基于LabVIEW和USRP的FM收音机

通信原理实验0基于LabVIEW和NI-USRP的FM收音机学生：学号：指导教师：日期：通信原理实验11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LabVIEW2012（或以上版本），硬件NIUSRP（1台）及配件2理论分析2.1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)(tm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)(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2-1所示。图2-1频率调制示意图在图2-1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：tfcdmktft0)(22)(（式2-1）式中，cf代表载波频率，fk代表调制指数，)(m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2-2所示：图2-2相位调制在此次实验中，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：t)(cos)(dmktAtsfccFM（式2-2）式中，cA代表载波幅度，fk代表调制指数，()m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2-2）进行数字化。若将调频信号以t为采样间隔离散化，则（式2-2）中的通信原理实验2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khxk，nabh，k＝0，1，…，n在每个子区间1,kkxx上引用梯形公式121kkxxxfxfhdxxfkk，求和得复化求积公式为：10110a2x1nkkknkxxbxfxfhdxxfdxfIkk（式2-3）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：)sin(2)1(sin)cos(2)1(cos)(11scnisssfscnisssfsFMnTTixiTxTknTTixiTxTknTs（式2-4）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2-3所示。图2-3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：)sin(costtQttItSccFM（式2-5）2.2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：nnAnSc0cos)(（式2-6）换句话讲，0ccosnmknnAnS（式2-7）式中，c表示载频的角频率，k表示比例因子，0是一个常数。展开（式2-7）的结果是：)sin()(sin)()cos()(cos00nnmknAnnmknAnScc（式2-8）根据正交展开，设置同向分量如下：0)(cos)(nmknAnXI（式2-9）假设正交分量是：0)(sin)(nmknAnXQ（式2-10）通信原理实验3对正交分量与同向分量之比值进行反正切运算，得：0)(arctannmkXXnIQ（式2-11）然后，对相位差分，就可以得到调制信号为：)(1nmnn（式2-12）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。3实验步骤实验指导参考步骤：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3-1所示。在学生程序FMReceiver.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：图3-1FM收音机原理框图⑴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。⑵将I/Q速率[样本数/秒]减小到200k。⑶打开频谱图中的自动模式“AutoScaleX”。⑷移动到程序框图（CTRL+E）。⑸从未完成的图形程序“DisabledDiagram”中捕捉VI并把它们放在程序框图中。⑹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：①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)；②去除因为反正切操作引入的在+/-180度处的信号不连续性；③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；④最后使用重采样来降低数据率以便与声卡相配。⑺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。接收调频调谐(选中放FM解调低放通信原理实验4⑻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。⑼最后，删除进入PS/PSDVI的VI，并连接导数和重采样波形VI。⑽运行VI。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）①subComplextoPolarWF.vi图标“”功能：将复数向极坐标转换位置：文件夹“FMReceiver”→“subVIs”中②subUnwrapPhase-Continuous.vi图标“”功能：将[−π,π]相位展开为连续相位位置：文件夹“FMReceiver”→“subVIs”中输入信号InputSignalAngle（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PhaseUnwrappedAngle（波形DBL）经相位连续展开的波形信号③subDifferentiateContinuous.vi图标“”功能：对相位逐点求导位置：文件夹“FMReceiver”→“subVIs”中实验效果验证运行结果如下图3-2所示，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3-2调频接收机的前面板实践实验步骤：硬件连接：（1）用网线将USRP与主机相连接。由于FMRadio的两个demo都要求计算机有音频输出口。建议在PC机上使用而不是在控制器上使用。（2）开机，在控制面板中将PC机的IP设定为192.168.10.1，网关为255.255.255.0通信原理实验5（3）连接USRP的电源、天线。（4）在windows的开始菜单中AllPrograms\\NationalInstruments\\NI-USRP目录下面找到NI-USRPConfigurationUtility，在ChangeIPAddress选项卡中点击右下角的Finddevices，应该能够看到设备（包括DeviceID,IPAddress,Type/revision)。可以选定一个设备并且在右边栏中输入NewIPAddress并点击ChangeIPAddress来修改IP地址。记住该IP为设备的IP地址。图3-3NI-USRP配置使用反正切解调如下：（1）由于频段限制（USRP2920用于35M~2.2G，而USRP2921在2.4G和5.8G范围，而FMRadio的频段一般在70~110M），Demo只能使用USRP2920。找到Demos中的FMRadio-ArctangentMethod文件夹，打开NIUSRPFMDemo-ArcTanMethod_LV2011.llb并打开FM_Raido_Spectrum.vit，修改前面板中的Devicename为设备的IP地址。（2）将VI的carrierfrequency设定为某个FM调频收音机的频段（例如94.7M，或者101.7M，103.7M），Activeantenna设定为RX1，IQRate设定为某适合的值（例如200k，具体参阅该频段广播的说明），SoundCard的samplerate必须为44100，增益设定为25左右。图3-4面板参数配置(3)运行VI，只能听到噪声。这是因为没有将采集到的信号送入声卡。(4)切换到程序框图，可以看到程序如下图3-5所示。图3-5未完善程序框图依据实验的算法，在while循环中按下图连线。图3-6完善后程序框图（5）运行VI，能够听到FM收音机接收到的信号声音（PC机要求带有声卡）。图3-7仿真结果4结论及分析根据实验要求，我们运用反正切原理，及相关控件控件，实现了调频收音机的功能。运行时界面如下，我们可以收听到大家生活中常常听到的FM调频广播，但是杂音总是无法彻底消除！图4-1实验结果5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。通信原理实验6答：频偏就是调频波频率摆动的幅度，一般为最大频偏，其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。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。答：例如信噪比，功率，或者说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。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。其产生的原因是由于FM解调时存在的门限效应。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