刘琴1322周一16点20分频率调制实验报告材料.docx
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刘琴1322周一16点20分频率调制实验报告材料
通信原理实验
基于LabVIEW的频率调制
姓名：
刘琴
学号：
13222013
组员：
仝欣
指导教师：
李丞
日期：
2015.12.15
上课时间：
星期一第五大节
一、实验目标
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）
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
，
，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）
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。
答：
（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。
答：
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
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