中的頻偏是相對于調(diào)幅收音機而言的。在調(diào)幅收音機中，音頻信號的變化是表

11、達在電壓和電流的大小變化上，即聲大電壓就高，聲小電壓就低。因為絕大多數(shù)干擾信號也是電壓變化，所以調(diào)幅收音機，抗干擾性要差得多。調(diào)頻收音機，信號調(diào)制的是頻率，也就是說聲音大小，表達的是頻率的變化，頻率隨聲音變化的圍，就是頻偏。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。信噪比和功率，接收端噪音的大小等。性能越好的收發(fā)信機，其信噪比增益越接近理論值越好。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一樣點？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

12、變。這是由于FM解調(diào)時存在的門限效應(yīng)。門限效應(yīng)是指當包絡(luò)檢波器的輸入信噪比降低到一個特定的數(shù)值后，檢波器的輸出信噪比出現(xiàn)急劇惡化的一種現(xiàn)象。開場出現(xiàn)門限效應(yīng)的輸入信噪比稱為門限值。這種門限效應(yīng)是由包絡(luò)檢波器的非線性解調(diào)作用引起的。在小信噪比情況下，調(diào)制信號無法與噪聲分開，而且有用信號淹沒在噪聲之中，此時檢波器輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比下降，而是急劇惡化，也就是出現(xiàn)了門限效應(yīng)。當頻譜中出現(xiàn)尖峰脈沖時，代表著出現(xiàn)門限效應(yīng)，輸入信噪比過小，造成輸出檢波器的信噪比急劇下降，性能急劇下降。頻譜中的尖峰脈沖應(yīng)該是短暫的噪聲干擾。你能基于USRP數(shù)字平臺設(shè)計一個類似的解調(diào)算法嗎？通過查閱資料得到正

13、交解調(diào)法系統(tǒng)框圖如下：嘗試創(chuàng)立一個雙通道立體聲的視頻流的正確解調(diào)算法。非相干解調(diào)法原理圖如下：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后先進展鑒頻，得到頻分復用的信號。將頻分復用的信號別離開來，恢復成左右聲道。思考題結(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)制后的時域波形和復頻譜。 FM的頻譜為：調(diào)制后的時域頻域波形如下列圖所示：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。載波決定了FM已調(diào)信號的中心頻率，調(diào)制信號在*一時刻的大小決定了已調(diào)信號相對于載波即中心頻率的頻率偏移，反映在時域

14、即信號的疏密程度發(fā)生變化，密的地方頻率大，疏的地方頻率小。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。4.你是否還有其他的FM解調(diào)方法？可采用通信原理中其他解調(diào)方法，并比擬算法難易和性能優(yōu)劣。小角度近似解調(diào)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(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: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(diào)法,計算的是(n)的三角函數(shù),這個是沒有方法近似的,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(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3為使用小角度近似解調(diào)法的系統(tǒng)構(gòu)造圖: FM數(shù)字解調(diào)方法的比擬：解調(diào)方法主要優(yōu)缺點應(yīng)用圍傳統(tǒng)正交解調(diào)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(diào)法計算量較小,精