通原实验--频率调制实验

1通信原理实验基于LabVIEW的频率调制姓名：张哲熙学号：13212171组员：李美洁指导教师：李丞日期：2015/12/11上课时间：星期一第六大节2基于LabVIEW的频率调制一、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，并使初步掌握LabVIEW+USRP软件无线电平台的使用方式。二、实验仪器软件：LabVIEW2012（或以上版本）硬件：两套USRP（子板频带宽97~108MHz），两台计算机；三、基本原理及分析频率调制信号的表示式为：()cos[()]tmcStAtkfmd其中，kf为调频灵敏度，m(t)为调制信号。从公式出发即可完成频率调制的程序。如图3-1是调频信号的时域波形与频域波形。经过调频之后的信号频谱不仅发生了频谱搬移还增加了频率分量。00.20.40.60.811.21.41.61.82-1-0.500.51调制信号00.20.40.60.811.21.41.61.82-200-1000100200t调频信号3图3-1FM信号解调原理框图如图3-2小信噪比条件下的解调波形，可以发现信噪比对解调的影响。图3-2FM信号解调原理框图调频信号的解调方法通常是采用鉴频法。方框图如图3-3所示-100-500501000100200调制信号频谱f/Hz-100-5005010002x104f/Hz已调信号频谱-100-5005010002x104f/Hz加噪声后已调信号频谱00.20.40.60.811.21.41.61.82-1.5-1-0.500.511.5未加噪声后FM非相干解调信号加噪声后FM非相干解调信号调制信号4图3-3FM信号解调原理框图其中鉴频器包括微分电路和包络检波电路。对于调频信号来说，都会存在门限效应，使之在小信噪比情况下无法恢复出原来的调制信号。所以语音信号的调制解调是在很大信噪比情况下。四、实验任务实现本实验包括发送端和接收端两个主程序，该程序已经提供前面板、程序框图及大部分的程序。实验中需要完成subFMMod子程序和subFMDemod子程序来实现对声音波形的FM调制和解调。1.发送端发送端程序框图如图4-1：图4-1发送端程序框图发射端的主程序包含3个功能模块，其功能如下所述。①获取音频文件带通限幅器鉴频器低通滤波器()FMSt()mt5此模块的作用是根据输入的路径获取音频文件，对应程序框图中的subGetSoundFile子程序，如图所示。图4-2subGetSoundFile子程序输入是外部音频文件的路径，要求必须为.wav格式。输出是每次从声音文件中读取的样点数、声音文件的引用句柄以及任务ID。②读取声音波形此模块的作用是将获取音频文件模块中得到的声音文件转换成波形数组形式输出，并将波形数据写入声音输出设备，让你在发射端可以听到将要发送的声音。对应于程序框图中的subReadSoundFile子程序，如图所示。图4-3subReadSoundFile子程序输入是subGetSoundFile子程序的三个输出；输出是声音文件的引用句柄、任务ID、波形数据以及文件结束标识。③进行FM调制此模块的作用是对音频进行FM调制。对应于程序框图中的subFMMod子程序，如图所示。6图4-4subFMMod子程序输入是声音波形数据、I/Q采样率和频偏；输出是经过FM调制后的时域波形。调制后的波形数据进入niUSRPWriteTxData(poly)函数，根据前面板上配置的各项参数发射到空间中，以供接收端程序、普通的FM收音机或者手机接收。图4-5subFMMod程序框图subFMMod子程序框图如图4-5，在这个子程序中分重采样和FM调制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，该程序先使用波形重采样（ResampleWaveforms）函数对输入的声音波形数据进行了重采样，其中信号的采样率调整成前面板上设置的I/Q采样率。接着使用MTModulateFM函数对重采样后的波形数据进行FM调制并输出。2.接收端如图所示，接收端主程序包含2个功能模块，其功能如下所述。7图4-6接收端程序框图①进行USRP配置此模块的作用是根据前面板上输入的各项参数对USRP进行配置，对应于程序框图中的subUSRPCon(rx)子程序，如图所示。图4-7subUSRPCon(rx)子程序输入是前面板上输入的各项参数，包括USRP的IP地址、载波频率、I/Q采样率等；输出为USRP的引用句柄以及错误信息输出。②进行FM解调此模块的作用是对接收到的信号进行FM解调，对应于程序框图中的subFMDemod子程序，如图所示。8图4-8subFMDemod子程序输入是niUSRPFetchRxData(poly)函数输出的从空间中接收到的波形数据，以及根据声卡采样率和I/Q采样率得到的重采样率；输出是解调后的信号和重采样后的信号。将重采样后的信号输入subSound_Out_16b_mono函数便可以通过声卡收听到解调后的声音。图4-9subFMDemod程序框图subFMDemod程序框图如图4-9，在这个子程序中使用了反正切方法完成对接收信号的FM解调。反正切解调方法的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：nnAnSc0cos)((4.1)换句话讲，即0ccosnmknnAnS。式中，表示载频的角频率，表示比例因子，是一个常数。对上式展开后可以得到：)sin()(sin)()cos()(cos00nnmknAnnmknAnScc(4.2)9根据正交展开，设同相分量为：0)(cos)(nmknAnXI(4.3)正交分量为：0)(sin)(nmknAnXQ(4.4)对正交分量与同相分量之比进行反正切运算，可得：(n)=arctan()=K(4.5)然后，对相位进行差分，就可以得到调制信号为：)(1nmnn(4.6)在程序中只需要使用subComplextoPolarWF子程序将接收到的基带波形信号转化为极坐标的形式，得到相位信息后再使用subUnwrapPhase-Continuous与subDifferentiateContinuous子程序对其进行差分运算即可得到调制前的原始信号并输出，再使用波形重采样（ResampleWaveforms）函数对输出的声音波形数据进行了重采样，使其适配计算机声卡采样率并得到正确的声音波形并输出到扬声器中。10五、实验结论与分析1.发射端图5-1发射端程序运行主界面正确的连接USRP并配置好各项参数，如图5-1，选择发射载波频率为93.5MHz，然后选择一个自定义的.wav音频文件。运行程序后设备可持续运行，且能够观察到信号正确的时域和频域波形，使用FM收音机可接收到发射端发送的音频信号。112.接收端图5-2接收端程序运行主界面正确的连接USRP并配置各项参数，如图5-2，将载波频率调整到某个公共调频广播电台（本例使用103.9MHz北京交通广播电台），启动程序，将可以比较清晰地听到广播内容，但由于屏蔽和干扰问题，在实验中无法接收良好的广播信号，从图中也可以看出接收噪声很大。123.同时运行图5-3接收端程序运行主界面在两台计算机上分别正确连接USRP并配置各项参数，发送端同图5-1，接收端如图5-3，将载波频率分别调整至某个干扰较少的相同值，启动接收和发送端程序，在接收端中可以比较清晰地听到发送端的广播内容，观察接收信号频谱可知仍存在较大噪声，但其质量已足够保证基本的通信。六、遇到的问题及解决方法在配置URSP过程中出现无法连接的情况，经检查发现原因是IP地址发生冲突，经重新分配不同地址后问题解决。13七、心得本次实验是基于LabVIEW和硬件平台USRP完成的，在软件平台LabVIEW上完成编程，之后利用两台USRP完成信号的调制发送与接收解调的全过程。频率调制和幅度调制的实验相比，更加复杂一些。在编程和用USRP实际操作的过程中，我也遇到了不少问题，经过上网查阅资料和与同学交流将它们一一解决。在一步步解决问题的过程中对LabVIEW有了更加深入的了解，也巩固了通原课上学习的有关信号FM调制和解调、发送与接收的知识。八、附录：程序程序见文件夹