基于labview的频率调制.doc

国家电工电子实验教学中心通信系统与原理实 验 报 告 实验题目： 基于LabVIEW的频率调制 学 院：电子信息工程学院专 业： 通信1210班 通信1212班学生姓名： 学 号： 任课教师： 李纯喜 李磊 实验老师： 王琴 一、实验目标本实验的目的是实现一个基于LabVIEW和NI-USRP平台的调频收音机，并正确接收空中的调频广播电台信号。让学生可以直观深入的理解调频收音机的工作原理，感受真实信号。并通过实验内容熟悉图形化编程方式，了解软件LabVIEW和USRP硬件基本模块的使用和调试方法，为后续实验奠定基础。二、实验环境与准备软件LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件NI USRP（1台）及配件。三、实验原理1. 频率调制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）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、程序设计FM收音机的原理框图如图4所示：接收调频信号调谐(选择频率)中放FM解调低放图4 FM收音机原理框图 改变载波频率Hz找到要收听的广播电台，例如，如果中心频率是94.7MHz并且电台出现在频谱图上-1M位置处，那么该广播电台的频率为93.7MHz。 将I/Q速率样本数/秒减小到200k。 打开频谱图中的自动模式“Auto Scale X”。 移动到程序框图（CTRL+E）。 从未完成的图形程序“Disabled Diagram”中捕捉VI并把它们放在程序框图中。 基于FM解调器是从一个实信号恢复原始的音频。从得到一个FM调制的I/Q采样信号开始，为了恢复音频，从以下几步实现算法： 提取瞬时相位的I/Q信号，一种方法是利用反正切函数：phase_est = arctan(Q/I)； 去除因为反正切操作引入的在+/-180度处的信号不连续性； 使用相位的一阶导数来估计瞬时频率，它随着我们想恢复的消息（音频）成比例变化； 最后使用重采样来降低数据率以便与声卡相配。 用橙色通道线将程序框图左边的while循环与subResampleWF.vi中的重采样（dt）模块的输入端连接起来。 删除subSound_Out_16b_mono.vi右侧的棕色波形线和subResFMpleWF.vi上方的输出和移位寄存器右侧的连线。 最后，删除进入PS/PSD VI的VI，并连接导数和重采样波形VI。 运行VI。l 重要模块解析（这部分内容用来说明subVIs提供的已编写好的功能模块） subComplextoPolarWF.vi 图标“”功能：将复数向极坐标转换位置：文件夹“FM Receiver”“subVIs”中 subUnwrap Phase - Continuous.vi 图标“”功能：将相位展开为连续相位位置：文件夹“FM Receiver”“subVIs”中输入信号Input SignalAngle（波形DBL）待处理的相位波形信号Reset布尔（TRUE或FALSE）是否重置输出信号Phase UnwrappedAngle（波形DBL）经相位连续展开的波形信号 subDifferentiateContinuous.vi 图标“”功能：对相位逐点求导位置：文件夹“FM Receiver”“subVIs”中五实验现象 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，可收听到不同频率的广播，但有一定的杂音。程序结构如下图所示：6 实验中遇到的问题及解决方法遇到问题：程序设计完成后，将USPR硬件用网线连接到PC机的网络接口，不能启动程序。解决方法：检查程序设计无误，通过请教同学得知USPR不光要在硬件上接入，还要在PC机的网络连接窗口将IP地址改为192.168.10.5，子网掩码改为255.255.255.0，启动LabVIEW寻找接入设备可看到IP地址已被修改，这时USPR才真正与连接到电脑，在程序中可用，运行程序可收听不同频率的广播。七实验扩展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。 频偏就是调频波以载频为中心频率摆动的幅度，一般说的是最大频偏，它影响调频波的频谱带宽。调制指数m=最大频偏/调制低频的频率，调制指数直接影响移频波频谱的形状与带宽，一般说来，调制指数越大，移频波频谱的带宽越宽。而最大频偏是调制指数的一个决定因素，所以说它影响调频波的频谱带宽。调频收音机中的频偏是相对于调幅收音机而言的。在调幅收音机中，音频信号的变化是体现在电压和电流的大小变化上，即声大电压就高，声小电压就低。因为绝大多数干扰信号也是电压变化，所以调幅收音机，抗干扰性要差得多。调频收音机，信号调制的是频率，也就是说声音大小，体现的是频率的变化，频率随声音变化的范围，就是频偏。 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。 信噪比和功率，接收端噪音的大小等。性能越好的收发信机，其信噪比增益越接近理论值越好。3. 你可以用你的FM接收机来收听不同的真实的音频信道如103.9MHz，87.6MHz，它和在接收信号的功率谱有什么相同点？你知道其原因吗？频谱中的尖峰脉冲意味着什么？ 在接收真实音频信道时，可以看到在一些位置会出现尖峰脉冲，且出现的位置保持不变。这是由于FM解调时存在的门限效应。门限效应是指当包络检波器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，检波器的输出信噪比出现急剧恶化的一种现象。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。在小信噪比情况下，调制信号无法与噪声分开，而且有用信号淹没在噪声之中，此时检波器输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，也就是出现了门限效应。当频谱中出现尖峰脉冲时，代表着出现门限效应，输入信噪比过小，造成输出检波器的信噪比急剧下降，性能急剧下降。频谱中的尖峰脉冲应该是短暂的噪声干扰。4. 你能基于USRP数字平台设计一个类似的解调算法吗？通过查阅资料得到正交解调法系统框图如下：5. 尝试创建一个双通道立体声的视频流的正确解调算法。非相干解调法原理图如下： BPF滤去无用的噪声信号；限幅器消除信道中的振幅起伏；鉴频器由半波整流和低通滤波组成。收到立体声FM后先进行鉴频，得到频分复用的信号。将频分复用的信号分离开来，恢复成左右声道。8 思考题1. 结合通信原理课程，试推导FM时域频域的信号表达式，并大致画出单音信号调制后的时域波形和复频谱。 FM的频谱为：调制后的时域频域波形如下图所示：2.从理论上分析，调制信号和载波信号对FM已调信号时域频域的影响。载波决定了FM已调信号的中心频率，调制信号在某一时刻的大小决定了已调信号相对于载波即中心频率的频率偏移，反映在时域即信号的疏密程度发生变化，密的地方频率大，疏的地方频率小。3.考虑采用反正切解调方法，需要通过哪些步骤最终得到调制信号？试画出流程框图。4.你是否还有其他的FM解调方法？可采用通信原理中其他解调方法，并比较算法难易和性能优劣。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9 收获与体会 （1）通过自己设计和修改程序，将理论知识充分应用，同时加深了LabVIEW的认识，熟悉了其各元件作用，提高了系统构思和解决问题的能力。 （2）刚开始对于FM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，查阅很多资料了解了反正切法原理后，将任务进行分解，得到了程序的大致结构，再经过不断修改，得到了预期结果。10 参考文献1王根英 王琴 周春月.通信系统原理实验.清华大学出版社 北京交通出版社.2010.2樊昌信 曹丽娜.通信原理. 国防工业出版社, 2010.