一、实验目标
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。 二、实验环境与准备
软件LabVIEW 2012（或以上版本）；
硬件NI USRP（1台）及配件。
三、实验原理
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，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1所示。 图 1 频率调制示意图
在图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：
（1.1）
式中，代表载波频率，代表调制指数，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所示：
图 2 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：
（1.2）
式中，代表载波幅度，代表调制指数，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，，k＝0，1，…，n在每个子区间上引用梯形公式，求和得复化求积公式为：
（1.3）
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：
（1.4）
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3所示。
图 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：
（1.5）
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：
（1.6）
换句话讲，
（1.7）
式中，表示载频的角频率，表示比例因子，是一个常数。
展开1.7的结果是：
（1.8）
根据正交展开，设置同向分量如下：
（1.9）
假设正交分量是：
（1.10）
对正交分量与同向分量之比值进行反正切运算，得：
（1.11）
然后，对相位差分，就可以得到调制信号为：
（1.12）
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。
四、设计过程
1、硬件连接：
用网线将USRP设备与PC机连接，如图4所示。由于调频收音机有音频输出，所以要求计算机有声卡，并且有声音播放器。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。连接USRP的电源、天线。在windows的开始菜单中All Programs\\National Instruments\\NI-USRP目录下面到NI-USRP Configuration Utility，在Change IP Address 选项卡中应该能够看到设备（包括Device ID, IP Address, Type/revi
sion)，如图5所示。如果看不到设备，请点击Find Devices来寻设备。如果需要，可以选定一个设备并且在右边New IP Address栏中输入新IP地址，点击Change IP Address来修改USRP设备的IP地址。
图4 用网线将USRP设备与PC机连接
图5 NI-USRP Configuration Utility界面
2、FM_Rx.vi设计过程：
FM收音机的原理框图如图6所示。在学生程序FM_Rx.vi中，框图中接收调频信号等模块都已经给出，FM解调部分是我们需要结合通信原理设计算法并完成的。
图6 FM收音机原理框图
改变载波频率[Hz]到要收听的广播电台，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。
将I/Q速率[样本数/秒]减小到200k。
打开频谱图中的自动模式“Auto Scale X”。
移动到程序框图（CTRL+E）。
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。
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：
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)；
去除因为反正切操作引入的在+/-180度处的信号不连续性；
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；
最后使用重采样来降低数据率以便与声卡相配。
用橙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。
删除subSound_Out_16b_mono.vi右侧的棕波形线和subResFMpleWF.vi上方的输出和移位寄存器右侧的连线。 最后，删除进入PS/PSD VI的VI，并连接导数和重采样波形VI。
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）
subComplextoPolarWF.vi 图标“”
功能：将复数向极坐标转换
位置：文件夹“FM Receiver”→“subVIs”中
subUnwrap Phase - Continuous.vi 图标“”
功能：将相位展开为连续相位
位置：文件夹“FM Receiver”→“subVIs”中
输入信号 | Input Signal | Angle（波形DBL） | 待处理的相位波形信号 |
Reset | 布尔（TRUE或FALSE） 管式热交换器原理图 | 是否重置 |
输出信号 | 喉管Phase Unwrapped | Angle（波形DBL） | 经相位连续展开的波形信号 |
| | | |
subDifferentiateContinuous.vi 图标“”
功能：对相位逐点求导
位置：文件夹“FM Receiver”→“subVIs”中
实验效果验证：
运行结果如下图9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9调频接收机的前面板
3、程序框图解释：
整体程序框图如图10所示。包含USRP编程，反正切处理，以及声卡编程三部分。
图10 FM整体程序
USRP编程部分在图11红框出，包括打开USRP接收通道，参数配置，开始采集，连续获取下变频后的基带波形数据，将读出的波形数据存入右边框出的基带IQ移位寄存器中，While循环左边对移位寄存器初始化。最后停止并关闭USRP，释放资源。
图11 USRP编程部分
基带波形的反正切处理在图12中间红框出，其中subFMDemod.vi部分程序需要我们编写。解调后波形送到时域信号显示，快速傅里叶变换PS/PSD后的波形送到频域信号显示。
图12 基带波形的反正切处理
声卡的编程在图13红框出，包括声卡参数配置，音量调节，连续向声卡缓存写入声音数据，最后对声音输出清零。
图13 声卡编程部分
五、结论及分析
对subFMDemod.vi的编程如图14所示，首先将基带复数波形向极坐标转化，然后展开相位，对相位求导，求导后的波形即解调后波形，送到时域信号显示，重采样后的信号送到声卡输出。
图14 对subFMDemod.vi的编程
设计好解调电路以后，连接USRP，运行程序，即可得到一台FM收音机。我们的收音机能够正常收听普通的电台，收听效果较好，噪声很小，可以自由调整音量大小。张力计算声音频谱范围集中在0-1kHz，符合人声音的频率范围，但在19kHz附近观测到尖峰脉冲，但不会对收听造成影响。收听时频率控制字程序面板如图15所示：
图15 FM收音机界面
六、实验扩展
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。
电话控制器
烷基叔丁基醚答：频偏就是调频波频率摆动的幅度，一般说的是最大频偏，它影响调频波的频谱带宽。但并不是说最大频偏越大，频谱带宽就一定越宽，这里面还有个调制指数的问题。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
频偏是调频波里的特有现像，是指固定的调频波频率向两侧的偏移。首先要说明的是，调频波是电磁波的一种形式，是传输图像、声音和其它有用信号的一种工具。利用调频波可以传送声音，比如调频广播；也可以传送图像，比如电视等等。利用声音信号（专业术语为音频信号）对调频波进行调制，可以使固定的调频波频率向两边偏移，当然利用图像信号（专业术语称为视频信号）也可以使固定的调频波频率向两边偏移。这就使调频波的频率产生了频偏。
2、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：a.解调时间：接收到空间中的无线电信号以后，需要电路进行解调，会产生一定的延时，可以用真正的FM收音机和USRP设备同时接收信号，比较二者播放的内容是否有时延，从而估计解调的时间；b.信噪比：解调以后的信噪比也是很重要的一个因素，直接影响收听效果，可以通过人耳直接进行判断，若音质较好，可认为信噪比满足要求，若能明显听到噪声，则解调效果不好。
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？
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。频谱中的尖峰脉冲总是在19kHz的位置，且幅度变化不大，我觉得应该是混频造成的干扰，是在降已调信号下变频时发生的，但噪声频率过高，人耳是听不到的，只能从电脑的频谱图上观测到。
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