概覽

盡管FM廣播是一種常見的技術(shù)，但有時(shí)其概念也很難理解。 本教程將探討如何使用NI LabVIEW軟件和NI USRP-2920收發(fā)器建立一個(gè)FM廣播，并對(duì)廣播調(diào)頻信號(hào)的基礎(chǔ)知識(shí)有更深入的了解。

在本練習(xí)中，您首先需要獲取和分析一個(gè)寬頻譜來(lái)定位一個(gè)電臺(tái)。然后搜索一個(gè)特定電臺(tái)，解碼并進(jìn)行收聽。然后，您就可以使用NI USRP-2920和LabVIEW，在這個(gè)過(guò)程中的每一步驟中與時(shí)域及頻域中的信號(hào)進(jìn)行交互，最大程度地提升您對(duì)概念的理解。

在完成本指南學(xué)習(xí)之后，您能夠：

·  Lo定位FM廣播電臺(tái)，并識(shí)別它們的頻譜形狀
·  確定一個(gè)電臺(tái)所需的帶寬
·  辨別解調(diào)FM收音機(jī)信號(hào)中的子載波
·  識(shí)別多線程讀寫的“流水線”設(shè)計(jì)模式

背景

FM代表頻率調(diào)制，是一種對(duì)信息信號(hào)編碼的過(guò)程，比如音樂(lè)信號(hào)等，信號(hào)的頻段為射頻頻段。  世界各地的FM廣播電臺(tái)使用從87.5 MHz至108 MHz為中心頻率的信號(hào)進(jìn)行傳輸，而每個(gè)電臺(tái)的帶寬通常為200 kHz。  在此范例中，使用的是94.7 MHz中心頻段，該地方廣播電臺(tái)的頻段靠近美國(guó)FM波段的中心頻率。

NI USRP™入門

NI USRP-2920是一個(gè)靈活的RF收發(fā)器，它能發(fā)送和接收信號(hào)。  在此范例中，RF前端配置了一個(gè)接收器，獲取用于FM廣播的10 MHz頻段的RF頻譜。

圖1. NI USRP-2920

USRP-2920通過(guò)直接連接到RX1的天線接收FM信號(hào)，然后使用兩個(gè)高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器將信號(hào)下變頻至基帶I/Q和采樣點(diǎn)。  I/Q代表同相（I）和正交（Q），方便用來(lái)創(chuàng)造一個(gè)相當(dāng)于RF頻段的信號(hào)的基帶（頻率較低）。  由此產(chǎn)生的I/Q采樣點(diǎn)通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口發(fā)送至PC，并在LabVIEW中進(jìn)行信號(hào)處理。

圖2. Find FM Signals.vi上顯示FM電臺(tái)

現(xiàn)在，你需要LabVIEW虛擬儀器或VI來(lái)處理I/Q采樣點(diǎn)。 您可以使用虛擬儀器自定義USRP-2920的前面板或用戶界面。圖2為FM波段的平均光譜。  圖中的每一個(gè)高峰代表當(dāng)?shù)匾患译娕_(tái)。  圖3中放大了94.7 MHz，你可以看到這個(gè)電臺(tái)所占用的頻譜。

圖3. FM94.7 FM 200 kHz帶寬

如果RF信號(hào)僅僅是一個(gè)94.7 MHz的單頻的音調(diào)，它在這里會(huì)顯示為一個(gè)很窄的尖峰。  但是可以看到該廣播站的RF能量在多個(gè)頻率上傳播。  因?yàn)檫@是大約為200kHz信號(hào)帶寬，它包含了頻率調(diào)制后的音頻（以及一些下文將要探討的其他信息）。  要提取音頻，您需要使用一個(gè)不同的VI來(lái)配置USRP-2920，從而獲取該電臺(tái)發(fā)出的較窄的頻段的RF信號(hào)廣播并進(jìn)行解調(diào)。

解調(diào)FM廣播

FM Deod聲卡VI的RX頻率設(shè)定為94.7兆赫，I/Q采樣率為200 kS/s，以及增益為25 dB。  根據(jù)正在使用的電臺(tái)和天線的不同，配置也會(huì)有所不同。 一旦配置完成，VI便開始運(yùn)行。

圖4. 使用FM Demod Sound Card.vi解調(diào)FM廣播

在此VI中，可以看到正在播放音樂(lè)的時(shí)域及頻域信息。 現(xiàn)在，我們來(lái)研究如何提取音頻。  同第一個(gè)范例一樣，首先進(jìn)入LabVIEW的樣本是代表復(fù)數(shù)的原始基帶I/Q信號(hào)。  憑借LabVIEW調(diào)制工具包，F(xiàn)M可以解調(diào)I/Q信號(hào)。  當(dāng)音頻采樣恢復(fù)并低于44.1 kHz之后, 界面上方可以顯示時(shí)域波形。  界面下方顯示FM解調(diào)信號(hào)的頻譜。調(diào)制之后可以清楚地看到，很多頻譜在一起組成了一個(gè)單一的FM信號(hào)。  盡管信號(hào)不斷變化，仍可以發(fā)現(xiàn)一些固定模式。 根據(jù)均方根（RMS）平均數(shù)，能夠確定信號(hào)常用形狀。

打開附帶的視頻,查看和收聽運(yùn)行這個(gè)VI的結(jié)果。

特別是在檢查VI的程序框圖時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)三行鮮明的圖??標(biāo)。  每一行都是一個(gè)處理步驟，其生成的結(jié)果用于下一行的下一次循環(huán)處理。 將一個(gè)串行任務(wù)分割成多個(gè)在之后循環(huán)中運(yùn)行的并行任務(wù)的過(guò)程稱為流水線。 從While循環(huán)頂部第一行圖標(biāo)開始初始化并從USRP-2920獲取I/Q信號(hào)。在while循環(huán)過(guò)程中，對(duì)FM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并重采樣為音頻。  while循環(huán)底部第三行圖標(biāo)不斷將恢復(fù)的音頻輸出至聲卡。  流水線可以確保VI有效地將數(shù)據(jù)傳輸全部通過(guò)三個(gè)處理步驟。（請(qǐng)注意，流水線有一定的時(shí)間延遲；一個(gè)信號(hào)從天線獲取并通過(guò)該系統(tǒng)再作為音頻回放需要兩個(gè)完整的循環(huán)。）

圖5. 在LabVIEW中解調(diào)的FM廣播程序框圖

分析解調(diào)FM廣播信號(hào)

該FM解調(diào)信號(hào)明顯的形狀在全球大多數(shù)電臺(tái)中非常常見。 為了詮釋圖片中的更多含義，你可以使用光標(biāo)進(jìn)一步說(shuō)明信號(hào)的不同部分。
 

圖6. 啟用光標(biāo)，顯示解調(diào)FM電臺(tái)組件

圖6中的第一部分一直到紅線左側(cè)的部分由左右音頻組成，可作為單聲道音頻播放。  仔細(xì)觀察這部分的信號(hào)可以看到一個(gè)頻率偏差15 kHz的漂亮框圖。 這相當(dāng)于肉耳可以聽到的實(shí)際音頻頻率。 在無(wú)線電接收器上采用19kHz的試點(diǎn)音，可用來(lái)恢復(fù)立體聲音頻以及其他信息。 使用位于試點(diǎn)音后的信息可以恢復(fù)立體聲音頻。 左聲道減去右聲道，使用AM抑制載波調(diào)制立體聲音頻數(shù)據(jù)。 一旦信號(hào)使用19 kHz載波器經(jīng)AM解調(diào)后，在單聲道信號(hào)上添加此信息會(huì)產(chǎn)生左聲道音頻，從單聲道信號(hào)中減去此信息會(huì)產(chǎn)生右聲道音頻。  立體聲部分之后是兩個(gè)57 kHz的高峰，包含用來(lái)顯示廣播電臺(tái)RDS文本信息以及許多現(xiàn)代汽車音響上的流行歌曲。一些電臺(tái)在高清廣播上采用剩余的頻譜，通常播出頻率大約為76 kHz。

結(jié)論

每個(gè)廣播FM電臺(tái)占用200kHz的帶寬，并且在解調(diào)時(shí)包含許多不同的子組件。 然而，這篇簡(jiǎn)短的教程只能讓您略知一二。 剛開始使用這些VI，您可以重建立體聲音頻，甚至可以解碼RDS子載波。  USRP-2920和LabVIEW為探索FM廣播和其他模擬及數(shù)字調(diào)制方案的基礎(chǔ)知識(shí)提供了一個(gè)理想的解決方案。 除了其教育方面的優(yōu)勢(shì)，該解決方案還是一個(gè)有價(jià)值的研究工具。