基于PWM脈寬調制技術的模擬數字信號混合收發系統

趙文靜，孫瑾怡，戴瑋博，曹錫哲

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京，210044，2.南京信息工程大學人工智能學院，江蘇南京，210044)

0 引言

隨著時代的發展，模擬信號、數字信號的單信道傳輸技術愈發成熟，也促成對同一信道下模擬數字混合收發系統開發的研究。對信號的處理，也大多如文獻[1]采用FPGA，其成本高，難以廣泛應用。

本文采用STM32為核心對模擬數字信號進行混合，利用PWM脈寬調制對信號進行調制解調，可在載波為20-30Mhz、模擬信號在500Hz到3000Hz的范圍傳輸的同時無失真傳輸4位數字，且響應時間小于2s，信道帶寬小于25Khz。基本滿足現實生活中對語音傳輸頻率和數字響應時間的要求，具有很高的現實價值。但同時，頻率范圍上限僅到3000Hz，存在一定的局限性。

1 技術方案原理分析

1.1 抽樣定理

本設計是利用對數字信號的處理來實現模擬周期信號的輸出。其最根本的理論基礎為時域抽樣定理，也稱為奈奎斯特定理。設取樣脈沖序列s(t)是周期為Ts的沖擊函數序列δTs(t)，即沖激取樣，則沖激序列δTs(t)的頻譜函數也是周期沖激序列，如下式（1）所示：

設被抽樣信號為f（t）是頻帶有限的，即信號f（t）的頻譜只在區間（-ωm，ωm）為有限值，而在此區間外為零，簡稱帶限信號。其頻譜函數為F（j），則取樣信號fs(t)的頻譜函數為：

由公式可以看出取樣信號fs（t）的頻譜是由原信號頻譜F（jω）的無限個頻移項組成，其頻移的角頻率分別為nωs（n=0，±1，±2，……），其幅值為原頻譜的1/Ts。由取樣信號fs（t）的頻譜可以看出，如果ωs＞2ωm，即fs＞2fm或Ts＜1/（2fm）,那么各相鄰項頻移后的頻譜就不會互相混疊，這時就能設法從取樣信號的頻譜Fs（jω）中得到原信號的頻譜，即從取樣信號fs（t）中恢復原信號f（t）。如果ωs＜2ωm，那么移頻后各相鄰頻譜將相互重疊。這樣原信號就不能再恢復，因此，對信號進行抽樣時必須滿足ωs＞2ωm。題目要求最大輸入信號頻率為5kHz，所以對其抽樣的頻率至少10kHz。

1.2 STM32產生PWM波形

PWM脈沖寬度調制縮寫是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，等效出所需要的波形（包括形狀以及幅值），對模擬信號電平進行數字編碼，也就是說通過調節占空比的變化來調節信號、能量等的變化。

系統先通過STM32引腳自帶的AD轉化將輸入的模擬信號轉換成數字信號儲存在單片機內，通過單片機的自帶的定時器，用數字信號調整占空比來產生PWM信號，PWM脈沖寬度的細精確度比電壓細分精度更高；在線性度和溫度系數方面，利用PWM技術的DAC，可比常規專用芯片的性能高2個數量級左右；在成本方面一般只有后者的幾分之一左右。但基于PWM的DAC也有缺點，如噪聲較大、需要高精度的低通濾波器等[2]。

本文用常見的雙路合成法來改良其問題。雙路PWM合成精密DAC的輸出電壓為式（3）。

式中，K為后級增益（對基本量程K＝1），Vr 為基準電壓，N1、N2分別為兩路輸入電壓計數值， D為衰減比例，VOS為輸出失調電壓。 整理后可得輸出電壓為式（4）。

對于已定電路，K、Vr、N、D和VOS均為定值，DAC的輸出電壓只與N1、N2有關。

2 系統方案與軟件實現

2.1 電路的設計

（1）系統總體框圖

系統總體框圖如下圖1所示。

圖1 系統總體框圖

（2）前端發射子系統框圖

前端發射子系統框圖如下圖2所示。

圖2 前端發射子系統框圖

發射端采用PWM脈寬調制技術，將語音信號通過ADS1118轉換成數字信號輸入單片機，按鍵連接單片機做幀頭插入，通過程序控制單片機產生PWM波形，利用乘法器混合AD9854產生的30MHz進行倍頻后連接放大器上天線。

（3）后端接收子系統框圖

后端接收子系統框圖如下圖3所示。

圖3 后端接收子系統框圖

接收端下天線后先經過放大器放大，經乘法器將高頻轉換為低頻后，經過包絡檢波器還原出模擬信號，利用單片機DA出數字信號。

2.2 程序的設計

2.2.1 PWM程序功能描述與設計思路

PWM編碼。為提高PWM編碼精度，設置一個全局變量max作為通過設置中斷捕獲的模擬信號的量化最高值。進入中斷處理函數時收到的值與max比較，若信值大于max則將其賦給max。返回值為該值與最大值的比值倍數。生成PWM的占空比為一個常數加上一個捕獲的值與其最大值的比值相關系數。

2.2.2 單片機驅AD9864

首先，對AD9854進行初始化，根據手冊中時序圖進行代碼編寫，采用并行模式，其余功能IO口設置的輸出輸入分別為推挽輸出模式和上拉輸入模式。開始給寄存器對應地址寫值，并行通信寫地址方式與串行有所區別，參考手冊修改寄存器地址。

2.2.3 按鍵掃描和液晶屏顯示程序

按鍵掃描。每隔200ms掃描一次鍵盤，先使列為高電平掃描行得出按下按鍵的行值，再使行為高電平掃描列得出按下按鍵的列值，利用lcd屏幕顯示數字。

3 系統成效總結分析

3.1 硬件測試

（1）語音信號輸入測試

要求輸入的模擬信號頻率范圍在100Hz到5KHz，將信號源所產生的任意信號接入示波器進行觀察。調整信號源輸出5KHz的正弦波，接入示波器，觀察信號的頻率，在5到5.003KHz間進行波動，符合要求，測試成功。

圖4 已調波形圖

（2）調整DDS輸出載波信號

要求輸入的載波信號頻率范圍在20MHz到30MHz，現將DDS模塊9854的主控板STM32F1的程序調好后，控制其輸出在規定頻率范圍內的正弦波測試信號，將輸出端接在示波器上進行觀測，記錄其頻率，觀察其波形，得出結論符合要求。

（3）低通濾波器測試

測試中，輸入信號為沖激信號時，通過濾波器后輸出波形與沖激信號基本一致，沖激信號出現后存在一定震蕩。與理論保持一致。當輸入為高頻率（100kHz）正弦波與低頻率（10kHz）正弦波疊加時，通過低通濾波器后，高頻率正弦波被濾去，剩下低頻率正弦波，波形分別如圖5和圖6所示。雖然存在一定的震蕩，但與理論保持一致，測試結束。

圖5 500HZ信號解調波形圖

圖6 1.5KHz信號解調波形圖

圖7 按鍵輸入調制波形圖

圖8 輸入0129輸出端lcd顯示圖

3.2 測試條件與儀器

測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：高精度的數字毫伏表，模擬示波器，數字示波器，數字萬用表，指針式萬用表。

3.3 測試結果及分析

（1）模擬信號輸入結果分析

輸入的語音信號測試頻率數據在測試范圍10Hz到5kHz內波形良好，頻率有些許小波動，波動范圍在0.005kHz范圍內，在合理范圍內。

輸入頻率不同信號測試結果如下表1所示。

表1 模擬信號收發測試結果

（2）模擬信號輸入結果分析

利用矩陣鍵盤通過按鍵輸入4個數字，按下發送鍵后進行循環查收。在接收端解調后，在LCD屏上進行顯示的過程。經4次測試，記錄每一次從數字發送到顯示模塊所需要的響應時間分別為，1.8s，1.7s，1.6s和1.7s，平均值1.7s＜2s，符合要求。按下停止鍵后，LCD顯示部分數字清屏，等待下一次傳輸，測試結束。

表2 數字收發測試結果

發射端數字 接收端數字 響應時間2 3458 3458 1.7s 3 6745 6745 1.6s 4 8752 8752 1.7s

測試解調后的語音信號頻率。記錄解調后語音信號的頻率與波形，將數據與理論計算應得的數據進行對比，發現在3kHz內，得到的波形符合傳輸要求，當頻率大于3kHz，不斷向上增大，會逐漸帶有失真，失真的程度隨著頻率的增大而增大。

（3）載波程控分析

測試DDS產生的載波信號。要求載波頻率在20～30MHz內實現功能，選取3個載波頻率，20MHz，22MHz，25MHz進行測試。觀察經過解調后波形符合要求，且信道帶寬不大于25KHz，3個載波頻率皆可調，皆滿足要求。

表3 載波程控測試結果

4 結語

根據上述測試數據，由此可以得出以下結論：

①模擬信號在100Hz～5kHz的語音信號內，接收端解調后的模擬信號波形無明顯失真，且只有模擬信號信號傳輸時，LCD顯示部分處于熄滅狀態。

②收發機可在3個載波頻率中選擇設置，且載波頻率范圍在20～30kHz內，同時信道帶寬不大于25kHz。

③在滿足模擬信號在100Hz～5kHz調試沒問題的基礎上進行擴展模擬信號頻率范圍，基本可以達到在此條件下波形無明顯失真。

④同時輸入語音信號與數字信號，混合后進行調制發送后，再解調分別觀察示波器與LCD顯示屏，示波器波形在指定范圍內無明顯失真，LCD滿足延遲2秒時間內接受到發送的數字。