实时调频收音机教学和DSP通信系统

1、实时调频收音机教学和DSP 通信系统约瑟夫P Hoffbeck马克M.杉山 工程学院波特兰大学 波特兰，俄勒冈州，美国 摘要：在数字信号处理（DSP）的和通信系统课程大部分材料是理论。有一些学生谁更主动地学习，如果他们可以看到的真实世界的连接，但不幸的是许多现实世界的沟通和DSP系统是非常复杂的，并且包括它们作为一个课程的一部分，是困难或不可能的。FM收音机,然而，是一个相对简单的系统,在某些方面是理想的现实世界的例子,因为它包括模拟和数字信号。模拟信号传输音频和数字广播数据系统 （RDS）信号发送的辅助信息，例如歌手的名字,歌曲,当前时间等。本文介绍了一个FM 基

2、于廉价的FM模块上的收音机RDS解码器和一个负担得起的DSP板。该系统在实时运行时，解调FM收音机，通过扬声器播放音乐，播放歌曲和艺术家的名字，并允许对接入内部信号。这种实时接收机可被用在一个演讲过程或作为一系列的基础示范实验室实验. 关键词：数字信号加工,通讯系统,实时,FM收音机,无线电数据系统,接收器一 简介 一个在教学中的最严峻的挑战是找到有效的方式来激励学生学习的材料。一些学生更主动地学习材料，如果他们能看到该材料是如何在真实世界中使用。一种方式为学生提供该连接的真实世界是通过在课堂演示。各种商业沟通系统提供了数字信号的很好的例子处理技术在实践中使用,但不幸的是它很难用在课堂演示这些

3、系统因为它们是复杂的，并且不允许访问内部信号。另一种方式，实际系统可以纳入课程是让学生建立一个工作系统在实验室中。这就为提供上下文理论上的材料，然而，许多通信系统只是太复杂，以至于无法成为课程的一部分。已经有一些方法来教学试图缩小的通信系统中实际系统和理论材料之间的间隙。一种流行的做法是使用模拟来证明各种概念1,2,3,4。模拟具有的优点是它们可以非常有效和价格便宜，无论学生的数量，但有些学生认为他们是不令人信服的，因为他们不与实际系统进行交互。另一种方法是捕捉从实际通信系统的射频信号并解调离线5,6,7。这种方法具有实际系统的一种直接的领带和允许一个计算机高级语言如MATLAB的使用效益。这

4、种方法的缺点是，程序不运行在实时。其他人使用的硬件是专门展示通信系统操作8,9.。这些系统更接近真实硬件但可以是昂贵的，一些无法处理的信号从射频系统，因为他们不在RF频率操作。一些人已经使用DSP的展示和传授通信系统10,11，具有使用更真实的硬件平台的优势。这种方法的缺点是，DSP板通常不是设计的射频信号处理。最后一些课程使用的软件无线电实现的软件系统，可以在射频信号操作，但硬件是复杂和昂贵的 12,13,14,15 。本文中所描述的方法是使用FM模块和DSP平台与RDS解码器实现FM收音机。这种方法的优点包括：硬件是便宜的（低于100美元），系统在实时操作，大部分的处理软件和系统允许访问内

5、部信号。通过示范讲座和实验室实验，这个平台可以用来帮助的课程材料提供真实的语境激发在通信系统或DSP课程的学生。二背景调频广播是在许多方面的理想的系统，以提供在许多情况下的概念和现实世界连接通信系统和DSP。FM收音机采用两种模拟和数字信号，是人口最场所提供，是学生熟悉的系统，是很简单的使用在本科，并做一些有用的东西，并有趣当它完成。调频广播电台在立体声传输多个信号多路复用信号包括模拟单（L + R）导频载波，模拟立体声（LR），并且数字RDS信号（参照图1）RDS信号，这在美国也被称为无线电广播数据系统（RBDS），是一个数字信号编码的辅助信息，如艺术家的名字和歌曲，当前时间等。它有一个相当

6、低的比特率1187.5位/秒，并使用双相（或曼彻斯特）编码和一个升余弦脉冲形状16,17。三硬件用硬件来实现与RDS FM收音机译码器被选择为低成本且灵活的解决方案提供了访问内部信号用于教学和调试的目的。硬件包括一个简单的天线，一个成本非常低的调频模块，DSP板，和一台计算机（见图2）。FM模块解调 RF 从信号天线产生所谓MPXO在立体声多路信号图。在这个项目中所使用的模块是基于 TEA5767HN模块，因为它是非常廉价（约2 $）并且是产生充分的几个这样的模块中的一个多路复用信号，而不是仅仅在左和右音频信号 18。这个模块看起来是过时的一部分，但它仍然是一应俱全。为提供模块的功率是由DSP

7、板供给。 DSP板的立体声多路复用信号转换为数字信号。 由于在立体声的最高频率复用信号约为60 kHz时，DSP板必须支持至少120kHz的采样率。 DSP板用于这个项目是廉价的TMS320C5515的eZdsp USB 从数字频谱棒，它支持采样率高达 192 kHz的19。它包含了一个低成本的定点DSP （TMS320C5515），并配有编译器代码的副本德州仪器Composer Studio的。针对此教程板可以从德州仪器20。该DSP板通过一个I2C端口连接到FM模块， 它被用来初始化FM模块和调谐到所需的广播电台。有一种计算机，用于在DSP板编程和绘制 信号调试和教学目的。4 软件大部分的

8、处理通过软件来执行允许学生通过构建学习算法，他们自己和允许访问内部信号，以便他们可以看到从一个实际系统的信号。软件通过使用一个I2C端口初始化FM模块的TMS320C55x芯片支持库21。它还使用一个例如德州仪器程序将数据传输到并从编解码器使用具有双缓冲方案直接存储器存取（DMA）22。 示例程序是修改，以从48千赫至增加采样率 192千赫的最大可能的采样率。当中的一个缓冲区已满，会产生一个中断它设置一个标志。一个程序监视该标志，而当其被设置时，调用一个函数处理中的缓冲器中的数据。 调频单声道接收机采用立体多路信号并将它通过一个低通去加重滤波器撤消即在发射机处执行，然后强调输出被写入到输出缓冲

9、器中的一个，并发送至编解码器，使得学生可以通过听单声道信号扬声器或耳机（参照图3）。 该RDS解调更加复杂（和有趣） 比模拟信号的单声道接收器。 如示于图4，在RDS解调器包括科斯塔斯环来估计载波信号的频率和相位，并RDS信号移位回到基带23。导频载波信号可以在被使用代替科斯塔斯环的解调RDS信号，但作者选择不使用，因为大多数无线这个方法系统不发送载波信号，一些广播电台做未发送的立体声信号，在这种情况下，导频载波将不存在。所述科斯塔斯环后面是匹配过滤器，降低了噪音，完成了脉冲整形，抽选的信号来降低采样速率。在DSPLIB 库24的用于实现正弦函数和在科斯塔斯环和匹配滤波器所需的过滤器。 匹配滤

10、波器其次是定时恢复算法 4 ，估计最佳的时间来采样的信号。该算法是一个类似于最大限度地提高样品的平均功率但已修改为使用RDS脉冲形状。试样用切片机如果输入的是正则输出1，如果输入是负则输出0。限幅器的输出由一个差分处理解码器以除去所执行的差分编码在发射机。此过程允许接收器恢复正确的位，即使信号反相，这将否则补位（改变O设置为1，反之亦然）。从差分译码器的比特缓存直至一个完整的26位的块被接收，然后CRC校验是计算。如果校验和显示一个或一个以上的位错误发生后，程序再次前进一位，并检查 为了发现正确的字对齐。如果校验和示出了没有误码，看解码器将检查该块是否为radioText组的一部分承载，显示歌

11、曲的名字，艺术家，和专辑。 如果是这样，字符的提取，整个radioText消息后就一直接收时，它被显示在DSP板在屏幕上。该方案还可以路由内部信号到编解码器，以便他们可以在示波器上观察时，频谱分析仪，或发送给扬声器收听。未来该项目可能的增强功能包括设计印刷电路板为FM模块，固定一导致短的蜂鸣声在每次音频软件问题所述处理器更新显示，因为更新显示时间过长，添加的能力的用户控制无线电使用DSP板上的按钮，添加支持用于显示其它RDS数据，如车站，当前时间，交通信息等，并增加对立体声接收机音频信号。五. 在教室使用这个项目有一个通信系统的两个主要用途或DSP课程。该项目可以用作一个示范工具向学生展示一个

12、典型的接收器是如何工作的，允许他们看到的内部信号，或者它可以是基础实验室实验。这个项目的优势，在商业上的接收器作为一个示范工具，它允许访问内部信号，这将是非常难以访问的商业电台。学生可能口蹄疫的课程材料更有趣，如果他们能看信号在示波器和频谱分析仪在听音频信号。它也很容易表现出的噪声，失真和干扰，发生在实时通信系统。这个项目也可以用于一系列的实验室实验中。该软件是很简单的，它可以由学生完成，最终在一个工作的模拟和数字接收机。该项目也可以用于激励的接收机如过滤器，任何单一的部分研究Costas环，定时恢复算法或CRC校验。学生可以写这个软件来实现这些算法，然后通过插入其他的软件来测试他们的代码，看

13、看它是否在整个系统中工作。因此，该系统可以提供一个更令人信服的方式来测试任何这些部分，而不仅仅是一个模拟。在2014的秋天，作者之一的计划教新课程对实时数字信号处理，学生将开发和测试的RDS调频广播解码器在一系列的项目。由于硬件是廉价的，它应该是能够提供每个学生的调频模块和数字信号处理器，使他们可以在实验室以外的项目工作。六. 评定 目前，与解码器的RDS调频广播作为示范在本科通信系统。在这一过程中，学生使用实时频谱分析仪记录的射频信号从电台写软件（MATLAB）解调的模拟音频信号和数字RDS信号离线。演示是用来显示一个接收器在实时运行的内部信号，并希望增加对材料的兴趣。示范在春季2013学期

14、第一次使用。一项调查是在示范的前一天，并在示范后，试图评估示范的有效性。调查中的下列问题：1. 您如何评价您对当前的知识通信系统？ 2.您如何评价当前的动机水平了解更多关于通信系统？ 3.如何有趣您目前发现的沟通系统？ 4.列出的接收机中的数字的主要部分通信系统。前三个问题进行了自我得分的1到规模 5，用5分表示非常博学，有上进心,或有兴趣和1分是不是在所有知识渊博， 动机，或有兴趣。 回答问题4是 通过在05分的教练分级，其中0 无人接听或没有正确答案，而5是一个完整的列表 数字接收机的主要部分（解调器，匹配 过滤器，定时恢复，量化和解码器）。 结果调查汇总于表1。表1显示了所有问题的平均分

15、数增加后的示范，这是令人鼓舞的。随着小样本的大小，但是，没有一个差异是足够大，被认为有统计学意义的5%意义水平，采用双尾t检验，差异在人口意味着假设相同，但差异未知。七. 结论 本文描述了一个实时的RDS调频收音机可用于教学通信系统的解码器和数字信号处理器课程，让学生接触到一个真实的系统并提高学生的兴趣和动机。它使用硬件平台比大多数数字信号处理器板，软件无线电系统，或专门设计硬件的价格低很多。此外，建议的无线电台是一个实时操作于真实射频信号的系统。软件是可免费用于作者的教育用途。参考文献：1柯，Youngwook，托加M.都蛮，和Andreas S. Spanias。 “在线实验室使用J-DS

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