III基于USRP的信號(hào)調(diào)制解調(diào)收音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\t"參考文獻(xiàn),1,摘要,1,英文摘要,1,論文標(biāo)題1,1,論文標(biāo)題2,2,論文標(biāo)題3,3"\h29743第一章緒論 529383第一節(jié)軟件無(wú)線電概述 54311一、引言 529393二、軟件無(wú)線電技術(shù)起源及發(fā)展 515184三、軟件無(wú)線電的特點(diǎn) 628095四、軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 627934五、軟件無(wú)線電思想的傳播 715275第二節(jié)調(diào)制解調(diào)技術(shù)背景 830709第三節(jié)課題研究?jī)?nèi)容及意義 824953第二章調(diào)制解調(diào)技術(shù)綜述 1018235第一節(jié)數(shù)字信號(hào)調(diào)制技術(shù) 1030394第二節(jié)模擬信號(hào)調(diào)制技術(shù) 1211996一、幅度調(diào)制 1214279二、角度調(diào)制 1414721第三節(jié)模擬信號(hào)解調(diào)技術(shù) 173471第三章基于USRP的信號(hào)調(diào)制解調(diào)收音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2014754第一節(jié)調(diào)制解調(diào)收音系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu) 2024807一、硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境 2015375二、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 2032101第二節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及內(nèi)容 2112260一、需求分析 2110255二、系統(tǒng)整體流程 2130474三、登錄模塊設(shè)計(jì) 2228759四、選擇功能模塊設(shè)計(jì) 2427557五、AM調(diào)制與解調(diào)模塊設(shè)計(jì) 2513897五、FM調(diào)制與解調(diào)模塊設(shè)計(jì) 272601六、關(guān)鍵控件介紹 2930417七、FM收音模塊設(shè)計(jì) 3111503八、音頻上傳模塊設(shè)計(jì) 3314209第四章系統(tǒng)功能及性能測(cè)試 3428023第一節(jié)AM調(diào)制解調(diào)測(cè)試 3430021第二節(jié)FM調(diào)制解調(diào)測(cè)試 368381第三節(jié)FM收音測(cè)試 3721980第四節(jié)音頻上傳模塊測(cè)試 3820308第五節(jié)整體模塊測(cè)試 396687第五章結(jié)束語(yǔ) 4020249第一節(jié)總結(jié) 4032588第二節(jié)存在問(wèn)題與展望 405053參考文獻(xiàn) 41中文內(nèi)容摘要隨著通信技術(shù)的一步步革新，無(wú)線電通信技術(shù)的飛速發(fā)展，不同無(wú)線電通信系統(tǒng)之間難以建立有效通信就成了急需解決的問(wèn)題，軟件無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)正是為了解決這個(gè)問(wèn)題。軟件無(wú)線電通過(guò)構(gòu)造一個(gè)開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái),使無(wú)線電功能由以前的硬件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖?shí)現(xiàn)，通信系統(tǒng)的靈活性得到了大幅度提升，利用軟件無(wú)線電可以快速適應(yīng)不同的通信體制。它的出現(xiàn)進(jìn)一步加速了無(wú)線電通信甚至移動(dòng)通信的變革。信號(hào)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)在通信領(lǐng)域非常重要，直接影響到通信系統(tǒng)的性能好壞。利用軟件無(wú)線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)調(diào)制解調(diào)功能能夠減少很多硬件成本，延長(zhǎng)現(xiàn)有硬件的使用壽命。本文研究了各種信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，深入研究了幅度調(diào)制與頻率調(diào)制技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。以USRPN210通用硬件平臺(tái)為硬件核心、LabView為軟件核心，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟件無(wú)線電平臺(tái)。在軟件無(wú)線電平臺(tái)上研究并實(shí)現(xiàn)了幅度調(diào)制、頻率調(diào)制以及各種信號(hào)解調(diào)方法，并給出了主要程序框圖。利用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了收聽(tīng)FM廣播以及發(fā)送音頻至FM頻道的功能，達(dá)到了利用軟件無(wú)線電平臺(tái)通信的目的。第一章緒論第一節(jié)軟件無(wú)線電概述一、引言伴隨著通信技術(shù)的一步步革新，無(wú)線電技術(shù)得到了飛速發(fā)展，并且被廣泛運(yùn)用到軍事、商業(yè)、廣電、氣象、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。由于無(wú)線電通信的廣泛運(yùn)用，產(chǎn)生了很多不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，但是傳統(tǒng)的無(wú)線電通信依托于硬件設(shè)施，這樣就會(huì)造成不同的通信標(biāo)準(zhǔn)所使用的硬件各不相同，互相之間建立有效通信的成本很高，這種情況不利于無(wú)線電的推廣普及，無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展被嚴(yán)重制約。在這種背景下，軟件無(wú)線電應(yīng)運(yùn)而生。二、軟件無(wú)線電技術(shù)起源及發(fā)展海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，多國(guó)部隊(duì)進(jìn)行了一次聯(lián)合作戰(zhàn)，各軍兵種悉數(shù)參戰(zhàn)，由于各國(guó)各軍種的通信裝備無(wú)論通信頻段、通信體制、傳輸格式都完全不同，互不兼容，導(dǎo)致在作戰(zhàn)時(shí)各軍種無(wú)法進(jìn)行快速溝通、互傳信息情報(bào)，最終所謂的聯(lián)合作戰(zhàn)變成了名義上的聯(lián)合，但實(shí)際只是各國(guó)各軍種的簡(jiǎn)單參戰(zhàn)，沒(méi)有形成真正意義上的“聯(lián)合”REF_Ref20697\r\h[1]。為了解決這一難題，MILTRE公司的科學(xué)家Jeo.Mitola在1992年五月美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上首次提出了軟件無(wú)線電(SoftwareRadio,SR)的概念,其基本思想是：構(gòu)建一個(gè)通用硬件平臺(tái)，該平臺(tái)上擁有著通過(guò)總線或者交換方式所連接的模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元；在該平臺(tái)上加載與硬件單元有著相同特性的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能。軟件無(wú)線電這一概念的提出，促進(jìn)了無(wú)線通信領(lǐng)域的一次劃時(shí)代的進(jìn)步，掀起了自固定到移動(dòng)、模擬到數(shù)字后之后，通信領(lǐng)域的第三次革命REF_Ref1077\r\h[3]。1995年，IEEE通信雜志出版了軟件無(wú)線電專輯，進(jìn)一步闡述了軟件無(wú)線電的體系結(jié)構(gòu)，提出了很多軟件無(wú)線電通信的基本原理，提供了大量關(guān)鍵技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并對(duì)軟件無(wú)線電的未來(lái)方向和開(kāi)發(fā)成本進(jìn)行了預(yù)測(cè)。同年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究局(DARPA)提出“易通話”計(jì)劃。1996年，全球50多家企業(yè)共同發(fā)起了模塊化多功能信息變換系統(tǒng)(MMITS)論壇，后改名為軟件定義無(wú)線電(SDR)論壇。從1999年開(kāi)始，逐漸從理論上對(duì)軟件無(wú)線電的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)與當(dāng)下現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合的軟件無(wú)線電，即軟件定義的無(wú)線電(SoftwareDefinedRadio,SDR)。1999年無(wú)線電科學(xué)家國(guó)際聯(lián)合會(huì)在日本舉辦軟件無(wú)線電會(huì)議，在此次會(huì)議后，成立軟件無(wú)線電技術(shù)工作組，同年亞洲SDR論壇成立。自此以后，以軍事通信和民用通信的需求作為驅(qū)動(dòng)力，軟件無(wú)線電開(kāi)始飛速發(fā)展REF_Ref26723\r\h[2]。三、軟件無(wú)線電的特點(diǎn)具有較強(qiáng)的可重構(gòu)性。可重構(gòu)性是軟件無(wú)線電最基本的特性。為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)更改運(yùn)行的軟件來(lái)改變系統(tǒng)功能的目標(biāo)，軟件無(wú)線電需要硬件和軟件都具備可重構(gòu)性?？芍貥?gòu)性可以體現(xiàn)在更改軟件中的某個(gè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最終功能的重構(gòu)，也可以體現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)支持在整體功能和各個(gè)層次上模擬各種虛擬設(shè)備。具備可重構(gòu)性是做為軟件無(wú)線電的必要條件REF_Ref29389\r\h[5]。具有較強(qiáng)的靈活性。軟件無(wú)線電技術(shù)的核心就在于用軟件實(shí)現(xiàn)各種功能，因此軟件無(wú)線電可以根據(jù)需求增加軟件模塊，很容易增加新的功能，這也使得軟件無(wú)線電和其他任意電臺(tái)建立通信比較容易，也可以將其視為其他電臺(tái)的射頻中繼。軟件無(wú)線電可以通過(guò)所需功能的強(qiáng)弱，對(duì)軟件模塊進(jìn)行增加或者刪減，大大降低了成本。具有較強(qiáng)的開(kāi)放性。軟件無(wú)線電采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬軟件體系，硬件可以跟隨時(shí)代技術(shù)的發(fā)展來(lái)進(jìn)行升級(jí)或者換代，而軟件則可以根據(jù)需求來(lái)對(duì)軟件模塊進(jìn)行升級(jí)和豐富各個(gè)模塊功能，如此一來(lái)，軟件無(wú)線電可以通過(guò)升級(jí)軟件來(lái)建立和新體制電臺(tái)的通信，同時(shí)軟件還能夠兼容舊式體制電臺(tái)。這樣大大延伸了舊式體制電臺(tái)的使用壽命，同時(shí)對(duì)軟件無(wú)線電本身的生命周期也有了較強(qiáng)的保障。傳統(tǒng)無(wú)線電，完全由硬件設(shè)施實(shí)現(xiàn)通信功能，過(guò)度依賴于硬件，當(dāng)新體制通信體系出現(xiàn)時(shí)，硬件設(shè)施就要更新，這導(dǎo)致了硬件的生命周期較短，成本較高，不同體系之間通信困難。而軟件無(wú)線電用寬帶模數(shù)及數(shù)模變換器（A/D及D/A）、大量專用/通用處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）構(gòu)成一個(gè)硬件平臺(tái)，無(wú)線電的各種功能則是由基于這個(gè)硬件平臺(tái)的軟件編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且按照需求將這些模塊組合成不同的無(wú)線電系統(tǒng)。并且這個(gè)硬件平臺(tái)支持并行、流水線及異種多處理機(jī)；軟件支持面向?qū)ο蟮?、開(kāi)放式的模塊化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)一些基本的算法及功能模塊。四、軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)軟件無(wú)線電由天線、射頻前端、寬帶/窄帶A/D_D/A轉(zhuǎn)換器、通信和數(shù)字處理以及各個(gè)軟件幾個(gè)部分。射頻前端用來(lái)接收或者發(fā)送信號(hào)，發(fā)送信號(hào)時(shí)，軟件將想要發(fā)送的消息處理成數(shù)字信號(hào)后，A/D_D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再由射頻前端發(fā)從出去；接收信號(hào)則相反，射頻前端接收到信號(hào)后，由A/D_D/A轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由軟件處理后得到需要的信息。傳統(tǒng)數(shù)字無(wú)線電結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示，軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示。圖1.1傳統(tǒng)數(shù)字無(wú)線電結(jié)構(gòu)框圖圖1.2軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)框圖通過(guò)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)框圖，我們可以發(fā)現(xiàn)：相比于傳統(tǒng)數(shù)字無(wú)線電的結(jié)構(gòu)，軟件無(wú)線電中數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換部分更加緊鄰射頻模塊，并且用了高速的DSP/FPGA模塊來(lái)做數(shù)據(jù)處理，代替了傳統(tǒng)的專用數(shù)字電路與低速DSP/FPGA相配合的數(shù)據(jù)處理方式。五、軟件無(wú)線電思想的傳播軟件定義無(wú)線電起源于戰(zhàn)爭(zhēng)通信，但這種思想一經(jīng)提出，便受到各種其他工程領(lǐng)域的認(rèn)可，例如雷達(dá)、衛(wèi)星、電子戰(zhàn)、測(cè)控導(dǎo)航、廣播電視等，成為了一個(gè)普適性的現(xiàn)代方法。自軟件無(wú)線電這一概念的提出至今幾十年的時(shí)間里，全世界的研究者不斷深入研究和努力推廣，最終實(shí)現(xiàn)了豐碩的體系化成果。隨著軟件定義這一思想的不斷傳播，涌現(xiàn)了很多新思想、新概念，例如軟件定義雷達(dá)、軟件定義衛(wèi)星、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等等。軟件定義世界、軟件定義一切、軟件定義未來(lái)也將逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)REF_Ref19819\r\h[4]。第二節(jié)調(diào)制解調(diào)技術(shù)背景調(diào)制解調(diào)技術(shù)是無(wú)線電通信中比較關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)，通信系統(tǒng)的性能與調(diào)制解調(diào)效果的好壞息息相關(guān)，所以在實(shí)際中需要根據(jù)不同的信號(hào)選取不同的調(diào)制解調(diào)方法，采取合理的算法實(shí)現(xiàn)以達(dá)到最佳傳輸效果。在無(wú)線通信中，信號(hào)通過(guò)天線以電磁波的形式輻射出去，若想獲得較高的輻射效率，就需要天線的長(zhǎng)度和基帶信號(hào)波長(zhǎng)差不多，而正常傳遞信息的信號(hào)都是低頻的，波長(zhǎng)很長(zhǎng)，導(dǎo)致想要傳輸?shù)男盘?hào)在信道中傳輸并不容易，而調(diào)制就是用基帶信號(hào)去改變高頻信號(hào)某個(gè)參量的過(guò)程，解調(diào)則是將接收端接收到的已調(diào)高頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵蓟鶐盘?hào)。調(diào)制分為基帶調(diào)制和載波調(diào)制兩類。基帶調(diào)制是使用低通信號(hào)傳輸信息，通常使用于無(wú)需載波的傳輸方式，例如光纖、銅線等。載波調(diào)制也被稱為頻帶調(diào)制，在無(wú)線電通信中主要使用的調(diào)制方式就是載波調(diào)制。載波調(diào)制通常采用帶通信號(hào)傳輸信號(hào)，即將需要發(fā)送的信號(hào)加載到載波信號(hào)上再進(jìn)行傳輸REF_Ref13256\r\h[6]。根據(jù)基帶信號(hào)的性質(zhì)，調(diào)制又可以分為數(shù)字信號(hào)調(diào)制和模擬信號(hào)調(diào)制。本文將重點(diǎn)對(duì)載波調(diào)制解調(diào)進(jìn)行研究。第三節(jié)課題研究?jī)?nèi)容及意義隨著當(dāng)代通信技術(shù)的不斷前進(jìn)，現(xiàn)階段通信體系也逐漸趨于完善，一些舊有通信方式也都被淘汰或是被完善?，F(xiàn)階段主要使用的模擬調(diào)制方法有AM、FM、PM、SSB等，主要使用的數(shù)字信號(hào)調(diào)制方法有ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、QAM等。按照傳統(tǒng)無(wú)線電的方式，使用一種調(diào)制或者解調(diào)方法，就需要一個(gè)硬件電路，若是想將這些方法整合到一部機(jī)器上，那么電路將會(huì)非常繁瑣，體積重量也會(huì)非常大，并且想要再增加一種方式時(shí)，也會(huì)是非常困難。而軟件無(wú)線電利用通用的硬件平臺(tái)來(lái)發(fā)送或者接收信號(hào)，調(diào)制和解調(diào)的任務(wù)則是由軟件實(shí)現(xiàn)。每一種調(diào)制或者解調(diào)方法都可以寫(xiě)成一個(gè)軟件模塊，需要實(shí)現(xiàn)某種調(diào)制解調(diào)功能時(shí)，直接調(diào)用相對(duì)應(yīng)的軟件模塊即可。基于軟件無(wú)線電的開(kāi)放性和靈活性，可以不斷更新或是完善調(diào)制解調(diào)的軟件模塊來(lái)適應(yīng)通信體系的更新?lián)Q代。本課題研究了AM和FM調(diào)制解調(diào)的原理，利用NI公司的USRP(UniversalSoftwareRadioPeripheral,通用軟件無(wú)線電外設(shè))N210和Labview搭建了一個(gè)軟件無(wú)線電平臺(tái)，并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了AM、FM信號(hào)的調(diào)制、信號(hào)發(fā)送、信號(hào)接收、解調(diào)。通過(guò)這個(gè)軟件無(wú)線電平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的FM收音機(jī)功能。本文的主要內(nèi)容有：第一章緒論：介紹了軟件無(wú)線電的起源、發(fā)展、特點(diǎn)及影響，調(diào)制解調(diào)的技術(shù)背景以及本文研究意義。第二章調(diào)制解調(diào)技術(shù)綜述：研究了數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的調(diào)制解調(diào)方法，重點(diǎn)是在無(wú)線電廣播中運(yùn)用到的幅度調(diào)制(AM)和頻率調(diào)制(FM)的工作原理。第三章基于USRP的信號(hào)調(diào)制解調(diào)收音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：搭建了軟件無(wú)線電平臺(tái)，介紹了AM、FM調(diào)制解調(diào)技術(shù)、FM收音以及發(fā)送FM廣播在軟件無(wú)線電平臺(tái)上的軟件實(shí)現(xiàn)流程。第四章系統(tǒng)功能及性能測(cè)試：測(cè)試整體系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行，測(cè)試各個(gè)模塊的功能是否正常實(shí)現(xiàn)。第五章結(jié)束語(yǔ)：對(duì)自己所做工作進(jìn)行了總結(jié)，反思存在的問(wèn)題并對(duì)研究課題未來(lái)的方向進(jìn)行了展望。

第二章調(diào)制解調(diào)技術(shù)綜述第一節(jié)數(shù)字信號(hào)調(diào)制技術(shù)數(shù)字基帶信號(hào)可以在一些有線信道中直接傳輸，比如電話光纜。但是在帶通信道中，數(shù)字信號(hào)是無(wú)法直接傳輸?shù)摹６F(xiàn)如今無(wú)線、微波、衛(wèi)星等主流通信方式一般都是帶通信道，所以對(duì)于數(shù)字基帶信號(hào)，想要在無(wú)線信道中傳輸，必須經(jīng)過(guò)調(diào)制。數(shù)字信號(hào)調(diào)制就是通過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)，去調(diào)制載波的某些參量。數(shù)字信號(hào)通常是幾個(gè)離散的值，所以數(shù)字信號(hào)調(diào)制通常是類似于將數(shù)字信號(hào)看作開(kāi)關(guān)，去控制載波中的變量，因此數(shù)字調(diào)制方式又被稱為“鍵控”。數(shù)字信號(hào)調(diào)制主要分為以下三種調(diào)制方法：移幅鍵控(又稱振幅鍵控，AmplitudeShiftKeying，ASK)，頻移鍵控(FrequencyShiftkeying，F(xiàn)SK)，相移鍵控(PhaseShiftKeying，PSK)。移幅鍵控是將載波中的振幅看作變量，頻率、相位看作是常量，數(shù)字信號(hào)是通過(guò)載波的幅度變化來(lái)傳遞的。通常二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)可以采用移幅鍵控來(lái)調(diào)制。移幅鍵控可以使用一個(gè)乘法器將基帶信號(hào)和載波相乘實(shí)現(xiàn)或者將基帶數(shù)字信號(hào)當(dāng)作開(kāi)關(guān)控制載波振幅的涌現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2.1是使用乘法器實(shí)現(xiàn)移幅鍵控的原理圖。二進(jìn)制基帶信號(hào)波形、載波波形以及調(diào)制后的ASK波形如圖2.2所示。可以看出載波信號(hào)為正弦信號(hào)，當(dāng)基帶數(shù)字信號(hào)為1時(shí)，載波正常傳播，當(dāng)信號(hào)為0時(shí)，載波振幅為0。圖2.1ASK調(diào)制原理(乘法器)圖2.2ASK信號(hào)示意圖頻移鍵控是將頻率看成變量，而幅度、相位當(dāng)作常量，利用載波的頻率變化來(lái)傳遞數(shù)字信號(hào)。頻移鍵控是將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)當(dāng)作一個(gè)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在調(diào)制時(shí)，有兩種頻率的載波可供選擇，數(shù)字信號(hào)的0和1分別對(duì)應(yīng)著這兩種載波，隨著數(shù)字信號(hào)的變化，交替發(fā)送兩個(gè)不同頻率的載波。頻移鍵控的原理圖如圖2.3所示，an是基帶數(shù)字信號(hào)。圖2.4為頻移鍵控調(diào)制后的波形圖，第一行和第四行為頻率不同的載波，第二行為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，第三行為調(diào)制后的波形圖。圖2.3FSK原理圖圖2.4FSK波形圖相移鍵控是將載波中的頻率、振幅當(dāng)作常量，而相位看作是變量，利用載波的相位變化來(lái)傳遞數(shù)字信號(hào)。在相移鍵控信號(hào)中，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的0和1分別表示載波的相位0和π或者是π2和?π2圖2.5PSK調(diào)制原理圖圖2.6PSK波形圖以上列舉了三種最基礎(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式，其他的調(diào)制方式，比如多進(jìn)制振幅鍵控(MASK)、最小頻移鍵控(MSK)、高斯濾波的最小頻移鍵控(GMSK)、差分相移鍵控(DPSK)、正交相移鍵控(QPSK)、正交頻分復(fù)用(OFDM)等本文不做詳細(xì)介紹。第二節(jié)模擬信號(hào)調(diào)制技術(shù)模擬信號(hào)調(diào)制是指利用低頻連續(xù)的模擬基帶信號(hào)去調(diào)制高頻的載波。載波通常是頻率、幅度、相位固定的高頻連續(xù)正弦信號(hào)或是余弦信號(hào)。因此，根據(jù)載波的三個(gè)參數(shù)可以將模擬信號(hào)調(diào)制分為兩個(gè)方法：幅度調(diào)制(AmplitudeModulation，AM)和角度調(diào)制。模擬信號(hào)調(diào)制被廣泛應(yīng)用于廣播電視系統(tǒng)。一、幅度調(diào)制幅度調(diào)制是利用連續(xù)模擬信號(hào)改變載波幅度的一種調(diào)制方法，這種方法將載波中的幅度看作因變量，連續(xù)模擬信號(hào)看作自變量，頻率、相位當(dāng)作常量。幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)了基帶信號(hào)頻譜的線性搬移，是一種線性調(diào)制。幅度調(diào)制分為常規(guī)調(diào)幅(AM)、單邊帶調(diào)制(SSB)、雙邊帶調(diào)制(DSB)和殘留邊帶調(diào)制(VSB)。REF_Ref13256\r\h[6]本文主要介紹常規(guī)調(diào)幅(AM)?；鶐M信號(hào)可以用式(2-1)來(lái)表示： (2-1) 載波信號(hào)可以用式(2-2)表示： (2-2)為了方便計(jì)算，假設(shè)基帶模擬信號(hào)和載波信號(hào)之間的初始相位差。在調(diào)制時(shí)，如果基帶模擬信號(hào)均值為0，那么還需要添加一個(gè)直流偏置A0，將直流偏置A0和基帶信號(hào)相加得到，再與載波信號(hào)相乘便可以得到AM調(diào)制的信號(hào)。AM調(diào)制信號(hào)時(shí)域表達(dá)式如式(2-3)所示： (2-3)如此一來(lái)，基帶模擬信號(hào)對(duì)載波信號(hào)的AM調(diào)制就成功了。通過(guò)公式可以看出，想要實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制需要一個(gè)加法器將直流偏置和基帶模擬信號(hào)相加，還需要一個(gè)乘法器將載波信號(hào)和相加結(jié)果相乘，最終得到AM調(diào)制信號(hào)。AM調(diào)制原理圖如圖2.7所示。正常AM調(diào)制后波形圖如圖2.8所示，紅色的線為基帶模擬信號(hào)，白色的線為AM調(diào)制后的信號(hào)。圖2.7AM調(diào)制原理圖圖2.8正常AM調(diào)制波形圖在幅度調(diào)制中，引入了調(diào)幅系數(shù)的概念。調(diào)幅系數(shù)m可以用式(2-4)表示： (2-4)調(diào)幅系數(shù)不僅能用來(lái)體現(xiàn)調(diào)制過(guò)程中基帶模擬信號(hào)改變載波幅度的程度，還能體現(xiàn)AM調(diào)制的效率以及功率分配。當(dāng)調(diào)幅系數(shù)時(shí)，屬于正常調(diào)幅狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，屬于臨界狀態(tài)，被稱為滿調(diào)幅；當(dāng)時(shí)，會(huì)發(fā)生調(diào)幅失真，被稱為過(guò)調(diào)幅。過(guò)調(diào)幅會(huì)導(dǎo)致接收端解調(diào)失真，無(wú)法完全解調(diào)出正確信號(hào)，導(dǎo)致信息傳遞有誤，所以AM調(diào)制通常要保證調(diào)幅系數(shù)。圖2.9為AM調(diào)制的臨界狀態(tài)，圖2.10為過(guò)調(diào)幅狀態(tài)。從圖2.9可以看出，當(dāng)橫坐標(biāo)在0.003-0.004之間時(shí)，載波的幅度為0。從圖2.10可以看出，當(dāng)橫坐標(biāo)為0.003-0.004之間時(shí)，載波本該繼續(xù)變小的幅度的在這個(gè)區(qū)間反而變大了，這塊區(qū)域就失真了，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)解調(diào)出現(xiàn)問(wèn)題。圖2.9AM調(diào)制的臨界狀態(tài)圖2.10AM調(diào)制的失真狀態(tài)通過(guò)AM信號(hào)的表達(dá)式，計(jì)算它的均方值，可以得到AM信號(hào)的功率： (2-5)公式中是載波功率，是邊帶功率，也就是調(diào)制功率。而AM調(diào)制信號(hào)的調(diào)制效率可以由式(2-6)表示： (2-6)由于調(diào)幅系數(shù)，故，所以調(diào)制效率。由此可以看出，AM調(diào)制的有用信號(hào)功率所占比例很低，最多占總功率的50%，所以AM調(diào)制信號(hào)功率的利用率是十分低的。也正是因?yàn)檫@種功率上的浪費(fèi)，使得AM信號(hào)在解調(diào)的時(shí)候是比較簡(jiǎn)單的。二、角度調(diào)制角度調(diào)制是利用連續(xù)模擬信號(hào)改變載波角度的調(diào)制方法，角度調(diào)制主要包括頻率調(diào)制(FrequencyModulation，F(xiàn)M)和相位調(diào)制(PhaseModulation，PM)。頻率調(diào)制是利用連續(xù)模擬信號(hào)改變載波頻率的一種調(diào)制方法。這種方法將載波中的頻率看作因變量，連續(xù)模擬信號(hào)看作自變量，幅度、相位當(dāng)作常量。而相位調(diào)制是利用基帶模擬信號(hào)的瞬時(shí)值改變載波的瞬時(shí)相位的調(diào)制方法。對(duì)于正弦載波來(lái)說(shuō)，相位的變化會(huì)影響頻率的變化，頻率的變化會(huì)引起相位的變化，二者都能夠影響角度，所謂將頻率調(diào)制和相位調(diào)制統(tǒng)稱為角度調(diào)制REF_Ref13256\r\h[6]。和幅度調(diào)制不同，角度調(diào)制后的信號(hào)并不是基帶模擬信號(hào)頻譜的線性搬移，因此屬于一種非線性調(diào)制。本文主要對(duì)頻率調(diào)制進(jìn)行介紹。和AM調(diào)制一樣，基帶信號(hào)用來(lái)表示，載波用來(lái)表示。先假設(shè)經(jīng)過(guò)頻率調(diào)制后的FM信號(hào)如下所示： (2-7)根據(jù)此式可以得出瞬時(shí)相位為，瞬時(shí)相位偏移為，瞬時(shí)角頻率為瞬時(shí)相位的微分，可以表示為。瞬時(shí)頻率則為，可以看出瞬時(shí)頻率的變化僅與有關(guān)，就是瞬時(shí)角頻偏，為了實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的效果，需要基帶模擬信號(hào)和瞬時(shí)角頻偏構(gòu)成某種線性關(guān)系。為此引入了調(diào)頻靈敏度Kf這一概念?；鶐M信號(hào)和瞬時(shí)角頻偏的線性關(guān)系可以用式(2-8)表示： (2-8)由此式可以看出，調(diào)頻靈敏度Kf反映了載波的瞬時(shí)角頻偏隨著基帶模擬信號(hào)幅度的線性變化程度。有了調(diào)頻靈敏度，那么瞬時(shí)相位偏移就能用下式表示： (2-9)由式(2-7)和式(2-9)可以得出： (2-10)將基帶模擬信號(hào)表達(dá)式分別帶入式(2-9)和式(2-10)中，可得： (2-11) (2-12)在式(2-11)中，被稱為最大角頻偏，最大角頻偏和基帶模擬信號(hào)角頻率(或是最大頻偏和基帶模擬信號(hào)頻率)的比值被稱為調(diào)頻指數(shù)，表達(dá)式如下： (2-13)式(2-12)為FM調(diào)制后信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式，根據(jù)carson公式可以得出調(diào)制后信號(hào)的帶寬： (2-14)當(dāng)調(diào)頻指數(shù)遠(yuǎn)小于1時(shí)，已調(diào)信號(hào)帶寬，這種調(diào)頻稱為窄帶調(diào)頻(NBFM)；當(dāng)調(diào)頻指數(shù)遠(yuǎn)大于1時(shí)，已調(diào)信號(hào)帶寬，這種調(diào)頻稱為寬帶調(diào)頻(WBFM)。目前最常用到的調(diào)制FM信號(hào)的方法是正交調(diào)制(I/Q調(diào)制)。將式(2-10)展開(kāi)，可以得到： (2-15)其中被稱為I路信號(hào)，被稱為Q路信號(hào)，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制時(shí)，可以將基帶模擬信號(hào)積分后分別進(jìn)行余弦和正弦變換得到I路信號(hào)和Q路信號(hào)，再通過(guò)乘法器分別和載波以及相位差為90°的載波相乘，最后通過(guò)加法器相加得到調(diào)制后信號(hào)。FM正交調(diào)制原理圖如圖2.11所示，F(xiàn)M調(diào)制后信號(hào)波形圖如圖2.12所示。圖中白線為基帶模擬信號(hào)，紅線為調(diào)制后信號(hào)，可以看出載波在基帶信號(hào)幅度大時(shí)頻率高，幅度小時(shí)頻率低。圖2.11FM正交調(diào)制原理圖圖2.12FM調(diào)制波形圖FM調(diào)制相比于AM調(diào)制，帶寬更大，擁有較強(qiáng)的抗干擾能力，擁有較高的信噪比，信號(hào)解調(diào)后基本無(wú)雜音，被廣泛使用于廣播電臺(tái)領(lǐng)域。第三節(jié)模擬信號(hào)解調(diào)技術(shù)解調(diào)就是調(diào)制的反過(guò)程，調(diào)制是將低頻基帶信號(hào)加載到高頻載波的操作，解調(diào)則是將基帶低頻信號(hào)從已調(diào)制的高頻信號(hào)中分離出來(lái)，以此獲得需要的信息。解調(diào)根據(jù)是否需要原始載波信息分為兩種：相干解調(diào)和非相干解調(diào)。相干解調(diào)，又可以稱為同步檢波(解調(diào)可稱為檢波)，這種解調(diào)技術(shù)需要調(diào)制時(shí)載波的全部信息，用一個(gè)和調(diào)制載波完全同步的信號(hào)作為相干載波，利用相干載波去得到原始基帶信號(hào)。以AM調(diào)制信號(hào)為例子，式(2-3)為AM調(diào)制后的信號(hào)時(shí)域表達(dá)式： (2-3)將已調(diào)信號(hào)和相干載波()相乘,此時(shí)的表達(dá)式可以變成： (2-14)式(2-14)經(jīng)過(guò)變換，可以得到： (2-15) 由式(2-15)可以看出載波和原始基帶信號(hào)已經(jīng)被分離了，此時(shí)使用一個(gè)低通濾波器(LPF)將載波部分過(guò)濾掉，再將直流偏置減去，就可以得到原始基帶信號(hào)了。相干解調(diào)原理圖如圖2.13所示：圖2.13相干解調(diào)原理圖通過(guò)上述介紹，可以看出由于采用了和載波同頻同相的相干載波，適用于所有經(jīng)過(guò)線性調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，同時(shí)解調(diào)效果也是非常不錯(cuò)，但是由于相干解調(diào)必須知道調(diào)制載波的參數(shù)，在實(shí)際使用中并不方便。所以引入了非相干解調(diào)這一方法。非相干解調(diào)，又稱包絡(luò)檢波，和相干解調(diào)最大的區(qū)別在于不需要調(diào)制載波的所有參數(shù)。包絡(luò)指將高頻信號(hào)的峰值連起來(lái)形成的線，體現(xiàn)了調(diào)制后高頻信號(hào)幅度的變化。包絡(luò)檢波就是將已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)分離出來(lái)再進(jìn)行處理。對(duì)于幅度調(diào)制的信號(hào)而言，包絡(luò)就是基帶信號(hào)，所以包絡(luò)檢波在AM信號(hào)解調(diào)中最常用到。AM調(diào)制信號(hào)表達(dá)式如式(2-3)所示： (2-3)其中就是包絡(luò)，為了提取包絡(luò)，可以將已調(diào)信號(hào)進(jìn)行一次希爾伯特變換(Hilbert),變換如下： (2-16)將原有已調(diào)信號(hào)作為復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí)部，經(jīng)過(guò)希爾伯特變換的信號(hào)作為復(fù)數(shù)信號(hào)的虛部，再將這個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)形式，即可獲取信號(hào)幅度變化，也就是包絡(luò)，最后減去直流偏置即可得到包絡(luò)檢波后的信號(hào)，也就是從高頻已調(diào)信號(hào)獲取了需要的基帶信號(hào)。非相干解調(diào)不需要和載波同頻同相的相干載波，也不需要乘法器將相干載波和已調(diào)信號(hào)相乘，處理復(fù)雜度比較低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易也沒(méi)有太多限制，但是相比于相干解調(diào)來(lái)說(shuō)，非相干解調(diào)的性能是有所下降的。和上文FM調(diào)制中介紹的正交調(diào)制相對(duì)應(yīng)，還有一種解調(diào)方法是正交解調(diào)，正交解調(diào)是將已調(diào)信號(hào)轉(zhuǎn)化為I/Q信號(hào)再進(jìn)行處理的解調(diào)方式。以FM調(diào)制信號(hào)為例，F(xiàn)M調(diào)制后信號(hào)表達(dá)式如式(2-10)所示： (2-10)將已調(diào)信號(hào)與載波同頻率的余弦分量相乘，可以得到： (2-17)用低通濾波器將二倍載波頻率的分量過(guò)濾出去，就可以得到I路信號(hào)： (2-18)用同樣的方式，將已調(diào)信號(hào)與載波同頻率的正弦分量相乘，可以得到: (2-19)用低通濾波器將二倍載波頻率的分量過(guò)濾出去，就可以得到Q路信號(hào)： (2-20)隨后對(duì)I、Q信號(hào)的比值求反正切，就可以得到基帶信號(hào)，表達(dá)式如下： (2-21)由式(2-21)變換可以得到： (2-22)兩邊同時(shí)求導(dǎo)，可以得到： (2-23)正交解調(diào)的原理圖如圖2.14所示：圖2.14正交解調(diào)原理圖正交解調(diào)在如今是很常用的解調(diào)手段，很多軟件無(wú)線電硬件接收的信號(hào)就是I/Q信號(hào)，所以直接使用正交解調(diào)更為方便。

第三章基于USRP的信號(hào)調(diào)制解調(diào)收音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第一節(jié)調(diào)制解調(diào)收音系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)一、硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境本設(shè)計(jì)采用的硬件是USRPN210。USRP(UniversalSoftwareRadioPeripheral，通用軟件無(wú)線電外設(shè))是由美國(guó)虛擬儀器的龍頭美國(guó)國(guó)家儀器公司(NationalInstruments，NI)開(kāi)發(fā)的。這是一種可以軟件配置的設(shè)頻硬件設(shè)備，可以應(yīng)用于無(wú)線電通信行業(yè)REF_Ref29307\r\h[7]。USRP是根據(jù)軟件無(wú)線電這一概念設(shè)計(jì)的，所以USRP具有很多軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)的特點(diǎn)。USRP可以發(fā)送射頻信號(hào)，也可以接收射頻信號(hào)，這是因?yàn)閁SRP擁有靈活的上變頻和下變頻轉(zhuǎn)換器，并擁有與之相配的高速A/D及D/A轉(zhuǎn)換器。USRP擁有兩個(gè)射頻天線，能做到兩個(gè)天線同時(shí)接收或發(fā)送信號(hào)，也可以做到一個(gè)射頻口用來(lái)發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)用來(lái)接收信號(hào)。USRP接收到的信號(hào)都是經(jīng)過(guò)USRP內(nèi)部的下變頻設(shè)備以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器下變換后成為了復(fù)數(shù)I/Q信號(hào)，所以正交解調(diào)是對(duì)于接收信號(hào)最方便適用的解調(diào)方法。USRPN210能夠接收或是發(fā)送的射頻信號(hào)帶寬高達(dá)50MHZ，擁有一個(gè)千兆級(jí)的以太網(wǎng)接口，可以跟pc端通過(guò)網(wǎng)線達(dá)成互聯(lián)，由pc端軟件編程處理或生成信號(hào)，實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電平臺(tái)。USRPN210硬件外觀如圖3.1所示：圖3.1USRPN210外觀二、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境本設(shè)計(jì)采用的軟件是LabView2021。LabView(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái))是美國(guó)NI公司根據(jù)軟件無(wú)線電概念開(kāi)發(fā)的一款圖形化編程程序，使用的是圖形化編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)，該軟件是目前使用最廣泛、功能最強(qiáng)大的圖形化開(kāi)發(fā)軟件。與常規(guī)的編程語(yǔ)言不同，LabView的編程思路是一種數(shù)據(jù)流框圖的方式，其中的函數(shù)、模塊都是由圖像表示，而數(shù)據(jù)走向則是由線條表示，整體編程簡(jiǎn)單明了，極大的發(fā)揮了圖形化編程的優(yōu)勢(shì)。LabView擁有著豐富的庫(kù)函數(shù)和子VI，大大降低了開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)難度，提高了開(kāi)發(fā)速度。LabView編程設(shè)計(jì)主要分為前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)，前面板就類似于前端界面，是程序運(yùn)行時(shí)用戶所能看見(jiàn)和操控的頁(yè)面，屬于LabView中可以自定義的用戶界面?？梢栽谄渲蟹胖靡恍┹斎胼敵隹蚣?、波形圖框架、錯(cuò)誤報(bào)文等控件，能夠自定義幾乎所有實(shí)際儀器的使用面板。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可以在前面板控制數(shù)據(jù)的輸入，觀測(cè)輸出數(shù)據(jù)、波形圖等等。而程序框圖就相當(dāng)于后端，整體程序邏輯、框架都是在程序框圖中設(shè)計(jì)的。LabView有專門(mén)開(kāi)發(fā)USRP無(wú)線電的相關(guān)模塊，非常契合本設(shè)計(jì)的需求。第二節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及內(nèi)容一、需求分析本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)用戶登陸頁(yè)面，能夠輸入用戶名、密碼；需要實(shí)現(xiàn)功能選擇界面，可以選擇需要使用的功能或是退出程序；需要實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)界面及功能：AM信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、FM信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、FM收音功能、上傳音頻至FM頻道。AM信號(hào)調(diào)制與解調(diào)模塊需要實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)和載波信號(hào)的幅度控制、頻率控制，直流偏置的大小控制，以及能夠顯示基帶信號(hào)波形圖、調(diào)制信號(hào)波形圖和解調(diào)后信號(hào)的波形圖，實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制功能和解調(diào)功能。FM信號(hào)調(diào)制與解調(diào)模塊需要實(shí)現(xiàn)FM調(diào)制功能和解調(diào)功能，要能夠控制基帶信號(hào)和載波信號(hào)的頻率，能夠控制載波幅度和調(diào)頻靈敏度，能夠顯示基帶信號(hào)波形圖、調(diào)制信號(hào)波形圖和解調(diào)后信號(hào)的波形圖。FM收音模塊需要實(shí)現(xiàn)與USRPN210建立連接，能夠通過(guò)USRPN210接收到FM調(diào)頻廣播信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)，能夠在PC端播放廣播內(nèi)容，能夠跳轉(zhuǎn)廣播頻道，收聽(tīng)到大部分廣播電臺(tái)。上傳音頻模塊需要實(shí)現(xiàn)將電腦本地音頻文件進(jìn)行FM調(diào)制，再通過(guò)USRPN210將調(diào)制后信號(hào)發(fā)送出去，需要能夠控制載波頻率，顯示波形。AM信號(hào)調(diào)制與解調(diào)模塊、FM信號(hào)調(diào)制與解調(diào)模塊、FM收音模塊、上傳音頻模塊這四個(gè)模塊需要能夠互相跳轉(zhuǎn)。二、系統(tǒng)整體流程本設(shè)計(jì)主要擁有以下幾個(gè)頁(yè)面：用戶登錄界面、功能選擇界面、AM信號(hào)調(diào)制與解調(diào)頁(yè)面、FM信號(hào)調(diào)制與解調(diào)頁(yè)面、FM收音機(jī)頁(yè)面、上傳音頻頁(yè)面?？傮w運(yùn)行框架如下圖所示：圖3.2系統(tǒng)運(yùn)行框架圖運(yùn)行流程如下：用戶首先從登錄頁(yè)面進(jìn)行用戶登錄，隨后跳轉(zhuǎn)到功能選擇界面，選擇要使用的功能，接下來(lái)頁(yè)面跳轉(zhuǎn)到所需功能界面，四個(gè)功能頁(yè)面可以互相跳轉(zhuǎn)。三、登錄模塊設(shè)計(jì)登錄模塊的前面板如圖3.3所示。就如同正常的登錄頁(yè)面，有用戶名輸入框、密碼輸入框、登錄按鈕、退出程序按鈕以及登錄按鈕下的加載進(jìn)度條顯示。當(dāng)輸入正確的用戶名和密碼后，按下登錄按鈕，會(huì)出現(xiàn)歡迎登錄的彈窗，點(diǎn)擊確認(rèn)后，加載進(jìn)度條會(huì)顯示加載情況，加載完成后將會(huì)跳轉(zhuǎn)到功能選擇界面。彈窗如圖3.4所示。圖3.3登錄模塊前面板圖3.4歡迎登錄彈窗本模塊的程序框圖主要分為兩個(gè)部分，第一個(gè)部分是對(duì)用戶名及密碼的輸入和判斷部分，第二個(gè)部分是登錄過(guò)程和打開(kāi)下一模塊部分。第一部分程序框圖如圖3.5所示。圖中的退出、登錄、用戶名、密碼這些按鈕、輸入控件都是和前面板的控件一一對(duì)應(yīng)的，在前面板中輸入數(shù)據(jù)或者按下按鈕都會(huì)直接反饋到這個(gè)程序框圖中。由程序框圖可以看到，我后臺(tái)設(shè)置了正確的用戶名和密碼，當(dāng)前面板輸入的用戶名和密碼都等于正確值，再按下登錄按鈕觸發(fā)程序流程后，右邊判斷窗口就會(huì)顯示判斷為真的彈窗，若用戶名或密碼錯(cuò)誤，就會(huì)觸發(fā)右邊判斷窗口判斷為假的程序，前面板將會(huì)彈出一個(gè)密碼錯(cuò)誤的彈窗。判斷窗口判斷為假的框圖如圖3.6所示。圖3.7是退出程序框圖，若是點(diǎn)擊退出按鈕，就會(huì)觸發(fā)關(guān)閉此模塊的操作。圖3.5用戶身份識(shí)別框圖圖3.6判斷為假的程序框圖圖3.7退出程序框圖用戶登錄成功后，進(jìn)入本模塊的第二部分。圖3.8是實(shí)現(xiàn)模塊跳轉(zhuǎn)的程序框圖。如圖所示，在打開(kāi)選擇界面之前，增加了進(jìn)度條、顯示進(jìn)度等控件，使得前面板顯得更加形象。將while循環(huán)時(shí)間設(shè)置為1s，次數(shù)為5次，這樣加載時(shí)間就是5秒，每次五年換進(jìn)度條增加20%，并在進(jìn)度條上方顯示加載內(nèi)容，通過(guò)索引數(shù)組實(shí)現(xiàn)每秒顯示不同的加載項(xiàng)。當(dāng)5秒加載結(jié)束后，就需要打開(kāi)選擇界面。選擇模塊的VI和登錄模塊的VI都屬于同一個(gè)大目錄下，所以通過(guò)控件獲得當(dāng)前登錄模塊VI的地址，在同一目錄下選中選擇模塊并打開(kāi)，同時(shí)關(guān)閉登錄模塊VI。圖3.9為模塊跳轉(zhuǎn)的程序框圖。在后續(xù)模塊之間的跳轉(zhuǎn)都使用的此方法，下文就不再贅述了。圖3.8模塊跳轉(zhuǎn)程序框圖四、選擇功能模塊設(shè)計(jì)功能選擇的前面板如圖3.9所示。這個(gè)界面比較簡(jiǎn)單，只有四個(gè)功能模塊的選擇按鈕和一個(gè)退出程序按鈕。點(diǎn)擊功能模塊按鈕會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能模塊，并關(guān)閉此模塊；點(diǎn)擊退出程序按鈕后則會(huì)退出程序。圖3.9功能選擇前面板五、AM調(diào)制與解調(diào)模塊設(shè)計(jì)AM調(diào)制與解調(diào)模塊的前面板如圖3.10所示。圖3.10AM調(diào)制與解調(diào)前面板用戶使用時(shí)，能夠選擇自己想要的載波信號(hào)和基帶信號(hào)的參數(shù)，可以通過(guò)滑塊或者輸入數(shù)字的方式調(diào)節(jié)基帶信號(hào)和載波信號(hào)的幅度以及頻率。直流偏置可以用輸入或是上下按鈕調(diào)劑的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。本頁(yè)面有三個(gè)示波器，第一個(gè)示波器會(huì)顯示基帶信號(hào)，第二個(gè)示波器顯示解調(diào)后的波形圖，第三個(gè)示波器會(huì)顯示調(diào)制后的AM信號(hào)和基帶信號(hào)的復(fù)合波形圖，點(diǎn)擊功率譜按鈕第三個(gè)示波器會(huì)顯示解調(diào)后信號(hào)的功率譜。點(diǎn)擊右側(cè)的前三個(gè)按鈕能夠跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能模塊，點(diǎn)擊退出程序?qū)?huì)關(guān)閉程序，點(diǎn)擊停止按鈕程序運(yùn)行將會(huì)停止，進(jìn)入可編程狀態(tài)。本模塊的程序框圖主要分為三個(gè)部分，第一部分是AM信號(hào)調(diào)制部分，第二部分是對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)部分，第三部分則是模塊跳轉(zhuǎn)部分。第一部分和第二部分程序框圖如圖3.11所示：圖3.11AM調(diào)制解調(diào)程序框圖本次設(shè)計(jì)中，基帶信號(hào)都采用的正弦波。在前面板輸入好基帶信號(hào)和載波信號(hào)的頻率及幅值后，仿真信號(hào)這個(gè)控件接收到參數(shù)后就會(huì)生成相應(yīng)的信號(hào)?；鶐盘?hào)產(chǎn)生后就會(huì)傳入示波器中進(jìn)行顯示，并會(huì)傳入到接下來(lái)的加法器中和直流偏移量進(jìn)行相加，相加后的信號(hào)會(huì)傳入到乘法器中和仿真信號(hào)2控件發(fā)出的載波信號(hào)相乘得到AM調(diào)制信號(hào)(相關(guān)原理在第二章講述完畢)，已調(diào)信號(hào)傳入示波器中進(jìn)行顯示。本模塊AM解調(diào)方法采用的是相干解調(diào)。AM調(diào)制信號(hào)生成后就會(huì)傳入乘法器和相干載波相乘，得到的信號(hào)會(huì)傳入一個(gè)低通濾波器中，將信號(hào)中高頻載波部分過(guò)濾掉，就會(huì)得到一個(gè)和基帶信號(hào)基本一致的解調(diào)后信號(hào)，在對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，將幅度也調(diào)整為基帶信號(hào)的幅度，最后將得到的信號(hào)傳入示波器中進(jìn)行顯示，并進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，在示波器中顯示解調(diào)后信號(hào)的功率譜。五、FM調(diào)制與解調(diào)模塊設(shè)計(jì)FM調(diào)制與解調(diào)模塊的前面板如圖3.12所示。圖3.12FM調(diào)制與解調(diào)模塊前面板本模塊的前面板設(shè)計(jì)和AM調(diào)制與解調(diào)模塊前面板設(shè)計(jì)基本一樣，只是增加了一個(gè)輸入控件用來(lái)控制調(diào)頻靈敏度的值。此處不再贅述。FM調(diào)制與解調(diào)模塊的程序框圖和AM調(diào)制與解調(diào)模塊的程序框圖結(jié)構(gòu)一樣，都是分為了三個(gè)部分，第一部分是FM信號(hào)調(diào)制部分，第二部分是FM信號(hào)解調(diào)部分，第三部分是模塊跳轉(zhuǎn)部分。由于FM調(diào)制和解調(diào)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜一些，所以這兩部分都被寫(xiě)入了子VI中，主體框架中只顯示基本的輸入、輸出、波形生成與輸出等。主體程序框圖如圖3.13所示：圖3.13FM主體框圖前面板輸入數(shù)據(jù)后，由仿真信號(hào)控件生成基帶信號(hào)，傳到示波器中顯示，再傳入FM調(diào)制的子VI中，而載波信號(hào)的相關(guān)參數(shù)直接傳入FM調(diào)制子VI。FM調(diào)制子VI程序框圖如圖3.14所示：圖3.14FM調(diào)制程序框圖本模塊FM信號(hào)調(diào)制使用的的方法是正交調(diào)制。接收到主程序傳來(lái)的信號(hào)和參數(shù)后，基帶信號(hào)先通過(guò)乘法器與調(diào)頻靈敏度相乘，相乘得到的信號(hào)再傳入到積分控件中進(jìn)行積分，積分過(guò)后的信號(hào)分別通過(guò)正弦控件和余弦控件進(jìn)行正弦和余弦操作；另一邊兩個(gè)仿真信號(hào)控件分別產(chǎn)生了同幅同頻的正弦和余弦載波，余弦化的積分后信號(hào)傳入乘法器與余弦載波相乘，正弦化的積分后信號(hào)在乘法器中和正弦載波相乘，最后二者相減，就得到了FM調(diào)制后的信號(hào)。已調(diào)信號(hào)被傳入示波器顯示波形圖，同時(shí)也傳入到頻譜測(cè)量控件將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域后顯示頻域圖。本設(shè)計(jì)FM解調(diào)使用的方法是包絡(luò)檢波。由于FM調(diào)制并沒(méi)有改變載波的幅度，所以已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)是兩條平行線。為了能夠使用包絡(luò)檢波，就要對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行積分，這樣就能得出一個(gè)類似AM調(diào)制后的信號(hào)，如此便可以使用包絡(luò)檢波了。FM解調(diào)程序框圖如圖3.15所示。圖3.15FM解調(diào)程序框圖FM調(diào)制信號(hào)生成后，傳入解調(diào)子VI。在解調(diào)子VI中，已調(diào)信號(hào)先傳入到導(dǎo)數(shù)控件中進(jìn)行求導(dǎo)，求導(dǎo)后的信號(hào)被傳入到希爾伯特變換控件中進(jìn)行希爾伯特變換，再對(duì)變換后的信號(hào)和變換前的信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得到復(fù)數(shù)信號(hào)，在通過(guò)交流直流分離控件將直流分量提取出來(lái)，就得到求導(dǎo)后信號(hào)的包絡(luò)了。隨后將包絡(luò)的幅值進(jìn)行處理，便可以得到基帶信號(hào)的數(shù)字表達(dá)形式，再通過(guò)波形生成控件將時(shí)域表達(dá)式轉(zhuǎn)化為信號(hào)波形傳入到示波器中顯示，就可以看到解調(diào)后的信號(hào)波形了。六、關(guān)鍵控件介紹在FM收音模塊和音頻上傳模塊會(huì)用到幾個(gè)與硬件交互的控件，在此處先進(jìn)行介紹。圖3.16niUSRP屬性節(jié)點(diǎn)niUSRP屬性節(jié)點(diǎn)控件如圖3.16所示，該控件是利用USRP特性來(lái)獲取USRP高級(jí)屬性，以此來(lái)配置USRP驅(qū)動(dòng)。圖3.17中所有控件都是和USRP建立連接、讀/寫(xiě)、斷開(kāi)連接的控件。圖3.17niUSRP控件niUSRPOpenTxSession控件的作用是創(chuàng)建一個(gè)與USRP建立連接并發(fā)射射頻信號(hào)的會(huì)話，這個(gè)控件在需要USRP發(fā)射信號(hào)時(shí)使用，在使用前要先輸入U(xiǎn)SRP的IP地址。niUSRPOpenRxSession控件的作用是創(chuàng)建一個(gè)從USRP接收射頻信號(hào)的會(huì)話，需要在接收USRP射頻信號(hào)時(shí)使用，在使用前要先輸入U(xiǎn)SRP的IP地址。niUSRPConfigureSignal控件是配置信號(hào)控件，能夠和傳輸會(huì)話Tx或者接收會(huì)話Rx一同使用。其作用是配置要接收或是發(fā)送信號(hào)的信息。該控件能夠設(shè)置信號(hào)的I/Q采樣速率、載波頻率、增益和此次在USRP上所使用的天線。niUSRPInitiate控件的作用是確認(rèn)配置結(jié)束，啟用接收會(huì)話，打開(kāi)USRP捕獲數(shù)據(jù)的功能，該控件只能和接收會(huì)話Rx一起使用。niUSRPWriteTxData控件的作用是向USRP發(fā)送射頻信號(hào)，發(fā)送的射頻信號(hào)加載到niUSRPConfigureSignal控件所配置的載波上，再傳輸給USRP，最后由USRP發(fā)送出去。該控件只能和傳輸會(huì)話Tx一同使用。niUSRPFetchRxData控件的作用是接收通過(guò)USRP捕獲的信號(hào)，這個(gè)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行數(shù)字化分析或者在時(shí)域圖中表示出來(lái)，該控件只能和接收會(huì)話Rx一同使用。niUSRPAbort控件的作用是給USRP傳遞停止接收信號(hào)的指令，該控件只能和接收會(huì)話Rx一同使用。niUSRPCloseSession控件的作用是關(guān)閉正在運(yùn)行Tx或Rx會(huì)話，運(yùn)行了這個(gè)控件后，就不能再利用USRP來(lái)接收或發(fā)送信號(hào)了。該控件能夠和傳輸會(huì)話Tx或者接收會(huì)話Rx一同使用。圖3.17中的控件是連接聲卡輸出音頻的控件。圖3.17聲音輸出控件從左到右依次是聲音信息配置控件、音量控件、啟動(dòng)聲音輸出控件、寫(xiě)入聲音輸出控件、聲音輸出等待控件、輸出聲音清零控件、停止聲音輸出控件。這幾個(gè)控件能夠配置聲卡信息，聲音信息，將需要輸出的聲音通過(guò)聲卡輸出。圖3.18中的控件都是從PC端讀取音頻信息的控件。圖3.18讀取音頻文件控件這四個(gè)控件分別是讀取聲音文件信息控件、打開(kāi)聲音文件控件、讀取聲音文件控件、關(guān)閉聲音文件控件。這四個(gè)能夠打開(kāi)指定的聲音文件并讀取其中內(nèi)容，將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字或模擬信號(hào)進(jìn)行處理，最終關(guān)閉聲音文件。這類控件將在音頻上傳模塊被使用。七、FM收音模塊設(shè)計(jì)FM收音模塊前面板設(shè)計(jì)如圖3.19所示。圖3.19FM收音前面板在前面板中可以通過(guò)輸入控件配置USRP的IP地址，設(shè)置USRP接收信號(hào)的頻段、采樣速率、增益大小、接收到的波形長(zhǎng)度，設(shè)置USRP用于接收信號(hào)的天線，設(shè)置音量大小，選擇是否濾波，濾波的地截止頻率等等?？梢酝ㄟ^(guò)5個(gè)按鈕選擇跳轉(zhuǎn)到其他模塊或是結(jié)束程序。右邊四個(gè)示波器分別顯示了接收到的信號(hào)波形圖、經(jīng)過(guò)濾波后的波形圖、解調(diào)后輸出的聲音信號(hào)波形圖、以及解調(diào)后信號(hào)的功率譜。本模塊的程序框圖主要分為四個(gè)部分，第一部分是連接USRP接收信號(hào)部分，第二部分是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)濾波處理部分，第三部分是對(duì)處理好的信號(hào)輸出到聲卡部分，第四部分是模塊跳轉(zhuǎn)部分。圖3.20是聲音配置的程序框圖。圖3.20聲音信息配置圖3.21是USRP參數(shù)和接收信號(hào)參數(shù)配置程序框圖。圖3.21USRP相關(guān)信息配置框圖其中載波頻率就是接收FM廣播的頻道。后續(xù)信號(hào)處理及輸出程序框圖如圖3.22所示：圖3.22接收信號(hào)處理輸出框圖從USRP接收到FM信號(hào)后，將信號(hào)傳入示波器中進(jìn)行顯示，同時(shí)傳入復(fù)數(shù)實(shí)部虛部分離控件將I路信號(hào)和Q路信號(hào)分離出來(lái)，由于通過(guò)USRP接收到的信號(hào)為I/Q信號(hào)，所以本模塊解調(diào)方式使用了I/Q正交解調(diào)。將分離出來(lái)的I、Q信號(hào)分別傳入濾波器中，先將高頻噪聲過(guò)濾一遍，隨后將過(guò)濾后的信號(hào)傳入示波器中顯示，在將兩路過(guò)濾后信號(hào)傳入正交解調(diào)的子VI中。正交解調(diào)的程序框圖如圖3.23所示。圖3.23FM正交解調(diào)程序框圖根據(jù)第二章推帶出來(lái)的公式，將I、Q信號(hào)分別求導(dǎo)和平方，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換得到解調(diào)后的信號(hào)。為防止解調(diào)后噪聲信號(hào)過(guò)多，將解調(diào)后信號(hào)再傳入濾波器中過(guò)濾一遍，隨后傳入波形生成控件中生成模擬信號(hào)，最后輸出至示波器、聲音輸出控件和頻譜轉(zhuǎn)換控件中，生成波形圖、聲音信息和功率譜。八、音頻上傳模塊設(shè)計(jì)音頻上傳模塊的前面板如圖3.24所示：圖3.24音頻上傳模塊前面板本模塊前面板可以配置USRP的相關(guān)參數(shù)，可以選擇功能模塊或退出程序。示波器中能夠顯示本地音頻的數(shù)據(jù)波形。本模塊的程序框圖主要分為兩個(gè)部分，第一部分為本地音頻信號(hào)處理及發(fā)送部分，另一部分為模塊跳轉(zhuǎn)部分。音頻信號(hào)處理發(fā)送程序框圖如圖3.25所示：圖3.25本地音頻信號(hào)處理及發(fā)送框圖先由USRP相關(guān)控件使PC端和USRP建立連接，通過(guò)文件選擇控件選擇上傳音頻的所在路徑，通過(guò)聲音處理控件將音頻數(shù)據(jù)采樣出來(lái)，再將其傳入LabView自帶的FM調(diào)制控件中進(jìn)行FM調(diào)制，最后將已調(diào)信號(hào)傳輸給USRP進(jìn)行發(fā)送，實(shí)現(xiàn)本地音頻上傳至FM廣播頻道。第四章系統(tǒng)功能及性能測(cè)試第一節(jié)AM調(diào)制解調(diào)測(cè)試運(yùn)行AM調(diào)試與解調(diào)模塊后前面板如圖4.1所示。圖4.1AM調(diào)制解調(diào)運(yùn)行后前面板可以看到基帶信號(hào)生成正常，載波信號(hào)生成正常，解調(diào)信號(hào)生成正常。通過(guò)測(cè)試，可以正確得出正常調(diào)幅波形圖、滿調(diào)幅波形圖和過(guò)調(diào)幅波形圖。這三種調(diào)制狀態(tài)波形圖如圖4.2、圖4.3、圖4.4所示：圖4.2正常調(diào)幅波形圖圖4.3滿調(diào)幅波形圖圖4.4過(guò)調(diào)幅波形圖經(jīng)過(guò)對(duì)比，解調(diào)后信號(hào)和原基帶信號(hào)基本一致，并且由于使用的解調(diào)方法使相干解調(diào)，解調(diào)信號(hào)基本不會(huì)出現(xiàn)失真情況，解調(diào)效果非常好。對(duì)錯(cuò)誤輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，比如將基帶信號(hào)頻率設(shè)置的比載波信號(hào)頻率高，這樣得出的結(jié)果也是錯(cuò)誤的。錯(cuò)誤數(shù)據(jù)AM調(diào)制波形圖如圖4.5所示，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)解調(diào)波形圖如圖4.6所示：圖4.5錯(cuò)誤數(shù)據(jù)AM調(diào)制波形圖圖4.6錯(cuò)誤數(shù)據(jù)AM解調(diào)波形圖第二節(jié)FM調(diào)制解調(diào)測(cè)試輸入正確參數(shù)后，運(yùn)行FM調(diào)制與解調(diào)模塊后前面板如圖4.7所示：圖4.7運(yùn)行FM模塊后前面板可以看到，基帶信號(hào)、載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)都能夠正常顯示，并且通過(guò)顯示的波形可以看出FM正常調(diào)制和解調(diào)成功實(shí)現(xiàn)。但是由于采用的解調(diào)方式是包絡(luò)檢波，解調(diào)出來(lái)的信號(hào)波形和原基帶信號(hào)相比，略有失真的地方。當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)大于基帶信號(hào)頻率且調(diào)頻靈敏度比較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)解調(diào)輕微失真的情況。解調(diào)信號(hào)失真圖如圖4.8所示：圖4.8FM解調(diào)失真波形圖當(dāng)設(shè)置的基帶信號(hào)頻率比載波信號(hào)頻率高時(shí)，基帶信號(hào)對(duì)載波信號(hào)基本沒(méi)有影響，顯示的解調(diào)波形是錯(cuò)誤的。錯(cuò)誤波形圖如圖4.9所示：圖4.9FM解調(diào)錯(cuò)誤波形圖第三節(jié)FM收音測(cè)試連接上USRP的網(wǎng)線，將本地IP設(shè)為，和USRP建立連接，在前面板輸入正確的正確的參數(shù)后，運(yùn)行時(shí)前面板如圖4.10所示：圖4.10FM收音模塊運(yùn)行前面板接收到的信號(hào)、解調(diào)后信號(hào)都顯示正常，解調(diào)后的波形也能看出明顯的音頻波形，通過(guò)聲卡或耳機(jī)也能正常收聽(tīng)到廣播內(nèi)容，聲音較為清楚，雜音比較少。經(jīng)過(guò)測(cè)試，I/Q采樣設(shè)置在500kS/sec左右最佳，若I/Q采樣速率高了很多，會(huì)有一個(gè)明顯的噪聲；若采樣速率低了，聲音的質(zhì)量也會(huì)受到影響。增益最高能選擇38，增益最佳設(shè)置范圍為25-38，若增益過(guò)低，廣播聲音會(huì)被明顯噪聲蓋過(guò)。解調(diào)前進(jìn)行濾波對(duì)整體音質(zhì)沒(méi)有任何提升，如果濾波器的低截止頻率設(shè)置的過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致聲