1、 國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心通信系統(tǒng)與原理實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 實(shí)驗(yàn)題目： 基于LabVIEW的頻率調(diào)制 學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)： 通信1210班 通信1212班學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 任課教師： 李純喜 李磊 實(shí)驗(yàn)老師： 王琴 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 US

2、RP（1臺(tái)）及配件。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，

3、即：（1.1）式中，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.

4、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

5、表達(dá)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(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、程序設(shè)計(jì)FM收音機(jī)的原理框圖如圖4所示：接收調(diào)頻信號(hào)調(diào)諧(選擇頻率)中放FM解調(diào)低放圖4 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)

6、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（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。 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，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

7、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subResampleWF.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。l 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 Re

8、ceiver”“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 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”中五實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 程序設(shè)計(jì)完成后，將USPR硬件用網(wǎng)線連接到PC

9、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，可收聽到不同頻率的廣播，但有一定的雜音。程序結(jié)構(gòu)如下圖所示：6 實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決方法遇到問題：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，不能啟動(dòng)程序。解決方法：檢查程序設(shè)計(jì)無誤，通過請(qǐng)教同學(xué)得知USPR不光要在硬件上接入，還要在PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接窗口將IP地址改為192.168.10.5，子網(wǎng)掩碼改為255.255.255.0，啟動(dòng)LabVIEW尋找接入設(shè)備可看到IP地址已被修改，這時(shí)USPR才真正與連接到電腦，在程序中可用，運(yùn)行程序可收聽不同頻率的廣播。七實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展1. 頻偏的意義是什么？它怎樣影響調(diào)制信號(hào)？從聽眾的

10、角度，我們能做些什么來解決這些影響？做一些測(cè)試驗(yàn)證自己的觀點(diǎn)。 頻偏就是調(diào)頻波以載頻為中心頻率擺動(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。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。調(diào)頻收音機(jī)中的頻偏是相對(duì)于調(diào)幅收音機(jī)而言的。在調(diào)幅收音機(jī)中，音頻信號(hào)的變化是體現(xiàn)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?yàn)榻^大多數(shù)干擾信號(hào)也是電壓變化，所以調(diào)幅收音機(jī)，抗干擾性要差得多。調(diào)頻收音機(jī)，信號(hào)調(diào)制的是頻率，也就是說聲音大小，體現(xiàn)的是

11、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(shè)計(jì)的FM收發(fā)信機(jī)性能優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)。 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(jī)，其信噪比增益越接近理論值越好。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。這是由于FM解調(diào)時(shí)存在的門限效應(yīng)。門限效應(yīng)是指當(dāng)包絡(luò)檢波器的輸入信噪比降低到一個(gè)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。開始出現(xiàn)門限效應(yīng)的輸入

12、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(hào)無法與噪聲分開，而且有用信號(hào)淹沒在噪聲之中，此時(shí)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(dāng)頻譜中出現(xiàn)尖峰脈沖時(shí)，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。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？通過查閱資料得到正交解調(diào)法系統(tǒng)框圖如下：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。非相干解調(diào)法原理圖如下： BPF濾去無用的噪聲信號(hào)；限幅器消除信道中的振幅起伏；

13、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。8 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。 FM的頻譜為：調(diào)制后的時(shí)域頻域波形如下圖所示：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。載波決定了FM已調(diào)信號(hào)的中心頻率，調(diào)制信號(hào)在某一時(shí)刻的大小決定了已調(diào)信號(hào)相對(duì)于載波即中心頻率的頻率偏移，反映在時(shí)域即信號(hào)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(hào)？試畫出流程框圖。4.

14、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，并比較算法難易和性能優(yōu)劣。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(chǎng)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(chǎng)合9 收獲與體會(huì) （1）通過自己