1、國家電工電子實驗教學中心通信系統與原理實驗報告實驗題目：基于LabVIEW勺頻率調制學院：電子信息工程學院專業：學生姓名：學號：實驗老師：一、實驗目標本實驗的目的是實現一個基于LabVIEWF口NI-USRP平臺的調頻收音機，并正確接收空中的調頻廣播電臺信號。讓學生可以直觀深入的理解調頻收音機的工作原理，感受真實信號。并通過實驗內容熟悉圖形化編程方式，了解軟件LabVIEWf口USR觸件基本模塊的使用和調試方法，為后續實驗奠定基礎。二、實驗環境與準備軟件LabVIEW2012（或以上版本）；硬件NIUSRP（1臺）及配件。三、實驗原理1.頻率調制FM（FrequencyModulation）代

2、表頻率調制，常用于無線電和電視廣播。世界各地的FM調頻廣播電臺使用從到108MH功中心頻率的信號進行傳輸，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，并介紹其基本的實現方法。通過一個基帶信號m（t）調節載波的數學過程分為兩步。首先，信源信號經過積分得到關于時間的函數（t）,再將該函數當作載波信號的相位，從而實現根據信源信號變化對載波頻率進行控制的頻率調制過程。FM發射機頻率調制的框圖如圖1所示。圖1頻率調制小意圖在圖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:t(t)2f2kf0H)d()式中，fc代表載波頻率，kf代表調制指數，m)代表信源信號。調制結果

3、是相位的調制,與在時域上載波相位的變化有關。此過程需要一個正交調制器如下圖2所示：圖2相位調制在此次實驗中，NIUSRP-2920通過天線接收FM信號，經模擬下變頻后，再使用兩個高速模擬/數字轉化器和數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接口發送至PG并在LabVIEW用進行信號處理。假設已知調頻信號的數學表達式：tSfm(t)Accosctkfm()d()式中，Ac代表載波幅度，kf代表調制指數，m()代表信源信號。由于在軟件無線電中，各種調制都是在數字域實現的，所以首先要對式進行數字化。若將調頻信號以t為采樣間隔離散化，則式中的積分運算應轉化為適合用軟件處理的數值

4、積分，可采用復化求積法實現FM至續數學表達式的離散化。即把積分區間分成若干子區間，再在每個子區間上用低階求積。即將ba積分區間a,b分為n等份，分點Xkkh,h,k=0,1,，n在每個子區間Xk,Xk1nXk1h上引用梯形公式fXdx-fXkfXk1,求和得復化求積公式為：Xk2，bn1Xk1hn1Ifxdxfxdx-fXkfXk1()ak0Xk2k0采用復化求積公式后，按三角運算展開后可得到FM的離散數學表達式為:Sfm (nTs) coskfTs n sin kfTsi 1n xiTs x(i1)Ts?cos( cnTs)XiTs X(i1)Ts ?sin( cnTs)2()3所示。()從

5、理論上來說，各種通信信號都可以用正交調制的方法加以實現，如圖圖3正交調制實現框圖根據圖3,可以寫出它的時域數學表達式為:SfmtItcosctQtsin(ct)2.反正切解調原理在本實驗中，推薦一個經典的解調方法一一反正切方法。其基本思想和實現過程如下:對于連續波調制，調制信號的數字表達式可以寫成:()S(n)A0coscnn換句話講,S n An cos cn k mn()式中，c表小載頻的角頻率，k表小比例因子,o是一個常數展開的結果是:S n A n cosk m(n) 0 cos( cn)A(n)sinkm(n) o sin( j)()根據正交展開，設置同向分量如下:XI nA(n)c

6、oskm(n) o()假設正交分量是:XQ nA(n)sinkm(n) o()()()對正交分量與同向分量之比值進行反正切運算，得:,XQ,、narctankm(n)nXI0然后，對相位差分，就可以得到調制信號為:nn1m(n)即對接收到的經過下變頻的基帶正交信號化為極坐標的形式，得到其相位后再進行求導處理，得到調制信號。四、程序設計圖4FM收音機原理框圖改變載波頻率Hz找到要收聽的廣播電臺，例如，如果中心頻率是并且電臺出現在頻譜圖上-1M位置處，那么該廣播電臺的頻率為。將I/Q速率樣本數/秒減小到200k。（3）打開頻譜圖中的自動模式“AutoScaleX”。移動到程序框圖（CTRL+E。從

7、未完成的圖形程序“DisabledDiagram”中捕捉VI并把它們放在程序框圖中。基于FMB調器是從一個實信號恢復原始的音頻。從得到一個FM調制的I/Q采樣信號開始，為了恢復音頻，從以下幾步實現算法： 提取瞬時相位的I/Q信號，一種方法是利用反正切函數：phase_est=arctan（Q/I）; 去除因為反正切操作引入的在+/-180度處的信號不連續性； 使用相位的一階導數來估計瞬時頻率，它隨著我們想恢復的消息（音頻）成比例變化； 最后使用重采樣來降低數據率以便與聲卡相配。用橙色通道線將程序框圖左邊的while循環與中的重采樣（dt）模塊的輸入端連接起來。刪除右側的棕色波形線和上方的輸出和

8、移位寄存器右側的連線。最后，刪除進入PS/PSDVI的VI,并連接導數和重采樣波形VI。（10）運行VIo4重要模塊解析（這部分內容用來說明subVIs提供的已編寫好的功能模塊） 圖標“園”功能：將復數向極坐標轉換位置：文件夾“FMReceiver”一“subVIs”中 subUnwrapPhase-圖標“”功能：將相位展開為連續相位位置：文件夾“FMReceiver”一“subVIs”中輸入信號InputSignalAngle（波形DBD待處理的相位波形信號Reset布爾（TRUEEfalse是否重置輸出信號PhaseUnwrappedAngle（波形DBD經相位連續展開的波形信號圖標“售年

9、功能：對相位逐點求導位置：文件夾“FMReceiver”一“subVIs”中五.實驗現象程序設計完成后，將USPRB牛用網線連接到PC機的網絡接口，啟動LabVIEW尋找接入設備，運行程序，可收聽到不同頻率的廣播，但有一定的雜音。程序結構如下圖所示：六.實驗中遇到的問題及解決方法遇到問題：程序設計完成后，將USP硬件用網線連接到PC機的網絡接口，不能啟動程序。七.實驗擴展1 .頻偏的意義是什么？它怎樣影響調制信號？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，它影響調頻波的頻譜帶寬。調制指數m源大頻偏/調制低

10、頻的頻率，調制指數直接影響移頻波頻譜的形狀與帶寬，一般說來，調制指數越大，移頻波頻譜的帶寬越寬。而最大頻偏是調制指數的一個決定因素，所以說它影響調頻波的頻譜帶寬。調頻收音機中的頻偏是相對于調幅收音機而言的。在調幅收音機中，音頻信號的變化是體現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。因為絕大多數干擾信號也是電壓變化，所以調幅收音機，抗干擾性要差得多。調頻收音機，信號調制的是頻率，也就是說聲音大小，體現的是頻率的變化，頻率隨聲音變化的范圍，就是頻偏。2 .找出一些能證明你設計的FM收發信機性能優劣的技術指標。信噪比和功率，接收端噪音的大小等。性能越好的收發信機，其信噪比增益越接近理

11、論值越好。3 .你可以用你的FM接收機來收聽不同的真實的音頻信道如，它和在接收信號的功率譜有什么相同點？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尖峰脈沖，且出現的位置保持不變。這是由于FMB調時存在的門限效應。門限效應是指當包絡檢波器的輸入信噪比降低到一個特定的數值后，檢波器的輸出信噪比出現急劇惡化的一種現象。開始出現門限效應的輸入信噪比稱為門限值。這種門限效應是由包絡檢波器的非線性解調作用引起的。在小信噪比情況下，調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，也就是出現了

12、門限效應。當頻譜中出現尖峰脈沖時，代表著出現門限效應，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該是短暫的噪聲干擾。4 .你能基于USR嗷字平臺設計一個類似的解調算法嗎？通過查閱資料得到正交解調法系統框圖如下：5 .嘗試創建一個雙通道立體聲的視頻流的正確解調算法。非相干解調法原理圖如下：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后先進行鑒頻，得到頻分復用的信號。將頻分復用的信號分離開來，恢復成左右聲道。八思考題1 .結合通信原理課程，試推導FM時域頻域的信號表達式，并大致畫出單音信號調制后的時域波形

13、和復頻譜。FM的頻譜為：調制后的時域頻域波形如下圖所示：2 .從理論上分析，調制信號和載波信號對FM已調信號時域頻域的影響。載波決定了FM已調信號的中心頻率，調制信號在某一時刻的大小決定了已調信號相對于載波即中心頻率的頻率偏移，反映在時域即信號的疏密程度發生變化，密的地方頻率大，疏的地方頻率小。3 .考慮采用反正切解調方法，需要通過哪些步驟最終得到調制信號？試畫出流程框圖。4 .你是否還有其他的FM，較調方法？可采用通信原理中其他解調方法，并比較算法難易和性能優劣。小角度近似解調法：直接計算差角的三角函數值，而后直接得到差角。由已調信號星座圖看來，由于FM是恒包絡調制,即星座圖上所有點都在單位

14、圓上,故有:我們知道當A9(n)很小時，由小角度近似法則，sinA9(n)與八(n)是近似相等的。利用這一原理,我們不難得到:由于采用傳統的正交解調法，計算的是8(n)的三角函數，這個是沒有辦法近似的，只能采用計算或查反三角函數表的方法，小角度近似解調法的優勢在于計算的是A9(n)三角函數，這個值一般都很小，因此才可以近似。根據這種方法，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用在調制角度很小的情況下。圖3為使用小角度近似解調法的系統結構圖：ain圖三小解調系細小角度近fl懈調法FM數字解調方法的比較：解調方法主要優缺點應用范圍傳統止交解調法查表法計算量最小，但精度/、高，計算反正切法計算量大,編程困難用查表法適用十精度要求不圖的場合小角度近似解調法計算量較小，精度高僅能用于小角度調制的場合九.收獲與體會(1)通