基于labview的頻率調制

1、 國家電工電子實驗教學中心通信系統(tǒng)與原理實 驗 報 告 實驗題目： 基于LabVIEW的頻率調制 學 院：電子信息工程學院專 業(yè)： 通信1210班 通信1212班學生姓名： 學 號： 任課教師： 李純喜 李磊 實驗老師： 王琴 一、實驗目標本實驗的目的是實現(xiàn)一個基于LabVIEW和NI-USRP平臺的調頻收音機，并正確接收空中的調頻廣播電臺信號。讓學生可以直觀深入的理解調頻收音機的工作原理，感受真實信號。并通過實驗內容熟悉圖形化編程方式，了解軟件LabVIEW和USRP硬件基本模塊的使用和調試方法，為后續(xù)實驗奠定基礎。二、實驗環(huán)境與準備軟件LabVIEW 2012（或以上版本）；硬件NI US

2、RP（1臺）及配件。三、實驗原理1. 頻率調制FM（Frequency Modulation）代表頻率調制，常用于無線電和電視廣播。世界各地的FM調頻廣播電臺使用從87.5MHz到108MHz為中心頻率的信號進行傳輸，其中每個電臺的帶寬通常為200kHz。本實驗重新溫習FM的理論知識，并介紹其基本的實現(xiàn)方法。通過一個基帶信號調節(jié)載波的數(shù)學過程分為兩步。首先，信源信號經(jīng)過積分得到關于時間的函數(shù)，再將該函數(shù)當作載波信號的相位，從而實現(xiàn)根據(jù)信源信號變化對載波頻率進行控制的頻率調制過程。FM發(fā)射機頻率調制的框圖如圖1所示。圖 1 頻率調制示意圖在圖1的框圖中，將信源信號的積分得到一個相位和時間的方程，

3、即：（1.1）式中，代表載波頻率，代表調制指數(shù)，代表信源信號。調制結果是相位的調制，與在時域上載波相位的變化有關。此過程需要一個正交調制器如下圖2所示：圖 2 相位調制在此次實驗中，NI USRP-2920通過天線接收FM信號，經(jīng)模擬下變頻后，再使用兩個高速模擬/數(shù)字轉化器和數(shù)字下變頻后將信號下變頻至基帶I/Q采樣點，采樣點通過千兆以太網(wǎng)接口發(fā)送至PC，并在LabVIEW中進行信號處理。假設已知調頻信號的數(shù)學表達式：（1.2）式中，代表載波幅度，代表調制指數(shù)，代表信源信號。由于在軟件無線電中，各種調制都是在數(shù)字域實現(xiàn)的，所以首先要對式1.2進行數(shù)字化。若將調頻信號以t為采樣間隔離散化，則式1.

4、2中的積分運算應轉化為適合用軟件處理的數(shù)值積分，可采用復化求積法實現(xiàn)FM連續(xù)數(shù)學表達式的離散化。即把積分區(qū)間分成若干子區(qū)間，再在每個子區(qū)間上用低階求積。即將積分區(qū)間a，b分為n等份，分點，k0，1，n在每個子區(qū)間上引用梯形公式，求和得復化求積公式為：（1.3）采用復化求積公式后，按三角運算展開后可得到FM的離散數(shù)學表達式為：（1.4）從理論上來說，各種通信信號都可以用正交調制的方法加以實現(xiàn)，如圖3所示。圖 3正交調制實現(xiàn)框圖根據(jù)圖3，可以寫出它的時域數(shù)學表達式為：（1.5）2. 反正切解調原理在本實驗中，推薦一個經(jīng)典的解調方法反正切方法。其基本思想和實現(xiàn)過程如下：對于連續(xù)波調制，調制信號的數(shù)字

5、表達式可以寫成：（1.6）換句話講，（1.7）式中，表示載頻的角頻率，表示比例因子，是一個常數(shù)。展開1.8的結果是：（1.8）根據(jù)正交展開，設置同向分量如下：（1.9）假設正交分量是：（1.10）對正交分量與同向分量之比值進行反正切運算，得：（1.11）然后，對相位差分，就可以得到調制信號為：（1.12）即對接收到的經(jīng)過下變頻的基帶正交信號化為極坐標的形式，得到其相位后再進行求導處理，得到調制信號。四、程序設計FM收音機的原理框圖如圖4所示：接收調頻信號調諧(選擇頻率)中放FM解調低放圖4 FM收音機原理框圖 改變載波頻率Hz找到要收聽的廣播電臺，例如，如果中心頻率是94.7MHz并且電臺出現(xiàn)

6、在頻譜圖上-1M位置處，那么該廣播電臺的頻率為93.7MHz。 將I/Q速率樣本數(shù)/秒減小到200k。 打開頻譜圖中的自動模式“Auto Scale X”。 移動到程序框圖（CTRL+E）。 從未完成的圖形程序“Disabled Diagram”中捕捉VI并把它們放在程序框圖中。 基于FM解調器是從一個實信號恢復原始的音頻。從得到一個FM調制的I/Q采樣信號開始，為了恢復音頻，從以下幾步實現(xiàn)算法： 提取瞬時相位的I/Q信號，一種方法是利用反正切函數(shù)：phase_est = arctan(Q/I)； 去除因為反正切操作引入的在+/-180度處的信號不連續(xù)性； 使用相位的一階導數(shù)來估計瞬時頻率，它

7、隨著我們想恢復的消息（音頻）成比例變化； 最后使用重采樣來降低數(shù)據(jù)率以便與聲卡相配。 用橙色通道線將程序框圖左邊的while循環(huán)與subResampleWF.vi中的重采樣（dt）模塊的輸入端連接起來。 刪除subSound_Out_16b_mono.vi右側的棕色波形線和subResFMpleWF.vi上方的輸出和移位寄存器右側的連線。 最后，刪除進入PS/PSD VI的VI，并連接導數(shù)和重采樣波形VI。 運行VI。l 重要模塊解析（這部分內容用來說明subVIs提供的已編寫好的功能模塊） subComplextoPolarWF.vi 圖標“”功能：將復數(shù)向極坐標轉換位置：文件夾“FM Re

8、ceiver”“subVIs”中 subUnwrap Phase - Continuous.vi 圖標“”功能：將相位展開為連續(xù)相位位置：文件夾“FM Receiver”“subVIs”中輸入信號Input SignalAngle（波形DBL）待處理的相位波形信號Reset布爾（TRUE或FALSE）是否重置輸出信號Phase UnwrappedAngle（波形DBL）經(jīng)相位連續(xù)展開的波形信號 subDifferentiateContinuous.vi 圖標“”功能：對相位逐點求導位置：文件夾“FM Receiver”“subVIs”中五實驗現(xiàn)象 程序設計完成后，將USPR硬件用網(wǎng)線連接到PC

9、機的網(wǎng)絡接口，啟動LabVIEW尋找接入設備，運行程序，可收聽到不同頻率的廣播，但有一定的雜音。程序結構如下圖所示：6 實驗中遇到的問題及解決方法遇到問題：程序設計完成后，將USPR硬件用網(wǎng)線連接到PC機的網(wǎng)絡接口，不能啟動程序。解決方法：檢查程序設計無誤，通過請教同學得知USPR不光要在硬件上接入，還要在PC機的網(wǎng)絡連接窗口將IP地址改為192.168.10.5，子網(wǎng)掩碼改為255.255.255.0，啟動LabVIEW尋找接入設備可看到IP地址已被修改，這時USPR才真正與連接到電腦，在程序中可用，運行程序可收聽不同頻率的廣播。七實驗擴展1. 頻偏的意義是什么？它怎樣影響調制信號？從聽眾的

10、角度，我們能做些什么來解決這些影響？做一些測試驗證自己的觀點。 頻偏就是調頻波以載頻為中心頻率擺動的幅度，一般說的是最大頻偏，它影響調頻波的頻譜帶寬。調制指數(shù)m=最大頻偏/調制低頻的頻率，調制指數(shù)直接影響移頻波頻譜的形狀與帶寬，一般說來，調制指數(shù)越大，移頻波頻譜的帶寬越寬。而最大頻偏是調制指數(shù)的一個決定因素，所以說它影響調頻波的頻譜帶寬。調頻收音機中的頻偏是相對于調幅收音機而言的。在調幅收音機中，音頻信號的變化是體現(xiàn)在電壓和電流的大小變化上，即聲大電壓就高，聲小電壓就低。因為絕大多數(shù)干擾信號也是電壓變化，所以調幅收音機，抗干擾性要差得多。調頻收音機，信號調制的是頻率，也就是說聲音大小，體現(xiàn)的是

11、頻率的變化，頻率隨聲音變化的范圍，就是頻偏。 2. 找出一些能證明你設計的FM收發(fā)信機性能優(yōu)劣的技術指標。 信噪比和功率，接收端噪音的大小等。性能越好的收發(fā)信機，其信噪比增益越接近理論值越好。3. 你可以用你的FM接收機來收聽不同的真實的音頻信道如103.9MHz，87.6MHz，它和在接收信號的功率譜有什么相同點？你知道其原因嗎？頻譜中的尖峰脈沖意味著什么？ 在接收真實音頻信道時，可以看到在一些位置會出現(xiàn)尖峰脈沖，且出現(xiàn)的位置保持不變。這是由于FM解調時存在的門限效應。門限效應是指當包絡檢波器的輸入信噪比降低到一個特定的數(shù)值后，檢波器的輸出信噪比出現(xiàn)急劇惡化的一種現(xiàn)象。開始出現(xiàn)門限效應的輸入

12、信噪比稱為門限值。這種門限效應是由包絡檢波器的非線性解調作用引起的。在小信噪比情況下，調制信號無法與噪聲分開，而且有用信號淹沒在噪聲之中，此時檢波器輸出信噪比不是按比例地隨著輸入信噪比下降，而是急劇惡化，也就是出現(xiàn)了門限效應。當頻譜中出現(xiàn)尖峰脈沖時，代表著出現(xiàn)門限效應，輸入信噪比過小，造成輸出檢波器的信噪比急劇下降，性能急劇下降。頻譜中的尖峰脈沖應該是短暫的噪聲干擾。4. 你能基于USRP數(shù)字平臺設計一個類似的解調算法嗎？通過查閱資料得到正交解調法系統(tǒng)框圖如下：5. 嘗試創(chuàng)建一個雙通道立體聲的視頻流的正確解調算法。非相干解調法原理圖如下： BPF濾去無用的噪聲信號；限幅器消除信道中的振幅起伏；

13、鑒頻器由半波整流和低通濾波組成。收到立體聲FM后先進行鑒頻，得到頻分復用的信號。將頻分復用的信號分離開來，恢復成左右聲道。8 思考題1. 結合通信原理課程，試推導FM時域頻域的信號表達式，并大致畫出單音信號調制后的時域波形和復頻譜。 FM的頻譜為：調制后的時域頻域波形如下圖所示：2.從理論上分析，調制信號和載波信號對FM已調信號時域頻域的影響。載波決定了FM已調信號的中心頻率，調制信號在某一時刻的大小決定了已調信號相對于載波即中心頻率的頻率偏移，反映在時域即信號的疏密程度發(fā)生變化，密的地方頻率大，疏的地方頻率小。3.考慮采用反正切解調方法，需要通過哪些步驟最終得到調制信號？試畫出流程框圖。4.

14、你是否還有其他的FM解調方法？可采用通信原理中其他解調方法，并比較算法難易和性能優(yōu)劣。小角度近似解調法：直接計算差角的三角函數(shù)值,而后直接得到差角。由已調信號星座圖看來,由于FM是恒包絡調制,即星座圖上所有點都在單位圓上,故有: 我們知道當(n)很小時,由小角度近似法則,sin(n)與(n)是近似相等的。利用這一原理,我們不難得到: 由于采用傳統(tǒng)的正交解調法,計算的是(n)的三角函數(shù),這個是沒有辦法近似的,只能采用計算或查反三角函數(shù)表的方法,小角度近似解調法的優(yōu)勢在于計算的是(n)三角函數(shù),這個值一般都很小,因此才可以近似。根據(jù)這種方法,可以獲得最簡單的算法,由于只有2次乘法和1次減法,而沒有反正切、除法等計算,計算量大大簡化,因此也可以采用較高的中頻采樣率,但它的限制在于只能應用在調制角度很小的情況下。圖3為使用小角度近似解調法的系統(tǒng)結構圖: FM數(shù)字解調方法的比較：解調方法主要優(yōu)缺點應用范圍傳統(tǒng)正交解調法查表法計算量最小,但精度不高,計算反正切法計算量大,編程困難用查表法適用于精度要求不高的場合小角度近似解調法計算量較小,精度高僅能用于小角度調制的場合9 收獲與體會 （1）通過自己設計