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1、通信原理课程研究性学习手册姓名 韩大峰学号 12211077 同组成员 雷晓敏 指导教师 王根英 时间 2014年12月 一、实验任务：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。本实验需要用到的软件和仪器有：软件LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件NI USRP（1台）及配件。二、理论分析：1. 频率调制FM（Frequency Modulatio
2、n）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
3、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
4、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
5、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。三、实验步骤：下面说明FM_Rx.vi的设计过程，完成后的效果可以收听FM广播电台节目。FM收音机的原理框图如图4所示。在学生程序FM Receiver.vi中，框图中接收调频信号等模块都已经给出，FM解调部分是同学需要结合通信原理设计算法并完成的。下面给出实验指导：接收调频信号调谐(选
6、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找到你要收听的广播电台，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。 我们的目标是：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，我们将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
7、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
8、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 subDifferentiateConti
9、nuous.vi 图标“”功能：对相位逐点求导位置：文件夹“FM Receiver”“subVIs”中 实验效果验证运行结果如下图5所示。你可以通过接收不同的FM广播电台来检查你设计接收机的性能，注意观察接收信号的功率谱。图5调频接收机的前面板四、结论及分析：我们设计了该电路的解调部分电路。根据老师所给实验要求，我们运用了反正切的原理，运用了老师所给的几个控件，实现了调频收音机的功能。由于老师所给原件能够直接实现反正切变换功能，所以，我们利用老师所给的几个控件和指导书内容，很快完成了电路。运行时界面如下，我们可以收听到空中大家平常所收听到的各种广播频道，但是会有一定的杂音。五、遇到的问题及解决
10、方法：1、对于老师所给控件和原理的理解，第一个就是移位寄存器的作用，while循环的移位寄存器记住上一次执行的结果，用于下一次使用。另外我们开始也是不知道如何去实现反正切的变换功能，直到看到老师给的讲解才有点明白。还有的是我们不知道这个声音是怎么产生的，调频广播的声音变化应该是通过改变频率来实现的，在咱们这个实验中，通过反正切得到相位，后来展开成连续相位，再进行差分求导，这个时候可以间接用相位的倒数来估计频率，从而得到了声音。原理的学习是个很必要的过程。2、程序运行时出现的诸多问题是最主要的问题，因为在我们确定程序没有问题的时候，这时候连接上USRP开始进行整个程序运行的时候，出现了很多问题。
11、最让人头疼的问题就是计算机找不到USRP，因此整个程序的接收模块和调制模块是没有的，还好后来询问了同学，也碰巧听到了老师的讲解才明白了其中的原因。原来是因为有的电脑以已经装上了USRP的驱动，有的电脑并没有装上驱动，所以有的电脑识别不了USRP，也就不能完成收音功能。这时错误并不是程序的问题，而是装载个驱动或者换一台已经安装了驱动的电脑就可以了。六、扩展问题：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。答：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。调制指数m=最大频偏/调制低频的频率，调制指数
12、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，用俗话说，就是声大电压就高，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。后面的问题没搞懂啥意思。怎么解决什么影响？ 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。答：当然是信噪比，功率，或者说接收端
13、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。经过理论计算，得到信噪比增益为：在测试时我们可以采用单音调频，则信噪比增益可简化为：采用对数形式表示：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？答：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。我认为产生的原因是由于FM解调时存在的门限效应。门限效应是指：所谓门限效应，就是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
14、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？答：不能。我们尝试了用别的方式进行解调了，但是木有成功。以上方法必须计算反正切,这样编程计算是很麻烦的,因此我们提出了一种避免计算反正切的方法。以上方法在计算反正切后进行差分运算,即求导,考虑到反正切的导函数形式简单,因此这两步应用复合求导公式可以得到: 采用这种方法绕过了计算反正切的难点,可以直接计算出结果,与查表法相比,大大提高精度。它的计算工作量包括需要做2次除法(Q/I只需计算Q(n)/I(n),保存在寄存器里作为下一次的Q(n-1)/I(n-1)、1次平方,2次加减法。因此,此方法不能用于中频采样率很高而对计算量限制要求很高的情形。图2为使用改进的正交解调法的系统结构图5. 尝试创建一个双通道立体声的视频流的正确解调算法。答：给出立体声FM解调的算法：非相干解调的原理图如下图所示：
