基于USRP的调频收音机和遥控车钥匙

　　采用NI的软件无线电(USRP)平台，结合LabVIEW调制工具包，实现调频收音机、遥控车钥匙的有趣应用。

　　调频收音机的实现有两种方法，一种为反正切方法，一种为FM解调方法。两种方法都可以接收到指定频段的广播。

　　遥控车钥匙功能：按下配套的无线车钥匙某个按钮，USRP接收到脉冲信号，程序中对其进行解调并且判断，可以自动识别你按下的是哪个键并显示出来。

　　软件安装：

　　1、LabVIEW 2011

　　2、NI-USRP

　　3、Modulation Toolkit 4.3.2 (更低的版本不可用)

　　硬件连接：

　　1、用网线将USRP设备与PC机连接。由于调频收音机有音频输出，所以要求计算机有声卡，并且有声音播放器。

　　2、在控制面板中将PC机的IP设定为192.168.10.1，网关为255.255.255.0

　　3、连接USRP的电源、天线。

　　4、在windows的开始菜单中All Programs\National Instruments\NI-USRP目录下面找到NI-USRP Configuration Utility，在Change IP Address 选项卡中应该能够看到设备(包括Device ID, IP Address, Type/revision)。如果看不到设备，请点击Find Devices来寻找设备。如果需要，可以选定一个设备并且在右边New IP Address栏中输入新IP地址，点击Change IP Address来修改USRP设备的IP地址。

　　操作流程

　　一、基于反正切(Arctangent)方法的调频收音机

　　1、该Demo只能使用USRP 2920(或者USRP N210)。

　　2、找到Demos中的FM Radio - Arctangent Method文件夹，打开NI USRP FM Demo - ArcTan Method_LV2011.VI，会看到如下图所示的“基于软件无线电的调频收音机”前面板。

　　3、USRP参数配置：USRP IP地址设为当前设备的IP，“正交采样率” 设定为某适合的值(例如200k，具体参阅该频段广播的说明)，“载波频率”设定为某个调频收音机的频段(例如94.7M，或者101.7M，103.7M)，“有效天线”设定为RX1，“增益”设定为25左右。“采样数设为20000。

　　4、声卡参数配置：“声卡采样率”必须设为44100

　　5、运行VI，能够听到调频收音机接收到的信号声音(PC机要求带有声卡)，可以根据个人喜好调节音量(右下角)。

　　6、程序框图解释。整体程序框图如下图所示。包含USRP编程，反正切处理，以及声卡编程三部分。

　　USRP编程部分在下图红色框出，包括打开USRP接收通道，参数配置，开始采集，连续获取下变频后的基带波形数据，将读出的波形数据存入右边框出的基带IQ移位寄存器中，While循环左边对移位寄存器初始化。最后停止并关闭USRP，释放资源。

　　基带波形的反正切处理在下图中间红色框出，首先将基带复数波形向极坐标转化，然后展开相位，对相位求导。求导后的波形存入右边的移位寄存器，左边小框中对移位寄存器初始化。

　　声卡的编程在下图红色框出，包括声卡参数配置，音量调节，连续向声卡缓存写入声音数据，最后对声音输出清零。

　　二、基于Modulation Toolkit的调频收音机

　　1、该Demo只能使用USRP 2920(或者USRP N210)。

　　2、找到Demos中的FM Radio - Modulation Toolkit文件夹，打开FM Radio - Modulation Toolkit.vi，可以看到如下图所示的“基于软件无线电的调频收音机”的前面板。

　　3、声卡参数配置：“声卡ID”为0，“采样率”必须为44100S/s,“通道数”为2，“每采样比特数”为16。

　　4、USRP参数配置：“设备IP地址”为当前USRP 2920(或者USRP N210)的IP地址，“正交采样率” 设定为200kS/s，“载波频率” 设定为某个FM收音机的频段(例如94.7M，或者101.7M，103.7M)，“有效天线” 设定为RX1，“增益”设定为25dB左右, “采样数”为200000。

　　5、FM解调配置：布尔控件可以选择是否进行载波修正，“FM偏频”设为30KHz，“载波偏频”显示接收到的载波频率和估计的载波频率之间的偏差。

　　6、运行VI，能够听到FM收音机接收到的信号声音。

　　7、程序框图解释。整体程序框图如下图所示。

　　USRP编程部分在下图顶部红色框出，包括USRP接收机打开，参数配置，开始接收，连续读取下变频后的基带波形数据，将读出的波形数据存入右边红框中的基带IQ移位寄存器中，左边的小红框是对移位寄存器的初始化。最后停止并关闭USRP，释放资源。

　　下图中间的大红框中是对基带波形的FM解调、重采样和快速FFT变换。解调后的波形存入右边小红框的移位寄存器，左边小红框中对移位寄存器初始化。

　　下图底部大红框中是声卡的编程，包括声卡参数配置，初始化，连续向声卡缓存写入解调后的声音数据，最后对声音输出清零。

　　三、基于软件无线电的遥控车钥匙(Key Fob Decoder – OOK)

　　1、该Demo只能使用USRP 2920(或者USRP N210)。

　　2、找到Demos中的Key Fob Decoder - OOK文件夹。这里有两个VI，其中keyfob_decoder.vi执行OOK的解调算法，acquire_315mhz_keyfob.vi使用USRP采集315M信号、显示波形，并调用keyfob_decoder.vi进行解调和判断，将结果进行显示。打开acquire_315mhz_keyfob.vi，会看到如下图所示的前面板。

　　3、USRP参数配置：“设备名称”中输入USRP设备的IP地址，“正交采样率”为200kHz，“载波频率”设为315M(与所使用的无线发射器相匹配)，“有效天线”为RX1或者RX2，”增益”设为合适的数值(1或者10)，”刷新时间间隔”推荐为0.25s。

　　4、运行程序，按下无线发射器的按钮，在前面板”按下的按钮”中将显示所按下的是哪个按钮。

　　5、程序框图解释。整体程序框图如下图所示，包括USRP编程和基带解调判断两部分。

　　USRP编程部分在下图中红线大框中，包括USRP接收机打开，参数配置，开始采集，连续读取下变频后的基带波形数据，将读出的波形数据存入右边红框中的基带IQ移位寄存器中，左边的小红框是对移位寄存器的初始化。最后停止并关闭USRP，释放资源。

　　基带解调和判断编程在keyfob_decoder.vi的子VI中完成，位于下图红色框中。该子VI执行OOK的解调算法，并判断当前按键的位置。

　　注: 本实验采用的无线发射器为Digi-Key 提供的315 MHz 无线车钥匙(Digi-Key P/N: CMD-KEY5-315-ND)，该无线发射器产生一个带有同步信号、使用PWM调制的OOK信号，一长一短代表0，两短代表1。)

　　总结

　　利用NI提供的软件无线电USRP平台及调制工具包，结合LabVIEW强大的图形化编程和信号运算处理能力，我们可以轻松快捷的实现基于各种通信协议的应用。