基于PWM脉宽调制技术的模拟数字信号混合收发系统

赵文静，孙瑾怡，戴玮博，曹锡哲

（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京，210044，2.南京信息工程大学人工智能学院，江苏南京，210044)

0 引言

随着时代的发展，模拟信号、数字信号的单信道传输技术愈发成熟，也促成对同一信道下模拟数字混合收发系统开发的研究。对信号的处理，也大多如文献[1]采用FPGA，其成本高，难以广泛应用。

本文采用STM32为核心对模拟数字信号进行混合，利用PWM脉宽调制对信号进行调制解调，可在载波为20-30Mhz、模拟信号在500Hz到3000Hz的范围传输的同时无失真传输4位数字，且响应时间小于2s，信道带宽小于25Khz。基本满足现实生活中对语音传输频率和数字响应时间的要求，具有很高的现实价值。但同时，频率范围上限仅到3000Hz，存在一定的局限性。

1 技术方案原理分析

1.1 抽样定理

本设计是利用对数字信号的处理来实现模拟周期信号的输出。其最根本的理论基础为时域抽样定理，也称为奈奎斯特定理。设取样脉冲序列s(t)是周期为Ts的冲击函数序列δTs(t)，即冲激取样，则冲激序列δTs(t)的频谱函数也是周期冲激序列，如下式（1）所示：

设被抽样信号为f（t）是频带有限的，即信号f（t）的频谱只在区间（-ωm，ωm）为有限值，而在此区间外为零，简称带限信号。其频谱函数为F（j），则取样信号fs(t)的频谱函数为：

由公式可以看出取样信号fs（t）的频谱是由原信号频谱F（jω）的无限个频移项组成，其频移的角频率分别为nωs（n=0，±1，±2，……），其幅值为原频谱的1/Ts。由取样信号fs（t）的频谱可以看出，如果ωs＞2ωm，即fs＞2fm或Ts＜1/（2fm）,那么各相邻项频移后的频谱就不会互相混叠，这时就能设法从取样信号的频谱Fs（jω）中得到原信号的频谱，即从取样信号fs（t）中恢复原信号f（t）。如果ωs＜2ωm，那么移频后各相邻频谱将相互重叠。这样原信号就不能再恢复，因此，对信号进行抽样时必须满足ωs＞2ωm。题目要求最大输入信号频率为5kHz，所以对其抽样的频率至少10kHz。

1.2 STM32产生PWM波形

PWM脉冲宽度调制缩写是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形（包括形状以及幅值），对模拟信号电平进行数字编码，也就是说通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化。

系统先通过STM32引脚自带的AD转化将输入的模拟信号转换成数字信号储存在单片机内，通过单片机的自带的定时器，用数字信号调整占空比来产生PWM信号，PWM脉冲宽度的细精确度比电压细分精度更高；在线性度和温度系数方面，利用PWM技术的DAC，可比常规专用芯片的性能高2个数量级左右；在成本方面一般只有后者的几分之一左右。但基于PWM的DAC也有缺点，如噪声较大、需要高精度的低通滤波器等[2]。

本文用常见的双路合成法来改良其问题。双路PWM合成精密DAC的输出电压为式（3）。

式中，K为后级增益（对基本量程K＝1），Vr 为基准电压，N1、N2分别为两路输入电压计数值， D为衰减比例，VOS为输出失调电压。 整理后可得输出电压为式（4）。

对于已定电路，K、Vr、N、D和VOS均为定值，DAC的输出电压只与N1、N2有关。

2 系统方案与软件实现

2.1 电路的设计

（1）系统总体框图

系统总体框图如下图1所示。

图1 系统总体框图

（2）前端发射子系统框图

前端发射子系统框图如下图2所示。

图2 前端发射子系统框图

发射端采用PWM脉宽调制技术，将语音信号通过ADS1118转换成数字信号输入单片机，按键连接单片机做帧头插入，通过程序控制单片机产生PWM波形，利用乘法器混合AD9854产生的30MHz进行倍频后连接放大器上天线。

（3）后端接收子系统框图

后端接收子系统框图如下图3所示。

图3 后端接收子系统框图

接收端下天线后先经过放大器放大，经乘法器将高频转换为低频后，经过包络检波器还原出模拟信号，利用单片机DA出数字信号。

2.2 程序的设计

2.2.1 PWM程序功能描述与设计思路

PWM编码。为提高PWM编码精度，设置一个全局变量max作为通过设置中断捕获的模拟信号的量化最高值。进入中断处理函数时收到的值与max比较，若信值大于max则将其赋给max。返回值为该值与最大值的比值倍数。生成PWM的占空比为一个常数加上一个捕获的值与其最大值的比值相关系数。

2.2.2 单片机驱AD9864

首先，对AD9854进行初始化，根据手册中时序图进行代码编写，采用并行模式，其余功能IO口设置的输出输入分别为推挽输出模式和上拉输入模式。开始给寄存器对应地址写值，并行通信写地址方式与串行有所区别，参考手册修改寄存器地址。

2.2.3 按键扫描和液晶屏显示程序

按键扫描。每隔200ms扫描一次键盘，先使列为高电平扫描行得出按下按键的行值，再使行为高电平扫描列得出按下按键的列值，利用lcd屏幕显示数字。

3 系统成效总结分析

3.1 硬件测试

（1）语音信号输入测试

要求输入的模拟信号频率范围在100Hz到5KHz，将信号源所产生的任意信号接入示波器进行观察。调整信号源输出5KHz的正弦波，接入示波器，观察信号的频率，在5到5.003KHz间进行波动，符合要求，测试成功。

图4 已调波形图

（2）调整DDS输出载波信号

要求输入的载波信号频率范围在20MHz到30MHz，现将DDS模块9854的主控板STM32F1的程序调好后，控制其输出在规定频率范围内的正弦波测试信号，将输出端接在示波器上进行观测，记录其频率，观察其波形，得出结论符合要求。

（3）低通滤波器测试

测试中，输入信号为冲激信号时，通过滤波器后输出波形与冲激信号基本一致，冲激信号出现后存在一定震荡。与理论保持一致。当输入为高频率（100kHz）正弦波与低频率（10kHz）正弦波叠加时，通过低通滤波器后，高频率正弦波被滤去，剩下低频率正弦波，波形分别如图5和图6所示。虽然存在一定的震荡，但与理论保持一致，测试结束。

图5 500HZ信号解调波形图

图6 1.5KHz信号解调波形图

图7 按键输入调制波形图

图8 输入0129输出端lcd显示图

3.2 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

3.3 测试结果及分析

（1）模拟信号输入结果分析

输入的语音信号测试频率数据在测试范围10Hz到5kHz内波形良好，频率有些许小波动，波动范围在0.005kHz范围内，在合理范围内。

输入频率不同信号测试结果如下表1所示。

表1 模拟信号收发测试结果

（2）模拟信号输入结果分析

利用矩阵键盘通过按键输入4个数字，按下发送键后进行循环查收。在接收端解调后，在LCD屏上进行显示的过程。经4次测试，记录每一次从数字发送到显示模块所需要的响应时间分别为，1.8s，1.7s，1.6s和1.7s，平均值1.7s＜2s，符合要求。按下停止键后，LCD显示部分数字清屏，等待下一次传输，测试结束。

表2 数字收发测试结果

发射端数字 接收端数字 响应时间2 3458 3458 1.7s 3 6745 6745 1.6s 4 8752 8752 1.7s

测试解调后的语音信号频率。记录解调后语音信号的频率与波形，将数据与理论计算应得的数据进行对比，发现在3kHz内，得到的波形符合传输要求，当频率大于3kHz，不断向上增大，会逐渐带有失真，失真的程度随着频率的增大而增大。

（3）载波程控分析

测试DDS产生的载波信号。要求载波频率在20～30MHz内实现功能，选取3个载波频率，20MHz，22MHz，25MHz进行测试。观察经过解调后波形符合要求，且信道带宽不大于25KHz，3个载波频率皆可调，皆满足要求。

表3 载波程控测试结果

4 结语

根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

①模拟信号在100Hz～5kHz的语音信号内，接收端解调后的模拟信号波形无明显失真，且只有模拟信号信号传输时，LCD显示部分处于熄灭状态。

②收发机可在3个载波频率中选择设置，且载波频率范围在20～30kHz内，同时信道带宽不大于25kHz。

③在满足模拟信号在100Hz～5kHz调试没问题的基础上进行扩展模拟信号频率范围，基本可以达到在此条件下波形无明显失真。

④同时输入语音信号与数字信号，混合后进行调制发送后，再解调分别观察示波器与LCD显示屏，示波器波形在指定范围内无明显失真，LCD满足延迟2秒时间内接受到发送的数字。