软件无线电Labview仿真实验报告

《通信系统原理实验》课程研究性学习手册

一、实验任务：

1、在LabVIEW 平台上完成一个AM 演示程序，实现简单的AM 调制。

2、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。

二、理论分析：

1.幅度调制

幅度调制（Amplitude Modulation ，AM ）是一种模拟线性调制方法。频域上，已调信号

频谱是基带调制信号频谱的线性位移；在时域上，已调波包络与调制信号波形呈线性关系。

AM 调制的载波信号通常是高频正弦波，作为载体来传递信源信号中的信息。调制结果是一

个双边带信号，中心是载波频率，带宽是原始信号的两倍。调制信号的数学表达式为：

()()()()()()000c o s c o s

θωθω+++==t t f t A t c t m t s c c AM （1.1） 式中，)(t m 是调制信号，其直流分量为0A ，交流分量为；)(t c 是载波信号，其为角频率为

c ω、初始相位为0θ的余弦信号。

从式1.1我们能够得出幅度调制的已调信号就是是)(t m 和)(t c 的乘积。为了实现)

(t m 能够对载波信号的幅度实现线性调制，)(t m 应该包含直流分量来保证0)(≥t m ，也就是

()0m a x A t f ≤ （1.2）

这样的话才能够保证()t s AM 的包络完全在时间轴上方，如图1所示。

根据式（1.2），为避免产生“过调幅”现象而导致包络检波的结果严重失真，兹定义

一个重要参数：

10≤=A A m AM β （1.3）

式中，称AM β为调幅指数，或调幅深度；m A 代表信源信号()t f 的最大幅值。一般AM β不

超过0.8。

下面对AM 调制在频域上进行分析。

对于式1.1，我们能够直接通过傅里叶变换得到其频域表达式，如式1.4所示。

()()()[]

()()[]222200000000θθωωωωδπωωωωδπωj j AM e F A e F A S -+-++++=-（1.4）

频谱如图2所示：

图2 调幅信号频谱 由于软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能地直接数字化，将其变为适

合于数字信号处理器（DSP ）或计算机处理的数据流，然后由软件（算法）来完成各种各样

的功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性，故而对信源信号的各种调制与解调过

程都是在数字域实现的。

2.频率调制与解调

（1）频率调制

FM （Frequency Modulation ）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)(t m 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 θ，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3所示。

图3 频率调制示意图

在图3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： ?+=t

f c d m k t f t 0)(22)(ττππθ （2.1） 式中，c f 代表载波频率，f k 代表调制指数，)(τm 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4所示：

图 4 相位调制

在此次实验中，NI USRP-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 )(c o s )(ττωd m k t A t s f c c FM （2.2） 式中，c A 代表载波幅度，f k 代表调制指数，()m τ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kh x k =，n a b h -=

，k ＝0，1，…，n 在每个子区间[]1,+k k x x 上引用梯形公式

()()()[]121++≈?+k k x x x f x f h dx x f k k ，求和得复化求积公式为：

()()()()[]∑∑??-=+-=+≈==+10

110a 2x 1n k k k n k x x b x f x f h dx x f dx f I k k （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：

()[]()[])s i n (2)1(s i n )c o s (2)1(c o s )(11s c n i s s s f s c n i s s s f s FM nT T i x iT x T k nT T i x iT x T k nT s ωω???????-+-??

?????-+=∑∑== （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5所示。

图 5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：

()()()())s i n (c o s t t Q t t I t S c c FM ωω+= （2.5）

（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：

()[]n n A n S φω+=c 0c o s )( （2.6） 换句话讲，

()()()[]∑Φ++=0c c o s n m k n n A n S ω （2.7） 式中，c ω表示载频的角频率，k 表示比例因子，0φ是一个常数。

展开2.8的结果是：

()()[][])sin()(sin )()cos()(cos 00n n m k n A n n m k n A n S c c ωω∑∑Φ+-Φ+= （2.8） 根据正交展开，设置同向分量如下：

()[]∑Φ+=0

)(c o s )(n m k n A n X I （2.9） 假设正交分量是： ()[]∑Φ+=0)(s i n )(n m k n A n X Q （2.10） 对正交分量与同向分量之比值进行反正切运算，得：

()0)(a r c t a n ∑Φ+=???? ??=Φn m k X X n I Q （2.11）

然后，对相位差分，就可以得到调制信号为：

()())(1n m n n =-Φ-Φ （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。

三、实验步骤：

1、完成AM Modulation-Medium Exercise.vi 的步骤：

打开该VI ，检查已经提供的前面板和程序框图。在程序面板进行编程，以完成一个单音信号的幅度调制。在完成这个VI 后，改变载波以及调制信号的幅度和频率，能观察到已调信号在时域和频域上的变化。图6展现了完成程序在运行时的前面板：

图6 完成程序的前面板

下面对程序面板进行说明。

如图7所示，程序框图包含一个while 循环，其中包括各类控制器、显示控件以及分析控件。

图7 未完成程序的程序面板

1）添加一个“仿真信号”控件，将“载波频率”控件连接到其频率输入端，并将采样信息中的“每秒采样率”设置为10M、波形的采样数设置为“300k”。再将“载波幅度”控件连接到其幅度输入端，这样就实现了正弦载波信号的产生。将其输出连接到“Carrier Signal”图形显示控件用来显示载波信号。

2）再添加一个“仿真信号”控件，采样信息设置为与第一个控件相同，并将“调制频率”和“调制幅度”控件分别连接到频率和幅值输入端。

3）添加一个“Add.vi”控件和一个“Multiply.vi”控件，将第二个“仿真信号”控件的输出与“载波幅度”相加后再与第一个“仿真信号”控件的输出相乘。相乘后的输出连接到“AM Modulated Signal (Time Domain)”图形显示控件，用来显示调制后的AM信号的时域波形。4）添加一个“FFT Power Spectrum and PSD.vi”控件，将4）中相乘后的输出连接到“时间信号”输入端，并将“显示为dB”输入端设置为True。最后将控件的输出连接到“AM Modulated Signal (Frequency Domain)”图形显示控件，用来显示调制后的AM信号的频域波形。

单击运行按钮来执行VI，改变载波、调制幅值和频率取值，查看这些参数对信号幅度调制过程的影响。

2、完成FM Receiver.vi的步骤：

1）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。

2）将I/Q速率[样本数/秒]减小到200k。

3）打开频谱图中的自动模式“Auto Scale X”。

4）移动到程序框图（CTRL+E）。

5）从未完成的图形程序“Disabled Diagram”中捕捉VI并把它们放在程序框图中。

6）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。

7）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。

8）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。

9） 最后，删除进入PS/PSD VI 的VI ，并连接导数和重采样波形VI 。

10） 运行VI 。

四、结论及分析：

1.幅度调制

程序框图如下所示：

分析：我们知道AM 的数学表达式为：wt t m A S cos )]([+=。所以我们只需要将载波幅度与调制信号相加再利用乘法器将所求之和与除去幅度的载波相乘，即可得到满足要求的程序框图。

分析：载波幅度为8，调制幅度为4，不发生过调幅现象，所以得到的调制时域信号的包络变化反应的就是调制信号的波形。由频谱搬移特性，我们在调制频域信号框图中可以看见有三条脉冲，其中中间那条是载波信号的频谱，两侧是调制信号经过左右频移所得到的。

分析：逐渐减小载波幅度，当载波幅度等于调制信号幅度时，出现临界情况。

分析:继续减小载波幅度，当调制信号幅度大于载波信号幅度时，通过观察调制时域信号波形可以发现，图中的信号已经严重失真，无法反应调制信号的原始波形。此时为过调幅。

2.频率调制

由实验步骤进行编程，可以得到调频收音机的程序框图如下所示：

分析：我们所需要编写的部分为灰色方框内的部分，它属于FM解调部分。FM的解调可以参照实验指导书上的反正切法原理及实验步骤可以快速得到。

寻找USRP的IP地址：

更改计算机IP地址：

分析：寻找USRP是这个实验的关键步骤之一，我们只有找到了USRP的地址，我们才能在

前面板上显示收听频道的时域和频域波形，此次实验的USRP地址为192.168.10.3。同时，为了达到声卡匹配的目的，我们需要把计算机的通道二的IP地址改为192.168.10.8。

接收到广播后的调频收音机的前面板：

分析：收听广播的频率是90.5MHz，收听效果很好，噪声干扰比较小。

五、遇到的问题及解决方法：

1、问题：对于FM解调信号如何显示表示疑惑。

解决办法：查阅书籍，发现两个带三角的方框是移位寄存器，通过移位寄存器在while循环中传递表示成数组形式的信号。

2、问题：前面板上不能显示波形，且音响没有播放相应频率的电台。

解决办法：检查程序未发现错误，出现上述现象的原因是IP地址没有设置正确，应该将电脑中的本地连接中的IP地址改为192.168.10.*，这样做的目的是使电脑能够找到FM接收机的位置从而能够声卡匹配，播放广播。

六、扩展问题：

1、

①幅度调制中为什么要抑制载波？对于AM信号来说抑制载波的双边带信号可以增加多少功效？

答：在AM信号中，载波分量并不携带信息，但它仍占据着大部分功率，如果抑制载波分量的发送，就能够提高功率效率。

对于增加多少功效，我们不妨进行简单的数学计算：

假设载波的幅值为0A ，调制信号的幅度为m A ，那么我们可以很快能求出调制效率为： 2

^2^22^0m m AM A A A +=η 对于抑制载波的双边带信号，因为它将载波给抑制掉，所以它的调制效率为百分之百。而AM 信号调制的最大效率为31，所以功效至少增加3

2。 ②简述DSB 、SSB 、VSB 的概念和实现方式。分析并比较DSB 和SSB 的抗噪声性能。

答：双边带信号（DSB ）：抑制载波双边带信号，它是一种高调制效率的调制方式。实现方式：将调制信号与载波信号利用乘法器相乘即可得到双边带信号。

单边带信号（SSB ）：将双边带信号中的一个边带滤掉而形成。实现方式：采用滤波法或相移法。

残留边带调制（VSB ）：介于SSB 和DSB 之间的一种折中方式，它既克服了DSB 信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB 信号实现中的困难。实现方式：采用滤波法。

DSB 和SSB 的抗噪声性能比较：经计算可知，DSB 调制系统的制度增益为2，SSB 的调制系统的制度增益为1.但是这不能说明DSB 系统的抗噪性能比SSB 系统好。因为两者的输入信号功率不同、带宽不同，在相同的噪声功率谱密度条件下，输入噪声功率也不同，所以两者的输出信噪比是在不同的条件下得到的。如果我们在相同的输入信号功率，相同的输入噪声功率谱密度，相同的基带信号带宽条件下，对这两种调制方式进行比较，可以发现它们的输出信噪比是相等的。这就是说，两者的抗噪性能是相同的。

③根据已学知识简述幅度调制有哪些解调方式，它们的基本原理是什么，各有什么优缺点？ 答：解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调。

相干解调也叫同步检波。解调与调制的实质一样，均是频谱搬移。解调是调制的反过程，即把在载频位置的已调信号的谱搬回到原是基带位置，因此同样可以用相乘器与载波相乘实现。

非相干解调也叫包络检波。通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。非相干解调不需要恢复出相干载波,所以比相干解调方式要简单。

④什么是门限效应？AM 信号采用包络检波时为什么会产生门限效应？为什么相干解调不存在门限效应。

答：输出信噪比不是按比例随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，通常把这种现象称为解调器的门限效应。门限效应是由包络检波器的非线性解调作用所引起的，所以会产生门限效应。用相干解调的方法解调各种线性调制信号时不存在门限效应，原因是信号与噪声可分别进行解调，解调器输出端总是单独存在有用信号项。

2、

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：频率调制是指瞬时频率偏移随调制信号成比例变化，频偏反应了调制信号的变化形式。频偏通过影响载波的相位从而使输出的载波波形存在一定的规律从而来反映调制信号的信息，它影响FM 信号的频谱宽度。

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：音频增益调节指标、载波噪声电平。

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：

频谱中的尖峰脉冲意味着FM 接收机电路中存在着冒险，即一个信号经由不同路径传到同

一个门的输入端的时间不同导致出现竞争，从而使输出端产生尖端脉冲。

七、心得：

本次实验我们学会了labview的基本用法，以及利用labview实现幅度调制，使用USRP 发射频率调制信号并通过labview仿真收音机实现频率解调。

在实验过程中发现Labview作为一个功能强大的仿真软件，可以和很多硬件直接接口，可以将特有的功能和接口封装成子VI直接调用，大大简化了编程复杂程度，且拥有简洁明了的图形编程界面，可以说入门很容易，但因为其设计初衷本就是为大型项目服务的，所以深究很困难。

USRP集成了信号接收，频率调制，以及一系列对信号的处理，很适合我们这样的初学者使用。

八、参考文献：

[1]郭宇春. 通信系统原理[M]. 北京:科学出版社, 2012.

[2]王磊. 精通LABVIEW 8.X[M]. 北京:电子工业出版社, 2008.

[3]王根英. 通信系统原理实验[M]. 北京:北京交通大学出版社, 2010.

[4]赵蓉. 现代通信原理教程[M]. 北京:北京邮电大学出版社, 2009.

[5]樊昌信. 通信原理（第6版）[M]. 北京:国防工业出版社, 2012.