劉琴-1322201周一16點(diǎn)20分-頻率調(diào)制試驗(yàn)報(bào)告匯總

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：仝欣指導(dǎo)教師：日期：2015.12.15上課時(shí)間：星期一第五大節(jié)

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)在本實(shí)驗(yàn)中要在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(guò)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，用做好的FM接收機(jī)收聽(tīng)調(diào)頻廣播。本實(shí)驗(yàn)將加深對(duì)頻率調(diào)制相關(guān)概念的理解，并初步掌握LabVIEW+USRP軟件無(wú)線電平臺(tái)的使用方式二、實(shí)驗(yàn)儀器軟件環(huán)境：LabVIEW2012（或以上版本）；硬件環(huán)境：兩套USRP（子板頻帶含97?108MHz）,兩臺(tái)計(jì)算機(jī);三、基本原理及分析1、頻率調(diào)制。FM（FrequencyModulation）代表頻率調(diào)制，常用于無(wú)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(guò)一個(gè)基帶信號(hào)m（t）調(diào)節(jié)載波的數(shù)學(xué)過(guò)程分為兩步。首先，信源信號(hào)經(jīng)過(guò)積分得到關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。（t）,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(guò)程。FM發(fā)射機(jī)頻率調(diào)制的框圖如圖1所示。BasebandIntegratedModulatedSignalBaeebsndFMSignalCarrierSinusoid^^'上》”）二.4匕口式2貳「）圖1頻率調(diào)制框圖在圖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：0（t0（t）=Jtm（T）dTo（i.i）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(hào)。調(diào)制結(jié)果是相位的cf調(diào)制，與在時(shí)域上載波相位的變化有關(guān)。在此次實(shí)驗(yàn)中，NIUSRP-2920通過(guò)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(guò)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：sFM(tsFM(t)=Acos3t+kjm(t)dtf一g(1.2)式中，A代表載波幅度，(代表調(diào)制指數(shù)，m(t)代表信源信號(hào)。由于在軟件無(wú)線電cf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b一a上用低階求積。即將積分區(qū)間［a，b］分為n等份，分點(diǎn)x；=kh，h=——，k=0，1，…,kn求和得復(fù)化(1.3)n在每個(gè)子區(qū)間vx/上引用梯形公J”Ex口2［fQJ+f、/］，求和得復(fù)化(1.3)求積公式為：I=jbf(xdx=￡jxk+1f(x^)dx^—￡[f(x)+f(x)]

ax2kk+1k=0kk=0采用復(fù)化求積公式后，按三角運(yùn)算展開(kāi)后可得到FM的離散數(shù)學(xué)表達(dá)式為:sFM(nT)=cos]sFM(nT)=cos]kT￡Lfsi=1.0T￡x

一sin]kT—一

fsx(iT)+x[(i一1)T

sss2(T)+xb-1)T[ss-2Icos(3nT)cssin(3nT)cs(1.4)、i=1"從理論上來(lái)說(shuō)，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)，同時(shí)，寫(xiě)出它的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為：S(t)=I(t)cos(3t)+Q(t)sin(3t)FMcc2、反正切解調(diào)原理。在本實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用一種經(jīng)典的解調(diào)方法——反正切方法。其基本思想和實(shí)現(xiàn)過(guò)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(xiě)成：(1.6)S(n)=Acos3n+^(n)］(1.6)換句話講，

S。)=A(nIosLn+kZm^n)+屯]式中，3表示載頻的角頻率，k表示比例因子，口是一個(gè)常數(shù)。c0展開(kāi)1.8的結(jié)果是：m(n)+①*in?n)(1.8)S(n)=An)coskZm(n)+m(n)+①*in?n)(1.8)0c根據(jù)正交展開(kāi)，設(shè)置同向分量如下：X(n)=A(n)coskZm(n)+①]I0假設(shè)正交分量是：X(n)=A(n)sinkZm(n)+①]假設(shè)正交分量是：Q0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(n)=arctan—Q|=kZm(n)+①I(mǎi)XJ0然后，對(duì)相位差分，就可以得到調(diào)制信號(hào)為：①(n)-①(n-1)二m(n)(1.7)即對(duì)接收到的經(jīng)過(guò)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)。(1.7)四、實(shí)驗(yàn)任務(wù)分析本次實(shí)驗(yàn)中大部分的程序已經(jīng)提供，只需要完成subFMMod子程序和subFMDemod子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音波形的FM調(diào)制和解調(diào)。在完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)后上交這兩個(gè)子程序以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。1.發(fā)射端發(fā)射端主程序的前面板如圖2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。圖圖5subFMDemod子程序框圖圖圖3subFMMod子程序框圖基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)篇實(shí)藕二頻率調(diào)制(TX)叫PS3比R1妞gi”-VQ.iSI?時(shí)修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)篇實(shí)藕二頻率調(diào)制(TX)叫PS3比R1妞gi”-VQ.iSI?時(shí)修,2ESSS■torx發(fā)射端主程序前面板在這個(gè)子程序中需要分兩步來(lái)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。在這一步可能要用到波形重采樣(ResampleWaveforms)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)需要用到MTModulateFM函數(shù)。以下是完成該部分的步驟：(1)添加“波形沖采樣”控件，對(duì)輸入波形進(jìn)行重采樣，同時(shí)向“波形重采樣”控件輸入合適的重采樣率；(2)運(yùn)用MTModulateFM函數(shù)對(duì)重采樣后的波形進(jìn)行FM調(diào)制。(3)將輸出簇創(chuàng)建波形，因?yàn)椴ㄐ尾荒苤苯虞敵?，轉(zhuǎn)換時(shí)間標(biāo)識(shí)后，連接waveform輸出波形；完成后的子程序框圖如圖3所示

2.接收端接收端主程序前面板如圖4所示。前面板左側(cè)同樣為參數(shù)輸入部分，可以配置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?；繉?shí)蕤篇實(shí)設(shè)二頻率啊制(RKJ■?基部實(shí)蕤篇實(shí)設(shè)二頻率啊制(RKJ■?圖4接收端前面板在這個(gè)子程序中需要完成對(duì)接收信號(hào)的FM解調(diào)。這里我們運(yùn)用反正切方法。通過(guò)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)。以下是完成該實(shí)驗(yàn)的步驟：(1)從老師提供的子程序中提取subComplextoPolarWF.vi子程序，將復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)向極坐標(biāo)；(2)從老師提供的子程序中找到subUnwrapPhase-Continuous子程序以消除相位的不連續(xù)性；(3)從老師提供的子程序中引入subDifferentiateContinuous子程序?qū)ο辔恢瘘c(diǎn)求導(dǎo)；(4)與發(fā)射端類(lèi)似，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。圖5是完成后的子程序框圖：五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析首先，驗(yàn)證發(fā)射端的正確性。需要正確的連接USRP并配置好各項(xiàng)參數(shù)（尤其注意載波頻率的設(shè)定，可以設(shè)置為100MHz）,然后選擇一個(gè)自定義的.wav音頻文件。運(yùn)行程序后設(shè)備能夠持續(xù)運(yùn)行，且在發(fā)射端前面板上能夠觀察到信號(hào)正確的時(shí)域和頻域波形，如圖6所示。正常情況下可以利用自己的手機(jī)接收到發(fā)射端發(fā)送的音頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)二頻率調(diào)制（TX）"m.r0dha.lncp社e由"m.r0dha.lncp社e由A9Si￡（AMfcFMJg上說(shuō)&安蜿二周M*安理考生竄修印L3MT血B142.Lfcd.LaJ■]；3定基|T嶺MBJU3X1Fr4quincf-[H^lJli^LMT血B142.Lfcd.LaJ■]；3定基|T嶺MBJU3X1Fr4quincf-[H^lJli^L：j1CLDQ02DLC4K2CJMK-fiCjC-C-MGjMLTfcne圖6發(fā)射端時(shí)域與頻域波形其次，驗(yàn)證接收端的正確性。同樣需要正確的連接硬件設(shè)備并配置參數(shù)。然后將載波頻率調(diào)整到某個(gè)公共調(diào)頻廣播電臺(tái)（例如北京地區(qū)可以設(shè)為103.9MHz北京交通廣播電臺(tái)），程序編寫(xiě)正確，將可以比較清晰地聽(tīng)到廣播內(nèi)容。最后，將發(fā)射端和接收端同時(shí)運(yùn)行，形成一套收發(fā)信機(jī)。當(dāng)它們載波頻率相同時(shí)，接收端可以收到發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)，成功解調(diào)后能夠聽(tīng)到清晰的聲音。且在接收端前面板上能夠觀察到時(shí)域與頻域波形，如圖7所示。圖7圖7接收端時(shí)域與頻域波形六、遇到的問(wèn)題及解決方法1、接收端雜音較多，在程序中添加了一個(gè)FIR低通濾波器。2、當(dāng)信號(hào)增益為0時(shí)，收聽(tīng)到的廣播伴有強(qiáng)烈的噪音，增大增益至20dB以上時(shí)，收聽(tīng)到的噪音明顯減小，由此可見(jiàn)，增大信噪比可以明顯改善接收效果。3、計(jì)算機(jī)一直搜索不到我們的USRP,通過(guò)與同學(xué)交流，知道了自己連接網(wǎng)線之后還應(yīng)該修改IP地址，雖然修改了多次才成功，但是最終實(shí)現(xiàn)了連接。七、實(shí)驗(yàn)拓展解答L頻偏的意義是什么？它怎樣影響調(diào)制信號(hào)？從聽(tīng)眾的角度，我們能做些什么來(lái)解決這些影響？做一些測(cè)試驗(yàn)證自己的觀點(diǎn)。答：頻偏是指調(diào)頻波頻率擺動(dòng)的幅度，一般說(shuō)的是最大頻偏，它影響調(diào)頻波的頻譜帶寬。調(diào)制指數(shù)^!=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(shuō)來(lái)，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(shuō)它影響調(diào)頻波的頻譜帶寬。一般情況下，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(guó)規(guī)定FM廣播使用的頻帶范圍是87.5?108MHz，總帶寬20.5MHz。一般國(guó)內(nèi)會(huì)把76?87.5MHz的頻段用于大學(xué)校園廣播(四六級(jí)聽(tīng)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(wú)線通信設(shè)備的過(guò)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：(1)首先最明顯的性能指標(biāo)就是收聽(tīng)效果，收聽(tīng)到的信息中，噪聲越小，表明接收機(jī)信噪比越高；(2)其次，是天線增益，相同的收聽(tīng)效果，天線增益越小，說(shuō)明接收機(jī)性能越好；(3)還有就是采樣率的大小，接收機(jī)采樣率越高，說(shuō)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(tīng)效果越好。3.嘗試使用另一種解調(diào)算法來(lái)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)。答：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)「Qf%/「Qf%「Qf科-”n)〃=形式簡(jiǎn)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(guò)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),保存在寄存器里作為下一次的Q(n-1)/I(n-1)),次平方，2次加減法。因?yàn)樵赥I的C54x系列DSP里，沒(méi)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(wèn)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8為使用改進(jìn)的正交解調(diào)法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：-4arhLd-.I圖8改進(jìn)的正交解調(diào)法的結(jié)構(gòu)圖兩種方法最終解調(diào)出的信號(hào)應(yīng)該是一致的，但是由于改進(jìn)的正交解調(diào)法存在一個(gè)較大的除法，精度上稍差。所以應(yīng)該進(jìn)一步修改程序，以達(dá)到更高的精度。八、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)明顯提高許多，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)，而是更加經(jīng)典的反正