RF無線電廣播的詳解介紹教程

盡管FM廣播是一種常見的技術，但有時其概念也很難理解。 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FM廣播，并對廣播調頻信號的基礎知識有更深入的了解。

在本練習中，您首先需要獲取和分析一個寬頻譜來定位一個電臺。然后搜索一個特定電臺，解碼并進行收聽。然后，您就可以使用NI USRP-2920和LabVIEW，在這個過程中的每一步驟中與時域及頻域中的信號進行交互，最大程度地提升您對概念的理解。

在完成本指南學習之后，您能夠：

· Lo定位FM廣播電臺，并識別它們的頻譜形狀

· 確定一個電臺所需的帶寬

· 辨別解調FM收音機信號中的子載波

· 識別多線程讀寫的“流水線”設計模式

背景

FM代表頻率調制，是一種對信息信號編碼的過程，比如音樂信號等，信號的頻段為射頻頻段。 世界各地的FM廣播電臺使用從87.5 MHz至108 MHz為中心頻率的信號進行傳輸，而每個電臺的帶寬通常為200 kHz。 在此范例中，使用的是94.7 MHz中心頻段，該地方廣播電臺的頻段靠近美國FM波段的中心頻率。

NI USRP?入門

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

圖1. NI USRP-2920

USRP-2920通過直接連接到RX1的天線接收FM信號，然后使用兩個高速模擬-數字轉換器將信號下變頻至基帶I/Q和采樣點。 I/Q代表同相（I）和正交（Q），方便用來創(chuàng)造一個相當于RF頻段的信號的基帶（頻率較低）。 由此產生的I/Q采樣點通過千兆以太網接口發(fā)送至PC，并在LabVIEW中進行信號處理。

圖2. Find FM Signals.vi上顯示FM電臺

現在，你需要LabVIEW虛擬儀器或VI來處理I/Q采樣點。 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。 圖中的每一個高峰代表當地一家電臺。 圖3中放大了94.7 MHz，你可以看到這個電臺所占用的頻譜。

圖3. FM94.7 FM 200 kHz帶寬

如果RF信號僅僅是一個94.7 MHz的單頻的音調，它在這里會顯示為一個很窄的尖峰。 但是可以看到該廣播站的RF能量在多個頻率上傳播。 因為這是大約為200kHz信號帶寬，它包含了頻率調制后的音頻（以及一些下文將要探討的其他信息）。 要提取音頻，您需要使用一個不同的VI來配置USRP-2920，從而獲取該電臺發(fā)出的較窄的頻段的RF信號廣播并進行解調。

解調FM廣播

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

圖4. 使用FM Demod Sound Card.vi解調FM廣播

在此VI中，可以看到正在播放音樂的時域及頻域信息。 現在，我們來研究如何提取音頻。 同第一個范例一樣，首先進入LabVIEW的樣本是代表復數的原始基帶I/Q信號。 憑借LabVIEW調制工具包，FM可以解調I/Q信號。 當音頻采樣恢復并低于44.1 kHz之后， 界面上方可以顯示時域波形。 界面下方顯示FM解調信號的頻譜。調制之后可以清楚地看到，很多頻譜在一起組成了一個單一的FM信號。 盡管信號不斷變化，仍可以發(fā)現一些固定模式。 根據均方根（RMS）平均數，能夠確定信號常用形狀。

打開附帶的視頻，查看和收聽運行這個VI的結果

特別是在檢查VI的程序框圖時，可以發(fā)現三行鮮明的圖標。 每一行都是一個處理步驟，其生成的結果用于下一行的下一次循環(huán)處理。 將一個串行任務分割成多個在之后循環(huán)中運行的并行任務的過程稱為流水線。 從While循環(huán)頂部第一行圖標開始初始化并從USRP-2920獲取I/Q信號。在while循環(huán)過程中，對FM信號進行解調并重采樣為音頻。 while循環(huán)底部第三行圖標不斷將恢復的音頻輸出至聲卡。 流水線可以確保VI有效地將數據傳輸全部通過三個處理步驟。（請注意，流水線有一定的時間延遲；一個信號從天線獲取并通過該系統(tǒng)再作為音頻回放需要兩個完整的循環(huán)。）

圖5. 在LabVIEW中解調的FM廣播程序框圖

分析解調FM廣播信號

該FM解調信號明顯的形狀在全球大多數電臺中非常常見。 為了詮釋圖片中的更多含義，你可以使用光標進一步說明信號的不同部分。

圖6. 啟用光標，顯示解調FM電臺組件

圖6中的第一部分一直到紅線左側的部分由左右音頻組成，可作為單聲道音頻播放。 仔細觀察這部分的信號可以看到一個頻率偏差15 kHz的漂亮框圖。 這相當于肉耳可以聽到的實際音頻頻率。 在無線電接收器上采用19kHz的試點音，可用來恢復立體聲音頻以及其他信息。 使用位于試點音后的信息可以恢復立體聲音頻。 左聲道減去右聲道，使用AM抑制載波調制立體聲音頻數據。 一旦信號使用19 kHz載波器經AM解調后，在單聲道信號上添加此信息會產生左聲道音頻，從單聲道信號中減去此信息會產生右聲道音頻。 立體聲部分之后是兩個57 kHz的高峰，包含用來顯示廣播電臺RDS文本信息以及許多現代汽車音響上的流行歌曲。一些電臺在高清廣播上采用剩余的頻譜，通常播出頻率大約為76 kHz。

結論

每個廣播FM電臺占用200kHz的帶寬，并且在解調時包含許多不同的子組件。 然而，這篇簡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字調制方案的基礎知識提供了一個理想的解決方案。 除了其教育方面的優(yōu)勢，該解決方案還是一個有價值的研究工具。