利用ADALM PLUTO實現AM發射接收

李燕 曲毅 劉可心

【摘要】? ? 傳統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用到一個真正的通信系統。鑒于此，采用軟件無線電設計無線通信收發系統，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，加深了學生對整體通信鏈路的直觀認識。

【關鍵詞】? ? 軟件無線電? ? AM發射接收? ? 包絡檢波法? ? ?相干解調

引言：

通信原理課程是電子信息工程專業的一門核心專業課程，承擔著從一般基礎理論到實踐應用，從單元功能到整體系統的重要過渡。傳統的《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，學生缺乏實際的通信系統感知。

軟件無線電通信是無線通信系統和計算機技術結合的產物，基本思想是在統一硬件平臺上， 通過軟件編程的方式，靈活地實現各類通信功能，用軟件編程技術來改變固定傳統的“純硬件電路”技術。隨著信息與通信技術的發展，軟件無線電已廣泛應用于通信、軍事等領域。而在通信原理實驗中，利用軟件無線電可以設計基于調制解調、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計無線通信收發系統，以AM信號為例，運用軟件無線電平臺實現不抑制載波的（AM-DSB-TC）和抑制載波的（AM-DSB-SC）信號的發射和接收解調，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工程，對整體的通信鏈路有更加直觀的認識。

一、AM調制解調原理

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表示為幾個正弦分量的和，因此，本文AM調制、解調原理以單音信號為例進行闡述。

1.1 AM-DSB-TC調制解調原理

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

（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。

調制過程產生了三個正弦項，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信號的包絡與原始信號Si（t）的形狀完全相同，利用包絡檢波法可以檢出信息包絡線得到：S0（t）=A0+Si（t），去除直流分量后就可以解調出原始信號Si（t）。

1.2 AM-DSB-SC調制解調原理

原始信息信號與載波混頻產生了AM-DSB-SC信號。其數學表達式為：

（2）

調制過程產生了兩個正弦項，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線，在接收端需要運用相干解調法把信息還原。所謂相干解調法是指在接收端提供一個與調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。相干解調要求解調時的信號和相位與載波完全匹配，但大多數情況下發射機和接收機中的載波發生器是物理隔離的，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制、解調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[3]。

二、系統設計

本文搭建的軟件無線電平臺由ADALM PLUTO硬件設備和MATLAB Simulink軟件環境組成。在發射端，Simulink搭建一個AM調制模型，使用PLUTO上變頻到一個載波上，通過天線發射出去。在接收端，PLUTO接收到射頻信號通過下變頻變為基帶信號，信號采樣值經過USB接口輸出到計算機，再用Simulink進行解調、解碼。文章針對AM發射解調原理的不同實現了兩種系統設計。

2.1 AM-DSB-TC信號發射接收

AM-DSB-TC信號具有明顯的信息包絡線，接收端本文運用包絡檢波法解調。

發送端設計如圖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]。經過第一次重采樣，將信號采樣速率由48kHz上升到120kHz;經過第二次重采樣，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，本文直流分量值設置為0.05。

4.通過 transmitter模塊設置載波中心頻率fc（設為433MHZ）和增益，由PLUTO發射出去。

接收端設計如圖2所示：

1.中心頻率設置。PLUTO接收到信號，首先會在硬件內部把射頻信號下變頻到復數基帶。如果正好調諧到AM信號的中心頻率上，那么設備輸出的基帶信號就是原始的信息信號在基帶時的樣子，直接包絡檢波即可。如果不能正好調諧到AM的RF載波上，設備輸出的基帶信號數據仍然是一個AM信號，只不過現在的載波頻率很低，可能非常接近0HZ。要使包絡檢波器正常工作，載波必須是高頻的并產生信息包絡線。因此，我們可以引入一個頻率偏移，軟件無線電調諧得比AM信號的中心頻率低一些，AM信號便可以實現非相干解調，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，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。根據這個思想，如果發射一個載波中心頻率為fc的信號，在接收側可以把設備調諧到（fc-foffset）Hz處，本文foffset設為40kHz。

2.濾波。允許通過的頻率設定為25kHz-55kHz。

3.整流。傳統的包絡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。解調解碼的數據轉換為音頻信息輸出，頻譜圖如圖3所示。

2.2 AM-DSB-SC信號發射接收

發送端設計如圖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PLUTO硬件采樣率的要求，對信號進行兩次重采樣由48kHz變為240kHz。

3.通過 transmitter模塊設置載波中心頻率fc（設為433MHZ）和增益，由PLUTO發射出去。

接收端設計如圖5所示：

1.中心頻率設置。本文設foffset為40kHz，射頻增益為50。

2.使用costas環完成載波同步。costas環鎖定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，變為基帶信號速率48kHZ。

4.音頻輸出。解調解碼的數據轉換為音頻信息輸出，頻譜圖如圖6所示。

三、結束語

軟件無線電技術擁有先進的設計理念，學生能夠在實驗室的環境下快速構建并驗證自行設計的通信系統，而不必擔心復雜的模擬前端及射頻電路設計問題，使學生對通信系統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調幅包絡檢波和相干解調性能設計與比較.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研究[D].山西：中北大學，2020.