利用ADALM PLUTO實現(xiàn)AM發(fā)射接收

李燕 曲毅 劉可心

【摘要】? ? 傳統(tǒng)的通信原理實驗教學以通信實驗箱和計算機仿真模式為主，學生難以將學到的理論知識迅速應(yīng)用到一個真正的通信系統(tǒng)。鑒于此，采用軟件無線電設(shè)計無線通信收發(fā)系統(tǒng)，以AM信號為例，運用ADALM PLUTO和MATLAB Simulink分別搭建了AM-DSB-TC和AM-DSB-SC無線通信系統(tǒng)，加深了學生對整體通信鏈路的直觀認識。

【關(guān)鍵詞】? ? 軟件無線電? ? AM發(fā)射接收? ? 包絡(luò)檢波法? ? ?相干解調(diào)

引言：

通信原理課程是電子信息工程專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，承擔著從一般基礎(chǔ)理論到實踐應(yīng)用，從單元功能到整體系統(tǒng)的重要過渡。傳統(tǒng)的《通信原理》實驗教學主要采用通信實驗箱和計算機仿真模式[1]。實驗箱教學設(shè)備功能單一、固定，只能完成特定實驗教學;計算機仿真教學缺少配套的硬件系統(tǒng)，學生缺乏實際的通信系統(tǒng)感知。

軟件無線電通信是無線通信系統(tǒng)和計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，基本思想是在統(tǒng)一硬件平臺上， 通過軟件編程的方式，靈活地實現(xiàn)各類通信功能，用軟件編程技術(shù)來改變固定傳統(tǒng)的“純硬件電路”技術(shù)。隨著信息與通信技術(shù)的發(fā)展，軟件無線電已廣泛應(yīng)用于通信、軍事等領(lǐng)域。而在通信原理實驗中，利用軟件無線電可以設(shè)計基于調(diào)制解調(diào)、信道編解碼、信道均衡等核心模塊的通信鏈路[2]。

本文采用軟件無線電設(shè)計無線通信收發(fā)系統(tǒng)，以AM信號為例，運用軟件無線電平臺實現(xiàn)不抑制載波的（AM-DSB-TC）和抑制載波的（AM-DSB-SC）信號的發(fā)射和接收解調(diào)，在實驗中學生繞過模擬前端和射頻問題，能夠接觸到實際的無線系統(tǒng)工程，對整體的通信鏈路有更加直觀的認識。

一、AM調(diào)制解調(diào)原理

AM最基本的形式是把原始信息與載波混頻，把原始信息信號從基帶上搬移到載波頻率，產(chǎn)生一個在頻譜上有雙邊帶的信號，因此又叫作雙邊帶（AM-DSB）調(diào)制。它有兩種不同的形式：不抑制載波的（AM-DSB-TC）和抑制載波的（AM-DSB-SC）。

任何基帶信號都可以用傅立葉級數(shù)表示為幾個正弦分量的和，因此，本文AM調(diào)制、解調(diào)原理以單音信號為例進行闡述。

1.1 AM-DSB-TC調(diào)制解調(diào)原理

原始信息信號和直流分量加在一起與載波混頻產(chǎn)生了AM-DSB-TC信號。其數(shù)學表達式為：

（1）

其中，A0為直流分量;Si（t）是原始信號信息;Sc（t）為載波信號。

調(diào)制過程產(chǎn)生了三個正弦項，一個頻率是fc-fi，另一個頻率是fc+fi以及載波分量fc，兩個頻率分量以fc為中心對稱。同理，任何基帶信號的邊帶也是以fc為中心對稱的。

當滿足|Si（t）|max≤A0條件時，AM信號的包絡(luò)與原始信號Si（t）的形狀完全相同，利用包絡(luò)檢波法可以檢出信息包絡(luò)線得到：S0（t）=A0+Si（t），去除直流分量后就可以解調(diào)出原始信號Si（t）。

1.2 AM-DSB-SC調(diào)制解調(diào)原理

原始信息信號與載波混頻產(chǎn)生了AM-DSB-SC信號。其數(shù)學表達式為：

（2）

調(diào)制過程產(chǎn)生了兩個正弦項，一個頻率是fc-fi，另一個頻率是fc+fi，兩個頻率分量以fc為中心對稱，任何基帶信號的邊帶也是以fc為中心對稱的。

AM-DSB-SC信號的生成很簡單，但是因為缺乏信息包絡(luò)線，在接收端需要運用相干解調(diào)法把信息還原。所謂相干解調(diào)法是指在接收端提供一個與調(diào)制時的載波的頻率和相位完全相同的正弦波。正弦波與接收到的信號混頻（相乘），把信號從載波頻率搬移回基帶。相干解調(diào)要求解調(diào)時的信號和相位與載波完全匹配，但大多數(shù)情況下發(fā)射機和接收機中的載波發(fā)生器是物理隔離的，沒有共同的參考源，且載波振蕩器因為元器件誤差和信道傳播過程中相位和頻率的誤差影響使得調(diào)制、解調(diào)使用的正弦波的頻率和相位不可能完全相同，存在頻率誤差的問題，因此需要做載波同步，常用的載波同步方法有costas環(huán)[3]。

二、系統(tǒng)設(shè)計

本文搭建的軟件無線電平臺由ADALM PLUTO硬件設(shè)備和MATLAB Simulink軟件環(huán)境組成。在發(fā)射端，Simulink搭建一個AM調(diào)制模型，使用PLUTO上變頻到一個載波上，通過天線發(fā)射出去。在接收端，PLUTO接收到射頻信號通過下變頻變?yōu)榛鶐盘?，信號采樣值?jīng)過USB接口輸出到計算機，再用Simulink進行解調(diào)、解碼。文章針對AM發(fā)射解調(diào)原理的不同實現(xiàn)了兩種系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 AM-DSB-TC信號發(fā)射接收

AM-DSB-TC信號具有明顯的信息包絡(luò)線，接收端本文運用包絡(luò)檢波法解調(diào)。

發(fā)送端設(shè)計如圖1所示：

1.導入基帶音頻信號。本文選擇的基帶信號采樣率為48kHZ，頻率分量集中在0-15 kHz。

2.重采樣、濾波。PLUTO硬件采樣率為65.2KSPS-61.44MSPS，遠遠高于基帶信號的采樣率，因此需要對信號上采樣[4]。經(jīng)過第一次重采樣，將信號采樣速率由48kHz上升到120kHz;經(jīng)過第二次重采樣，將信號采樣速率上升到240 kHz，滿足PLUTO硬件采樣速率要求。

3.加入直流分量，本文直流分量值設(shè)置為0.05。

4.通過 transmitter模塊設(shè)置載波中心頻率fc（設(shè)為433MHZ）和增益，由PLUTO發(fā)射出去。

接收端設(shè)計如圖2所示：

1.中心頻率設(shè)置。PLUTO接收到信號，首先會在硬件內(nèi)部把射頻信號下變頻到復(fù)數(shù)基帶。如果正好調(diào)諧到AM信號的中心頻率上，那么設(shè)備輸出的基帶信號就是原始的信息信號在基帶時的樣子，直接包絡(luò)檢波即可。如果不能正好調(diào)諧到AM的RF載波上，設(shè)備輸出的基帶信號數(shù)據(jù)仍然是一個AM信號，只不過現(xiàn)在的載波頻率很低，可能非常接近0HZ。要使包絡(luò)檢波器正常工作，載波必須是高頻的并產(chǎn)生信息包絡(luò)線。因此，我們可以引入一個頻率偏移，軟件無線電調(diào)諧得比AM信號的中心頻率低一些，AM信號便可以實現(xiàn)非相干解調(diào)，要求頻率偏移在0<foffset<fs/2（foffset為頻率偏移，fs為采樣頻率）范圍內(nèi)，那么軟件無線電最終輸出的基帶信號算是一個中頻信號，頻率是foffset。根據(jù)這個思想，如果發(fā)射一個載波中心頻率為fc的信號，在接收側(cè)可以把設(shè)備調(diào)諧到（fc-foffset）Hz處，本文foffset設(shè)為40kHz。

2.濾波。允許通過的頻率設(shè)定為25kHz-55kHz。

3.整流。傳統(tǒng)的包絡(luò)檢波器采用半波整流和全波整流電路然后進入低通濾波器解調(diào)出音頻信號[5]，本文采用取信號模值完成全波整流。

4.抽取濾波。通過抽取濾波器取出基帶信號[6]，并將將采樣速率降低5倍達到48kHz。

5.音頻輸出。解調(diào)解碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音頻信息輸出，頻譜圖如圖3所示。

2.2 AM-DSB-SC信號發(fā)射接收

發(fā)送端設(shè)計如圖4所示：

1.導入基帶音頻信號，基帶信號頻率為48kHz。2.重采樣。根據(jù)PLUTO硬件采樣率的要求，對信號進行兩次重采樣由48kHz變?yōu)?40kHz。

3.通過 transmitter模塊設(shè)置載波中心頻率fc（設(shè)為433MHZ）和增益，由PLUTO發(fā)射出去。

接收端設(shè)計如圖5所示：

1.中心頻率設(shè)置。本文設(shè)foffset為40kHz，射頻增益為50。

2.使用costas環(huán)完成載波同步。costas環(huán)鎖定AM-DSB-SC信號的載波，并生成一個本地載波，頻率和相位與調(diào)制載波一樣，本地載波與接收到的信號相乘，就可以還原音頻信息。

3.抽取濾波。將采樣速率降低5倍，變?yōu)榛鶐盘査俾?8kHZ。

4.音頻輸出。解調(diào)解碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音頻信息輸出，頻譜圖如圖6所示。

三、結(jié)束語

軟件無線電技術(shù)擁有先進的設(shè)計理念，學生能夠在實驗室的環(huán)境下快速構(gòu)建并驗證自行設(shè)計的通信系統(tǒng)，而不必擔心復(fù)雜的模擬前端及射頻電路設(shè)計問題，使學生對通信系統(tǒng)有了更加深入的認識，加深了對通信理論知識的理解。

參? 考? 文? 獻

[1] 傅志中，李曉峰，曹永勝等.通信原理實驗教學改革與探索.實驗室研究與探索.2020，39（05），156-159.

[2] 楊宇紅，袁焱，田礫.通信原理實驗教程.清華大學出版社，2015.

[3]STEWART R W，BARLEE K W，ATKINSON D S W. Software Defined Radio using MATLAB&Simulink and the RTL-SDR[M].Strathclyde? Academic? Media，2015.

[4] 方燕燕. 基于FPGA的信道化接收機理論與實現(xiàn)研究[D].成都：電子科技大學，2008.

[5] 池佳豪，何紫薇，陳夢陽等. 基于MATLAB調(diào)幅包絡(luò)檢波和相干解調(diào)性能設(shè)計與比較.電子制作.2019（09）.

[6] 柴晉強.基于USRP的U/V段無線電信號頻譜檢測系統(tǒng)研究[D].山西：中北大學，2020.