刘琴1322周一16点20分频率调制实验报告材料Word文档下载推荐.docx
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在本实验中要在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,用做好的FM接收机收听调频广播。
本实验将加深对频率调制相关概念的理解,并初步掌握LabVIEW+USRP软件无线电平台的使用方式
二、实验仪器
软件环境:
LabVIEW2012(或以上版本);
硬件环境:
两套USRP(子板频带含97~108MHz),两台计算机;
三、基本原理及分析
1、频率调制。
FM(FrequencyModulation)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m(t)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θ(t),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频率调制框图
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。
在此次实验中,NIUSRP-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)
代表载波幅度,
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
,
,k=0,1,…,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,同时,写出它的时域数学表达式为:
2、反正切解调原理。
在本实验中,运用一种经典的解调方法——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)
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、实验任务分析
本次实验中大部分的程序已经提供,只需要完成subFMMod子程序和subFMDemod子程序来实现对声音波形的FM调制和解调。
在完成整个实验后上交这两个子程序以及实验报告。
1.发射端
发射端主程序的前面板如图2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2发射端主程序前面板
在这个子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。
在这一步可能要用到波形重采样(ResampleWaveforms)函数。
第二步是对重采样后的波形数据进行FM调制。
此时需要用到MTModulateFM函数。
以下是完成该部分的步骤:
(1)添加“波形冲采样”控件,对输入波形进行重采样,同时向“波形重采样”控件输入合适的重采样率;
(2)运用MTModulateFM函数对重采样后的波形进行FM调制。
(3)将输出簇创建波形,因为波形不能直接输出,转换时间标识后,连接waveform输出波形;
完成后的子程序框图如图3所示
图3subFMMod子程序框图
2.接收端
接收端主程序前面板如图4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。
图4接收端前面板
在这个子程序中需要完成对接收信号的FM解调。
这里我们运用反正切方法。
通过理论分析可以得知,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。
以下是完成该实验的步骤:
(1)从老师提供的子程序中提取subComplextoPolarWF.vi子程序,将复数转向极坐标;
(2)从老师提供的子程序中找到subUnwrapPhase-Continuous子程序以消除相位的不连续性;
(3)从老师提供的子程序中引入subDifferentiateContinuous子程序对相位逐点求导;
(4)与发射端类似,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。
图5是完成后的子程序框图:
图5subFMDemod子程序框图
五、实验结论与分析
首先,验证发射端的正确性。
需要正确的连接USRP并配置好各项参数(尤其注意载波频率的设定,可以设置为100MHz),然后选择一个自定义的.wav音频文件。
运行程序后设备能够持续运行,且在发射端前面板上能够观察到信号正确的时域和频域波形,如图6所示。
正常情况下可以利用自己的手机接收到发射端发送的音频信号。
图6发射端时域与频域波形
其次,验证接收端的正确性。
同样需要正确的连接硬件设备并配置参数。
然后将载波频率调整到某个公共调频广播电台(例如北京地区可以设为103.9MHz北京交通广播电台),程序编写正确,将可以比较清晰地听到广播内容。
最后,将发射端和接收端同时运行,形成一套收发信机。
当它们载波频率相同时,接收端可以收到发射端发出的信号,成功解调后能够听到清晰的声音。
且在接收端前面板上能够观察到时域与频域波形,如图7所示。
图7接收端时域与频域波形
六、遇到的问题及解决方法
1、接收端杂音较多,在程序中添加了一个FIR低通滤波器。
2、当信号增益为0时,收听到的广播伴有强烈的噪音,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。
3、计算机一直搜索不到我们的USRP,通过与同学交流,知道了自己连接网线之后还应该修改IP地址,虽然修改了多次才成功,但是最终实现了连接。
七、实验拓展解答
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。
答:
频偏是指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。
一般情况下,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87.5~108MHz,总带宽20.5MHz。
一般国内会把76~87.5MHz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。
(1)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;
(2)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;
(3)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.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。
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))、次平方,2次加减法。
因为在TI的C54x系列DSP里,没有现成的除法指令,这也增加了编程和DSP内Q值控制上的问题,使得计算量增大。
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8为使用改进的正交解调法的系统结构图:
图8改进的正交解调法的结构图
两种方法最终解调出的信号应该是一致的,但是由于改进的正交解调法存在一个较大的除法,精度上稍差。
所以应该进一步修改程序,以达到更高的精度。
八、心得
本次基于labVIEW和USRP的FM接收机实验,难度较上一个AM幅度调制实验明显提高许多,而且使用的原理也并不是课本上所讲授的宽带调频的非相干解调,而是更加经典的反正切解调;
然而所以理解起来还是有一定的困难的;
而且USRP接收机和计算机声卡模块的知识了解和掌握的并不多,所以实验过程中,对这两个模块的了解也仅限于其使用方法,而更多的原理层面却不是很明白。
但是,从这次实验中,我更为深刻的理解了软件无线电的意义,当在解调模块清晰地听到交通台的广播的时候,更是感受到了学术的魅力所在,也让我有了进一步了解并且更加熟练的掌握它的想法。
虽然说两次的实验只了解了labview和USRP的皮毛,但这两次实验算是一个比较良好的基础,希望以后能更多的运用到今后的学习中。
同时非常感谢老师的指导。
附录:
程序