基于LabVIEW和USRP的FM收音機(jī)

1、通信原理實(shí)驗(yàn) 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日期： 基于LabVIEW和NI-USRP的FM收音機(jī)1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)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)。本實(shí)驗(yàn)需要用到的軟件和儀器有：軟件LabVIEW 2012（或以上版本），硬件NI USRP（1臺(tái)）及配件2 理論分析2.1 頻率調(diào)制FM（Frequency Modulation）代表頻率調(diào)制，常用于無線電

2、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2-1所示。圖2-1 頻率調(diào)制示意圖在圖2-1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：（式2-1）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

3、有關(guān)。此過程需要一個(gè)正交調(diào)制器如下圖2-2所示：圖 2-2 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：（式2-2）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2-2）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2-2）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

4、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：（式2-3）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：（式2-4）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2-3所示。圖2-3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：（式2-5）2.2 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：（式2-6）換句話講，（式2-7）式中，表示載頻的角頻率，表

5、示比例因子，是一個(gè)常數(shù)。展開（式2-7）的結(jié)果是：（式2-8）根據(jù)正交展開，設(shè)置同向分量如下：（式2-9）假設(shè)正交分量是：（式2-10）對(duì)正交分量與同向分量之比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，得：（式2-11）然后，對(duì)相位差分，就可以得到調(diào)制信號(hào)為：（式2-12）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)。3 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)參考步驟：下面說明FM_Rx.vi的設(shè)計(jì)過程，完成后的效果可以收聽FM廣播電臺(tái)節(jié)目。FM收音機(jī)的原理框圖如圖3-1所示。在學(xué)生程序FM Receiver.vi中，框圖中接收調(diào)頻信號(hào)等模塊都已經(jīng)給出，F(xiàn)M解調(diào)部分是同學(xué)需要結(jié)合通信原理設(shè)

6、計(jì)算法并完成的。下面給出實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)：接收調(diào)頻信號(hào)調(diào)諧(選擇頻率)中放FM解調(diào)低放圖3-1 FM收音機(jī)原理框圖 改變載波頻率Hz找到你要收聽的廣播電臺(tái)，例如，如果中心頻率是94.7MHz并且電臺(tái)出現(xiàn)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。 我們的目標(biāo)是：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，我們將從以下

7、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

8、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 Receiver”“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)

9、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ü 實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證運(yùn)行結(jié)果如下圖3-2所示，可以通過接收不同的FM廣播電臺(tái)來檢查你設(shè)計(jì)接收機(jī)的性能，注意觀察接收信號(hào)的功率譜。圖3-2 調(diào)頻接收機(jī)的前面板實(shí)踐實(shí)驗(yàn)步驟：硬件連接：（1）用網(wǎng)線將USRP與主機(jī)相連接。 由于FM Radio的兩個(gè)demo都要求計(jì)算機(jī)有音頻輸出口。建議在PC機(jī)上使用而不是在控制器上使用。（2）開機(jī)，在控制面板中將PC機(jī)的IP設(shè)定為192.168.10.1，網(wǎng)關(guān)為255.255.255.0（3）連接US

10、RP的電源、天線。（4）在windows的開始菜單中All ProgramsNational InstrumentsNI-USRP目錄下面找到NI-USRP Configuration Utility， 在Change IP Address 選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊右下角的Find devices，應(yīng)該能夠看到設(shè)備（包括Device ID, IP Address, Type/revision)。可以選定一個(gè)設(shè)備并且在右邊欄中輸入New IP Address并點(diǎn)擊Change IP Address來修改IP地址。記住該IP為設(shè)備的IP地址。圖3-3 NI-USRP配置使用反正切解調(diào)如下：（1）由于頻段限制（

11、USRP 2920 用于35M2.2G，而USRP 2921在2.4G和5.8G范圍，而FM Radio的頻段一般在70110M），Demo只能使用USRP 2920。找到Demos中的FM Radio - Arctangent Method文件夾，打開NI USRP FM Demo - ArcTan Method_LV2011.llb并打開FM_Raido_Spectrum.vit，修改前面板中的Device name為設(shè)備的IP地址。（2）將VI的carrier frequency 設(shè)定為某個(gè)FM調(diào)頻收音機(jī)的頻段（例如94.7M，或者101.7M，103.7M），Active antenn

12、a 設(shè)定為RX1， IQ Rate 設(shè)定為某適合的值（例如200k，具體參閱該頻段廣播的說明）， Sound Card 的sample rate必須為44100，增益設(shè)定為25左右。圖3-4 面板參數(shù)配置(3)運(yùn)行VI，只能聽到噪聲。這是因?yàn)闆]有將采集到的信號(hào)送入聲卡。(4)切換到程序框圖，可以看到程序如下圖3-5所示。圖3-5 未完善程序框圖依據(jù)實(shí)驗(yàn)的算法，在while循環(huán)中按下圖連線。圖3-6 完善后程序框圖（5）運(yùn)行VI，能夠聽到FM收音機(jī)接收到的信號(hào)聲音（PC機(jī)要求帶有聲卡）。圖3-7 仿真結(jié)果4 結(jié)論及分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，我們運(yùn)用反正切原理，及相關(guān)控件控件，實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻收音機(jī)的功能。運(yùn)行

13、時(shí)界面如下，我們可以收聽到大家生活中常常聽到的FM調(diào)頻廣播，但是雜音總是無法徹底消除！圖4-1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 5 擴(kuò)展問題（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)。答：頻偏就是調(diào)頻波頻率擺動(dòng)的幅度，一般為最大頻偏，其影響調(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

14、。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)。答：例如信噪比，功率，或者說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。經(jīng)過理論計(jì)算，得到信噪比增益為：在測試時(shí)我們可以采用單音調(diào)頻，則信噪比增益可簡化為：采用對(duì)數(shù)形式表示：（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？

15、答：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。其產(chǎn)生的原因是由于FM解調(diào)時(shí)存在的門限效應(yīng)。門限效應(yīng)就是當(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)

16、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？答：目前不可以。我們用別的方式進(jìn)行解調(diào)，但是沒有成功。以上方法必須計(jì)算反正切,在計(jì)算反正切后進(jìn)行差分運(yùn)算,考慮到反正切的導(dǎo)函數(shù)形式簡單,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(n-1)/I(n-1)、1次平方,2次加減法。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5-1為使用改進(jìn)的正交解調(diào)法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖5-1 FM解

17、調(diào)系統(tǒng)（改進(jìn)的正交解調(diào)法）（5）建一個(gè)雙通道立體聲的視頻流的正確解調(diào)算法。答：給出立體聲FM解調(diào)的算法：非相干解調(diào)的原理圖如下圖5-2所示。圖5-2 非相干解調(diào)原理圖BPF濾去無用的噪聲信號(hào)；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(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。 （6）思考題思考題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。 答：圖5-3 正交調(diào)制框圖由上圖，F(xiàn)M時(shí)域表達(dá)式輕易推倒得到FM頻域表達(dá)式為： 圖5-4 FM調(diào)制前單音信號(hào) 圖5-5 FM調(diào)制后波形思考題

18、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。答：一方面，通過調(diào)制可以把基帶信號(hào)的頻譜搬移到所希望的位置上去，從而將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸或便于信道多路復(fù)用的已調(diào)信號(hào)。另一方面，通過調(diào)制可以提高信號(hào)通過信道傳輸時(shí)的抗干擾能力，同時(shí)，它還和傳輸效率有關(guān)。具體地講，不同的調(diào)制方式產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)的帶寬不同，因此調(diào)制影響傳輸帶寬的利用率。相干解調(diào)僅適用于窄帶調(diào)頻信號(hào)，且需同步信號(hào)；而非相干解調(diào)適用于窄帶和寬帶調(diào)頻信號(hào)，而且不需同步信號(hào)，因而是FM系統(tǒng)的主要解調(diào)方式。而載波則是將FM的頻率從低頻調(diào)制到一個(gè)適合傳輸?shù)妮^高的頻段。思考題3考慮采用反正切解調(diào)方法，需要通過哪些步驟最終得

19、到調(diào)制信號(hào)？試畫出流程框圖答：流程圖如圖5-6所示。圖5-6 反正切調(diào)制流程圖對(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)。 思考題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，并比較算法難易和性能優(yōu)劣。答：第一種：改進(jìn)的正交解調(diào)法以上方法必須計(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)形式簡單,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(n-1)/I(n-1)、1次平方,2次加減法。因?yàn)樵赥I的C54x系列DSP里,沒有現(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