系统功能
- 本系统用于数字信号处理以及通信原理的实验课程教学
- 本系统定时采集本地的部分调频波段无线电信号，处理后上传以下数据至教学用Web服务器
- 信号频谱及幅频光谱动态图
- FM解调后信号的频谱及幅频光谱动态图
- 解调后的单声道的音频文件
- FM波段所采集的原始波形I/Q文件
- 提供用无线电信号抽取滤波和FM解调的 Matlab 参考代码
- 学生在参考代码的基础上，添加其他附加的信号分析和处理的功能
系统结构
本系统构成如下
- 天线部分：接收FM波段信号
- USRP b210 采集卡
- 用于算法部分的实验教学
- 系统试运行阶段的电波采集设备，用于先期设计迭代阶段构建原型系统，确定信号处理算法功能
- Zynq FPGA + AD9361 采集系统
- 用于FPGA信号处理电路设计部分的实验教学
- 当系统完成设计迭代，功能确定后 ，将功能固化至 Zynq FPGA
- 嵌入式上位机
- 对信号采集系统生成的信号数据进行分析，生成相关的数据文件
- 将相关数据文件上传至Web服务器
系统软硬件结构
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信号格式
我国的FM系统的调制频偏为150KHz，分布在 87MHz ~ 107.9MHz 的频段，频道分配以100KHz为单位进行规划
- 实际应用中的FM系统是一个二次调制系统
- 各种信号成分首先被调制成一个MPX信号
- MPX信号再进行FM调制，形成最终的发射信号
MPX 是一个复合信号，其中包括了单声道（0-15KHz）、导频（19KHz）、立体声副载波（中心频率38KHz）、广播数据（中心频率57KHz）
- 如果是单声道广播，则只有 L+R
- 如果是立体声广播，则有 L+R 、 导频、L-R
- 带有数据广播的信号，还会有RDS成分
MPX的信号频域成分图见下图
调频 MPX 信号的频域信号成分
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参考资料
信号流图
本系统中信号采集硬件的信号流图如下
- 电磁波经天线耦合后，首先进入可变增益放大器（VGA）进行放大
- 本地振荡器产生正交载波，经混频器下变频至基带IQ信号
- 基带IQ信号经低通滤波并由模数转换器ADC采样后得到数字化的基带IQ信号
硬件部分信号流图
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本实验提供的Matlab仿真参考代码信号流图如下
- 基带IQ信号经过5级半带抽取滤波器后，采样率降至192KHz
- 对192KSPS的FM信号进行解调频，具体操作为，复数求幅角，幅角去回绕，再求差分
- 此时得到采样率为192KSPS的调频立体声MPX信号，频域成分为L+R，导频，副载波调制的L-R
- 对MPX信号进行2级半带抽取滤波，得到采样率为48KHz的单声道MONO信号
- 此时的MONO音频信号尚未进行50us的音频去加重处理，但是已经可以收听其内容
参考代码仿真软件信号流图
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信号分析
射频信号频谱
射频信号频谱
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射频幅频光谱图
射频幅频光谱图
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FM解调后 MPX信号频谱
FM解调后 MPX信号频谱
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FM解调后 MPX信号幅频光谱图
FM解调后 MPX信号 幅频光谱图
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MPX信号解调后的单声道音频（未做去加重滤波）
Matlab 信号处理的参考代码
- 生成 正弦波信号并且观察波形和FFT频谱 时频光谱图
- 生成 多音（Multi-Tone）正弦波信号，观察波形和FFT频谱 时频光谱图
- 生成 频率阶跃的正弦波信号并观察波形、FFT频谱和时频光谱图
- 设计 FIR滤波器观察频响
- 生成 多音正弦，用FIR滤波器对多音正弦波信号滤波，观察时域波形和FFT频谱
- Matlab 代码 点击下载
FM波形采集数据及FM解调参考代码
- FM IQ信号下载，时长 5秒，16比特 Little Endian
- 采样率、中心频率、见上文射频信号频谱图
- 抽取滤波及FM解调 Matlab 代码 点击下载
FM 技术的应用领域
无线声音广播覆盖
无线电太空通联
- 中国天宫空间站问天实验舱搭载业余无线电有效载荷
- 为全球业余无线电爱好者提供服务，可以与航天员联系或相互通信。
- 同时还将激发学生追求科学、技术、工程和数学方面的兴趣，并鼓励更多人对业余无线电产生兴趣。
- 延伸阅读： 点击 国际业余无线电联盟IARU批准的频率
遥测通信
- 航天器高速进入大气层时，周围气体温度迅速升高（可达几千甚至上万度），
- 导致气体分子离解和电离，使航天器周围形成一个由电子、正负离子和中性粒子组成的“等离子鞘”。
- 等离子鞘会对无线电波产生严重的频率选择性衰落，这种衰落被称为“通信黑障”
- FM调制技术是一种常用的对抗黑障的通信技术
- 延伸阅读：参考文献， 点击 再入遥测环境下的 PCM/FM信号 软解调研究
