-周一16：00-频率调制实验

1、 通信原理实验 基于LabVIEW的频率调制姓名： 学号： 组员： 指导教师： 日期： 2015年12月14日 上课时间：星期 一 第 五 大节一、 实验目标在本实验中你要在LabVIEW+USRP平台上完成一对调频收发信机，要求可以通过接收端或者普通的FM收音机接收到发送端发射的.wav声音文件，用你做好的FM接收机收听调频广播。本实验将加深你对频率调制相关概念的理解，并使你初步掌握LabVIEW+USRP软件无线电平台的使用方式。二、 实验仪器软件环境：LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件环境：两套USRP（子板频带含97108MHz），两台计算机；三、 基本原理及分析1. 频率调

2、制FM（Frequency Modulation）代表频率调制，常用于无线电和电视广播。世界各地的FM调频广播电台使用从87.5MHz到108MHz为中心频率的信号进行传输，其中每个电台的带宽通常为200kHz。本实验重新温习FM的理论知识，并介绍其基本的实现方法。通过一个基带信号调节载波的数学过程分为两步。首先，信源信号经过积分得到关于时间的函数，再将该函数当作载波信号的相位，从而实现根据信源信号变化对载波频率进行控制的频率调制过程。FM发射机频率调制的框图如图1所示。图 1 频率调制示意图在图1的框图中，将信源信号的积分得到一个相位和时间的方程，即：（1.1）式中，代表载波频率，代表调制指

3、数，代表信源信号。调制结果是相位的调制，与在时域上载波相位的变化有关。此过程需要一个正交调制器如下图2所示：图 2 相位调制在此次实验中，NI USRP-2920通过天线接收FM信号，经模拟下变频后，再使用两个高速模拟/数字转化器和数字下变频后将信号下变频至基带I/Q采样点，采样点通过千兆以太网接口发送至PC，并在LabVIEW中进行信号处理。假设已知调频信号的数学表达式：（1.2）式中，代表载波幅度，代表调制指数，代表信源信号。由于在软件无线电中，各种调制都是在数字域实现的，所以首先要对式1.2进行数字化。若将调频信号以t为采样间隔离散化，则式1.2中的积分运算应转化为适合用软件处理的数值积

4、分，可采用复化求积法实现FM连续数学表达式的离散化。即把积分区间分成若干子区间，再在每个子区间上用低阶求积。即将积分区间a，b分为n等份，分点，k0，1，n在每个子区间上引用梯形公式，求和得复化求积公式为：（1.3）采用复化求积公式后，按三角运算展开后可得到FM的离散数学表达式为：（1.4）从理论上来说，各种通信信号都可以用正交调制的方法加以实现，如图3所示。图 3正交调制实现框图根据图3，可以写出它的时域数学表达式为：（1.5）2. 反正切解调原理在本实验中，推荐一个经典的解调方法反正切方法。其基本思想和实现过程如下：对于连续波调制，调制信号的数字表达式可以写成：（1.6）换句话讲，（1.7

5、）式中，表示载频的角频率，表示比例因子，是一个常数。展开1.8的结果是：（1.8）根据正交展开，设置同向分量如下：（1.9）假设正交分量是：（1.10）对正交分量与同向分量之比值进行反正切运算，得：（1.11）然后，对相位差分，就可以得到调制信号为：（1.12）即对接收到的经过下变频的基带正交信号化为极坐标的形式，得到其相位后再进行求导处理，得到调制信号。四、 实验任务实现本实验包括发送端和接收端两个主程序。（1）发射端介绍发射端主程序的前面板如图4所示。前面板左侧为参数输入部分，可以设置声音文件路径、USRP配置等控制参数；前面板右侧为输出部分，可以显示发射声音信号的时域波形和频域波形；如果

6、程序运行出错，还会在错误输出部分显示错误代码和错误描述，便于程序的调试。图4 发射端前面板发射端的主程序包含3个功能模块，其功能如下所述。 获取音频文件此模块的作用是根据输入的路径获取音频文件，对应程序框图中的subGetSoundFile子程序，如图5所示。图5 subGetSoundFile子程序输入是外部音频文件的路径，要求必须为.wav格式。输出是每次从声音文件中读取的样点数、声音文件的引用句柄以及任务ID。 读取声音波形此模块的作用是将获取音频文件模块中得到的声音文件转换成波形数组形式输出，并将波形数据写入声音输出设备，让你在发射端可以听到将要发送的声音。对应于程序框图中的subRe

7、adSoundFile子程序，如图6所示。图6 subReadSoundFile子程序输入是subGetSoundFile子程序的三个输出；输出是声音文件的引用句柄、任务ID、波形数据以及文件结束标识。 进行FM调制此模块的作用是对音频进行FM调制。对应于程序框图中的subFMMod子程序，如图7所示。图7 subFMMod子程序输入是声音波形数据、I/Q采样率和频偏；输出是经过FM调制后的时域波形。调制后的波形数据进入niUSRP Write Tx Data (poly)函数，根据前面板上配置的各项参数发射到空间中，以供接收端程序、普通的FM收音机或者手机接收。subFMMod子程序在这个子

8、程序中需要分两步来完成对声音信号的FM调制。由于声卡对声音信号的采样率并不是我们需要的采样率，因此首先要对输入的声音波形数据进行重采样，把信号的采样率调整成前面板上设置的I/Q采样率。在这一步要用到波形重采样（Resample Waveforms）函数。第二步是对重采样后的波形数据进行FM调制。此时你需要用到MT Modulate FM函数，可以在函数选版的RF CommunicationsModulationAnalogModulation中找到它。调制程序如图所示：（2）接收端介绍接收端主程序前面板如图所示。前面板左侧同样为参数输入部分，可以配置USRP的各项参数以及声卡的采样率；前面板右

9、侧为输出部分，可以显示对接收到的声音信号进行解调后的时域波形和频域波形。接收端主程序包含2个功能模块，其功能如下所述。图8 接收端前面板 进行USRP配置此模块的作用是根据前面板上输入的各项参数对USRP进行配置，对应于程序框图中的subUSRPCon(rx)子程序，如图所示。图9 subUSRPCon(rx)子程序输入是前面板上输入的各项参数，包括USRP的IP地址、载波频率、I/Q采样率等；输出为USRP的引用句柄以及错误信息输出。 进行FM解调此模块的作用是对接收到的信号进行FM解调，对应于程序框图中的subFMDemod子程序，如图所示。图10 subFMDemod子程序输入是niUS

10、RP Fetch Rx Data (poly)函数输出的从空间中接收到的波形数据，以及根据声卡采样率和I/Q采样率得到的重采样率；输出是解调后的信号和重采样后的信号。将重采样后的信号输入subSound_Out_16b_mono函数便可以通过声卡收听到解调后的声音。通过上述理论分析可以得知，在程序中只需要将接收到的基带波形信号转化为极坐标的形式，得到相位信息后再对其进行差分运算即可得到调制前的原始信号。在这一过程中会用到如下子程序：subComplextoPolarWF将信号转化为极坐标形式、subUnwrap Phase-Continuous消除相位的不连续、subDifferentiate

11、 Continuous对相位逐点求导。此外与发射端类似，同样需要对解调后的信号进行重采样，使得其采样率匹配声卡的采样率。解调程序如图所示需要合理的利用上面的提示以及提供的子程序，完成信号的解调并输出解调后信号的时域波形。五、 实验结论与分析图11 发送端结果图图12 接收端结果程序设计完成后，将USPR硬件用网线连接到PC机的网络接口，启动LabVIEW寻找接入设备，运行程序，如图11,12分别为发送端和接收端的波形，信号发送后，在手机收音机上调至102.9M频率，即可听到调制发送的音乐，有一点杂音；接收端也可以收到由另一台发送来的声音信号，同样会有一点杂音，接收端调整不同的载波频率，即可听到

12、所调电台的声音。调制和解调过程中有一定的失真，会产生噪音，同时，周围同学的实验信号也会对结果有所影响。六、 遇到的问题及解决方法1. 遇到的问题：无法连接USRP；解决方法：连接USRP要先改计算机本地连接的IP地址，否则不能连接USRP；2. 遇到的问题：波形重采样仪器的选择，开始波形重采样使用的连续的，接收时信号会有卡顿现象发生；解决方法：改成单次的波形重采样仪器后这一现象消失。由于采样的信号为数字信号，单次重采样的工作频率很高，所以用单次波形重采样更合适；连续的波形重采样有工作周期，故在reset周期的时候会使声音发生卡顿。3. 遇到的问题：接收噪音较大，有尖锐噪音出现；解决方法：在接收

13、信号重采样时加入滤波器规范，滤除高频率的无用波，减少解调信号的噪音。4. 遇到的问题：当信号增益为0时，收听到的广播伴有强烈的噪音；解决方法：增大增益至20dB以上时，收听到的噪音明显减小，由此可见，增大信噪比可以明显改善接收效果。七、 实验扩展解答1. 频偏的意义是什么？它怎样影响调制信号？从听众的角度，我们能做些什么来解决这些影响？做一些测试验证自己的观点。频偏就是调频波频率摆动的幅度，一般说的是最大频偏，它影响调频波的频谱带宽。一般来说，调制指数越大，调频波频谱的带宽越宽。但实际频谱资源十分有限，我国规定FM广播使用的频带范围是87.5108MHz，总带宽20.5MHz。一般国内会把76

14、87.5MHz的频段用于大学校园广播（四六级听力的时候用）。一般是以100KHz为步进搜索电台，规定电台可以使用的最大频偏为75KHz，频道之间留25KHz作为保护间隔。所以可以得出每个频道的最大带宽是75KHz。所以，我们在使用无线通信设备的过程中，应尽量避免占用公共频带资源。2. 找出一些能证明你设计的FM收发信机性能优劣的技术指标。首先最明显的性能指标就是收听效果，收听到的信息中，噪声越小，表明接收机信噪比越高。其次，是天线增益，相同的收听效果，天线增益越小，说明接收机性能越好。还有就是采样率的大小，接收机采样率越高，说明其运算能力越强，同时，采样率越高，相同信噪比下的收听效果越好。3.

15、 尝试使用另一种解调算法来实现解调，并基于LabVIEW+USRP平台验证其可行性；比较两种方法所设计的FM接收端的功能和性能，并进行必要的方案改进。小角度近似解调法：直接计算差角的三角函数值,而后直接得到差角。由已调信号星座图看来,由于FM是恒包络调制,即星座图上所有点都在单位圆上,故有: 我们知道当(n)很小时,由小角度近似法则,sin(n)与(n)是近似相等的。利用这一原理,我们不难得到: 由于采用传统的正交解调法,计算的是(n)的三角函数,这个是没有办法近似的,只能采用计算或查反三角函数表的方法,小角度近似解调法的优势在于计算的是(n)三角函数,这个值一般都很小,因此才可以近似。根据这

16、种方法,可以获得最简单的算法,由于只有2次乘法和1次减法,而没有反正切、除法等计算,计算量大大简化,因此也可以采用较高的中频采样率,但它的限制在于只能应用在调制角度很小的情况下。图3为使用小角度近似解调法的系统结构图: FM数字解调方法的比较：解调方法主要优缺点应用范围传统正交解调法查表法计算量最小,但精度不高,计算反正切法计算量大,编程困难用查表法适用于精度要求不高的场合小角度近似解调法计算量较小,精度高仅能用于小角度调制的场合程序图利用希尔伯特变换求得其正交分量，根据上图原理解调，但是有错，运行过程只能听到噪音，但找不到问题所在，试了几种其他的方式，也没有实现其效果，无能为力了，遗憾。八、 心得1) 刚开始对于FM解调和调制的电路毫无头绪，觉得提供的器件对于电路功能实现没有什么帮助，不知道从何处