利用ADALM PLUTO实现AM发射接收

李燕 曲毅 刘可心

【摘要】    传统的通信原理实验教学以通信实验箱和计算机仿真模式为主，学生难以将学到的理论知识迅速应用到一个真正的通信系统。鉴于此，采用软件无线电设计无线通信收发系统，以AM信号为例，运用ADALM PLUTO和MATLAB Simulink分别搭建了AM-DSB-TC和AM-DSB-SC无线通信系统，加深了学生对整体通信链路的直观认识。

【关键词】    软件无线电    AM发射接收    包络检波法     相干解调

引言：

通信原理课程是电子信息工程专业的一门核心专业课程，承担着从一般基础理论到实践应用，从单元功能到整体系统的重要过渡。传统的《通信原理》实验教学主要采用通信实验箱和计算机仿真模式[1]。实验箱教学设备功能单一、固定，只能完成特定实验教学;计算机仿真教学缺少配套的硬件系统，学生缺乏实际的通信系统感知。

软件无线电通信是无线通信系统和计算机技术结合的产物，基本思想是在统一硬件平台上， 通过软件编程的方式，灵活地实现各类通信功能，用软件编程技术来改变固定传统的“纯硬件电路”技术。随着信息与通信技术的发展，软件无线电已广泛应用于通信、军事等领域。而在通信原理实验中，利用软件无线电可以设计基于调制解调、信道编解码、信道均衡等核心模块的通信链路[2]。

本文采用软件无线电设计无线通信收发系统，以AM信号为例，运用软件无线电平台实现不抑制载波的（AM-DSB-TC）和抑制载波的（AM-DSB-SC）信号的发射和接收解调，在实验中学生绕过模拟前端和射频问题，能够接触到实际的无线系统工程，对整体的通信链路有更加直观的认识。

一、AM调制解调原理

AM最基本的形式是把原始信息与载波混频，把原始信息信号从基带上搬移到载波频率，产生一个在频谱上有双边带的信号，因此又叫作双边带（AM-DSB）调制。它有两种不同的形式：不抑制载波的（AM-DSB-TC）和抑制载波的（AM-DSB-SC）。

任何基带信号都可以用傅立叶级数表示为几个正弦分量的和，因此，本文AM调制、解调原理以单音信号为例进行阐述。

1.1 AM-DSB-TC调制解调原理

原始信息信号和直流分量加在一起與载波混频产生了AM-DSB-TC信号。其数学表达式为：

（1）

其中，A0为直流分量;Si（t）是原始信号信息;Sc（t）为载波信号。

调制过程产生了三个正弦项，一个频率是fc-fi，另一个频率是fc+fi以及载波分量fc，两个频率分量以fc为中心对称。同理，任何基带信号的边带也是以fc为中心对称的。

当满足|Si（t）|max≤A0条件时，AM信号的包络与原始信号Si（t）的形状完全相同，利用包络检波法可以检出信息包络线得到：S0（t）=A0+Si（t），去除直流分量后就可以解调出原始信号Si（t）。

1.2 AM-DSB-SC调制解调原理

原始信息信号与载波混频产生了AM-DSB-SC信号。其数学表达式为：

（2）

调制过程产生了两个正弦项，一个频率是fc-fi，另一个频率是fc+fi，两个频率分量以fc为中心对称，任何基带信号的边带也是以fc为中心对称的。

AM-DSB-SC信号的生成很简单，但是因为缺乏信息包络线，在接收端需要运用相干解调法把信息还原。所谓相干解调法是指在接收端提供一个与调制时的载波的频率和相位完全相同的正弦波。正弦波与接收到的信号混频（相乘），把信号从载波频率搬移回基带。相干解调要求解调时的信号和相位与载波完全匹配，但大多数情况下发射机和接收机中的载波发生器是物理隔离的，没有共同的参考源，且载波振荡器因为元器件误差和信道传播过程中相位和频率的误差影响使得调制、解调使用的正弦波的频率和相位不可能完全相同，存在频率误差的问题，因此需要做载波同步，常用的载波同步方法有costas环[3]。

二、系统设计

本文搭建的软件无线电平台由ADALM PLUTO硬件设备和MATLAB Simulink软件环境组成。在发射端，Simulink搭建一个AM调制模型，使用PLUTO上变频到一个载波上，通过天线发射出去。在接收端，PLUTO接收到射频信号通过下变频变为基带信号，信号采样值经过USB接口输出到计算机，再用Simulink进行解调、解码。文章针对AM发射解调原理的不同实现了两种系统设计。

2.1 AM-DSB-TC信号发射接收

AM-DSB-TC信号具有明显的信息包络线，接收端本文运用包络检波法解调。

发送端设计如图1所示：

1.导入基带音频信号。本文选择的基带信号采样率为48kHZ，频率分量集中在0-15 kHz。

2.重采样、滤波。PLUTO硬件采样率为65.2KSPS-61.44MSPS，远远高于基带信号的采样率，因此需要对信号上采样[4]。经过第一次重采样，将信号采样速率由48kHz上升到120kHz;经过第二次重采样，将信号采样速率上升到240 kHz，满足PLUTO硬件采样速率要求。

3.加入直流分量，本文直流分量值设置为0.05。

4.通过 transmitter模块设置载波中心频率fc（设为433MHZ）和增益，由PLUTO发射出去。

接收端设计如图2所示：

1.中心频率设置。PLUTO接收到信号，首先会在硬件内部把射频信号下变频到复数基带。如果正好调谐到AM信号的中心频率上，那么设备输出的基带信号就是原始的信息信号在基带时的样子，直接包络检波即可。如果不能正好调谐到AM的RF载波上，设备输出的基带信号数据仍然是一个AM信号，只不过现在的载波频率很低，可能非常接近0HZ。要使包络检波器正常工作，载波必须是高频的并产生信息包络线。因此，我们可以引入一个频率偏移，软件无线电调谐得比AM信号的中心频率低一些，AM信号便可以实现非相干解调，要求频率偏移在0<foffset<fs/2（foffset为频率偏移，fs为采样频率）范围内，那么软件无线电最终输出的基带信号算是一个中频信号，频率是foffset。根据这个思想，如果发射一个载波中心频率为fc的信号，在接收侧可以把设备调谐到（fc-foffset）Hz处，本文foffset设为40kHz。

2.滤波。允许通过的频率设定为25kHz-55kHz。

3.整流。传统的包络检波器采用半波整流和全波整流电路然后进入低通滤波器解调出音频信号[5]，本文采用取信号模值完成全波整流。

4.抽取滤波。通过抽取滤波器取出基带信号[6]，并将将采样速率降低5倍达到48kHz。

5.音频输出。解调解码的数据转换为音频信息输出，频谱图如图3所示。

2.2 AM-DSB-SC信号发射接收

发送端设计如图4所示：

1.导入基带音频信号，基带信号频率为48kHz。2.重采样。根据PLUTO硬件采样率的要求，对信号进行两次重采样由48kHz变为240kHz。

3.通过 transmitter模块设置载波中心频率fc（设为433MHZ）和增益，由PLUTO发射出去。

接收端设计如图5所示：

1.中心频率设置。本文设foffset为40kHz，射频增益为50。

2.使用costas环完成载波同步。costas环锁定AM-DSB-SC信号的载波，并生成一个本地载波，频率和相位与调制载波一样，本地载波与接收到的信号相乘，就可以还原音频信息。

3.抽取滤波。将采样速率降低5倍，变为基带信号速率48kHZ。

4.音频输出。解调解码的数据转换为音频信息输出，频谱图如图6所示。

三、结束语

软件无线电技术拥有先进的设计理念，学生能够在实验室的环境下快速构建并验证自行设计的通信系统，而不必担心复杂的模拟前端及射频电路设计问题，使学生对通信系统有了更加深入的认识，加深了对通信理论知识的理解。

参  考  文  献

[1] 傅志中，李晓峰，曹永胜等.通信原理实验教学改革与探索.实验室研究与探索.2020，39（05），156-159.

[2] 杨宇红，袁焱，田砾.通信原理实验教程.清华大学出版社，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的信道化接收機理论与实现研究[D].成都：电子科技大学，2008.

[5] 池佳豪，何紫薇，陈梦阳等. 基于MATLAB调幅包络检波和相干解调性能设计与比较.电子制作.2019（09）.

[6] 柴晋强.基于USRP的U/V段无线电信号频谱检测系统研究[D].山西：中北大学，2020.