脉冲幅度调制解调系统解析

专业课程设计报告题目：脉冲幅度调制解调系统

姓名：

专业：通信工程

班级学号：

同组人：

指导教师：

南昌航空大学信息工程学院

年月日

摘要

在通信系统中，调制与解调是实现信号传递必不可少的重要手段。所谓调制就是用一个信号去控制另一个信号的某个参量，产生已调制信号。解调则是调制的相反过程，而从已调制信号中恢复出原信号。信号从发送端到接收端，为了实现有效可靠和远距离传输信号，都要用到调制与解调技术。

该系统用于实现脉冲幅度调制解调，采用模块化结构设计，包括输入电路模块、脉冲发生电路模块、调制电路模块、解调滤波电路模块、功放输出电路模块。整个电路的设计借助于multisim 10仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性强。

该系统由采样定理实现了对输入正弦信号的调制，然后经由有源二阶滤波器实现了解调并输出正弦信号，最后通过lm386组成的功放电路驱动喇叭发出声音，更加直观地判断解调前后的声音变化，从而判断该系统是否实现了信号的调制解调。

关键词: 调制解调模块化设计通信系统采样定理

目录

第一章设计内容及要求 ································································错误！未定义书签。

1.1 脉冲幅度调制解调系统的设计要求及任务············错误！未定义书签。

1.1.1 设计基本要求···········································错误！未定义书签。

1.1.2 设计任务及目标········································错误！未定义书签。

1.2 设计的主要参考器件 ·······································错误！未定义书签。第二章电路设计原理 ···································································错误！未定义书签。

2.1 系统工作原理 ················································错误！未定义书签。

2.2 设计方案比较和选择 ·······································错误！未定义书签。

2.3 主要元器件介绍 ·············································错误！未定义书签。

2.4 单元模块 ······················································错误！未定义书签。

2.4.1 输入电路模块···········································错误！未定义书签。

2.4.2调制电路模块············································错误！未定义书签。

2.4.3解调滤波电路模块······································错误！未定义书签。

2.4.4脉冲发生电路模块······································错误！未定义书签。

2.4.5 功放输出电路模块·····································错误！未定义书签。第三章系统的具体设计思路 ··························································错误！未定义书签。

3.1 各模块参数设计············································错误！未定义书签。

3.1.1 取样脉冲发生器设计··································错误！未定义书签。

3.1.2 二阶RC有源滤波器设计 ····························错误！未定义书签。

3.1.1 取样脉冲发生器设计………………………………………………错误！未定义书签。第四章实验、调试及测试结果与分析············································错误！未定义书签。

4.1系统安装与焊接 ··············································错误！未定义书签。

4.2 电路的调试 ···················································错误！未定义书签。

4.3 实验结果记录及分析 ·······································错误！未定义书签。

4.3.1取样脉冲发生结果分析………………………………………………错误！未定义书签。

4.3.2抽样脉冲波形分析 (14)

4.3.3解调波形分析 (15)

4.3.4 功放输出电路模块分析 (16)

实验总结....................................................................................错误！未定义书签。参考文献 (18)

附录一焊接电路元件清单 ..............................................................错误！未定义书签。附录二实验实物图 .......................................................................错误！未定义书签。附录三完整电路仿真图 (21)

第一章设计内容及要求

1.1 脉冲幅度调制解调系统的设计要求及任务

1.1.1 设计基本要求

（1）采用场效应管3DJ6F组成单管调制器

（2）设计取样脉冲发生电路

（3）由分立元件构成解调电路

（4）设计功放输出电路

1.1.2 设计任务及目标：

（1）根据原理图分析各元器件的作用；

（2）熟悉电路中所用到的各集成芯片的管脚及其功能；

（3）进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求；

（4）写出完整、详细的课程设计报告。

1.2 设计的主要参考器件

CD4066 LM324 NE555 LM386

第二章系统工作原理及组成

2.1 系统工作原理

我们知道，所有要传送的信号都只占据有限的频带，且都位于低频或较低的频段内。而作为传输的通道（架空明线，电缆、光缆和自由空间）都有其最合适于传输信号的频率范围，它们与信号的频带相比，一般都位于高频或很高的频率范围上，且实际信道有用的带宽范围通常要远宽于信号的带宽。利用调制技术能很好的解决这两方面的不匹配问题。傅氏变换中的调制定理是实现频谱搬移的理论基础，形成了正弦波幅度调制，即一个信号的幅度参量受另一个信号控制的一种调制方式。

利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。

抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。

抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。

图2.1 语音信号的抽样频谱图2.2 fs<2fh是抽样信号频谱

所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，再结合抽样定理的内容，就是脉冲振幅调制的原理。但是，实际上真正的冲激脉冲串是不可能实现的，而通常只能采用窄脉

冲串来实现，因此，研究窄脉冲作为脉冲载波的PAM方式，将更加具有实际意义。

图2.3 PAM调制过程波形和频谱

解调是调制的逆过程，正弦波幅度解调是从携带消息的调幅信号中恢复消息的过程。调幅信号中的载波实际上起了拍频振荡波的作用，利用非线性元件实现频率变换，经低通滤波即得到与调幅信号包络成对应关系的输出。这种方法属于非相干解调。这种方式应用得最早，现代仍广泛地用于广播、通信和其他电子设备。早期的键控电报是一种典型的调幅信号。

2.2 设计方案比较和选择

方案一：调制电路采用单管调，由场效应管3DJ6F来担任，利用其阻抗高的特点和控制灵敏的优越性，能很好的满足调制要求。取样脉冲由该管的S极加入，D极输入音频信号，由于场效应管良好的开关特性，可以测到理想的脉冲幅度调制信号，该信号为双极性脉冲幅度信号，不含直流分量。

方案二：PAM调制的过程就是抽样，获得输入信号的抽样脉冲，除了3dj6f，我们还可以利用模拟开关了实现这一功能，调制出理想的调制信号，在与同组人人商量后确认cd4066可以实现这一功能。

在上诉两种方案中，都可以得到我们要求的双极性脉冲幅度信号，且都不含直流分量。相比较方案二使用的集成芯片，方案一实验电路设计更为简单，且更节省电路板资源，鉴于3dj6f的性质，可以实现更为理想且频率更高的调制信号。但是实验室资源有限，未能提供场效应管3DJ6F，最后决定采用方案二的设计方案。

2.3 主要元器件介绍

1.CD4066

CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。CD4066 的每个封装内部有4 个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为－50dB。

当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如 =﹢5V， =﹣5V（均对地0V而言），则输入电压对称于0V的正、负信号电压（﹢5V～﹣5V）均能传输。这时要求控制信号C=“1”为+5V，C=“0”为-5V，否则只能传输正极性的信号电压。

元件电路管脚图如下：

图2.4 CD4066管脚图

2.LM324

LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

2.5 lm324管脚图

3.NE555

555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。如555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器可在 4.5V~16V 工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

图2.6 555定时器内部结构

图2.7 555定时器的引脚图

4.LM386

LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无动作时仅消耗4mA电流，且失真低。图2.8是LM386的封装图。

图2.8 LM386的封装图

2.4系统的模块组成

脉冲幅度调制解调系统的原理框图如图2.9所示

解调滤波功放扬声器输入信号调制

取样脉冲

图2.9 脉冲幅度调制解调系统的原理框图

脉冲幅度调制解调系统主要由输入电路、调制电路、脉冲发生电路、解调滤

波电路、功放输出电路等五部分组成。

2.4.1 输入电路模块

输入由函数信号发生器提供的振幅为2V左右，频率在400hz左右的正弦信号。

2.4.2调制电路模块

从PAM音频输入端口输入400hz左右的正弦波信号，通过隔直电容去掉模拟信号中的直流分量，然后通过电压跟随器电路（U01）提高其带负载的能力，然后信号被送入模拟开关cd4066（U02）。由于实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，这里采用方波脉冲信号代替。具体实现方法是通过555发生2k的方波。该方波信号从PAM时钟输入端口输入，当方波为高电平时，模拟开关导通，正弦波通过并从调制端口输出；当方波为低电平时，模拟开关截止，输出零电平。Cd4066接入双电源可实现信号的正负均能传输。

为了防止后面的解调模块的反馈对cd4066的影响，在其输出端加上由lm324组成的电压跟随器，以实现隔离作用。

图2.10 调制电路结构图

2.4.3解调滤波电路模块

若要还原出原始的音频信号，则将该PAM信号通过截止频率略大于400hz

的低通滤波器，滤除掉其中的高频成分即可。

根据调制信号的付氏级数展开式：

Fs(w)=∑CkF(w-kw) （公式2-5）

可以看出它是由一系列上、下边带频谱所组成。因此；在接收端通过低通滤波器后能将其中基带频谱提取出来。

这里使用了两级二阶RC有源低通滤波器来增强滤波的效果。这里采用lm324运放来实现二阶RC有缘低通滤波。因为该滤波器负担着解调的作用，因此它的

质量好坏直接影响着系统的工作状态。

图2.11 二阶RC有源低通滤波器原理图

2.4.4脉冲发生电路模块

555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，该部分电路主要由555及其附加元件组成，这是一个普通的单谐振荡器电路，产生极性、脉宽、频率可调的方波信号，通过修改R1、R2以及电容C的参数，可以得到一定占空比及频率的取样脉冲。以便用来验证取样定理。

图2.12 555取样脉冲发生电路图

接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T 截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得

输出高电平时间 T1=(R1+R2)Cln2 公式（2—1） 输出低电平时间T2=R2Cln2 公式（2—2） 振荡频率 f=1/（T1+T2）=1/(R1+2R2)Cln2 公式（2—3） 输出方波的占空比为 221211R R R R T T q ++=

= 公式（2—4）

2.4.5 功放输出电路模块

功放电路主要用来放大输出信号，提高解调后的音频信号的电平或者说提高输出功率。该电路选用了常见的小功率运放LM386为核心芯片，配以少量的外围元件来完成。放大后的音频信号由喇叭作为负载输出。电压增益可调，20-200 ，下图是增益为20的功放输出电路模块原理图。

图2.13 功放输出电路模块原理图

第三章 系统的具体设计思路

3.1 各模块参数设计

3.1.1 取样脉冲发生器设计

根据设计要求，我们需要通过555得到频率为2k ，占空比50%的窄波脉冲。根据元件库提供的821电容C ，由2-3和2-4两式可求得R1=5.4k,R2=430k 。其仿真原理图如3.1所示。

图3.1 555取样脉冲仿真图

3.1.2 二阶RC 有源滤波器设计

图2.11所示为常用二阶压控电压源低通滤波器，当C1=C2=C 时，称RC

π210f =为电路的特征频率。通常，调试该电路，使其通带截止频率与一阶低通滤波器的相同，即

RC p f f π21

0== 公式（3-1）

为了使集成运放两输入端的电阻对称，其中上式满足

Rf

R R R R ==1),f //1(21

公式（3-2）

为使能无失真解调信号，取电容C1=C2=100nf，R=2.4k，R1=Rf=10k是可使得截止频率为660hz，满足fs>=2fo.其仿真原理图如图3.2所示。

图3.2 二阶有源滤波仿真原理图

3.1.3 lm386功放电路设计

功放电路仿真图如图3.3所示

图3.3 lm386功放仿真电路

该电路实现增益为20的，于pin 1及pin 8间加一个10μF的电容即可使增益变成200，图中10千欧的可变电阻是用来调整扬声器音量大小，若直接将Vin输入即为音量最大的状态。第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！实际应用时BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。

第四章实验、调试及测试结果与分析

4.1 系统安装与焊接

根据要求设计好电路并实现仿真后，就可以进行电路的安装了，为了使系统更好的达到美观、稳定、抗干扰等效果。电路安装主要要注意以下几个原则：

1.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；

2. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；

3. 最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温。

4．在焊接的时候要注意尽量少用导线连接电路，用焊锡丝连接电路，增加作品的可看度。

5.在布局上要合理的安排电路。

4.2 电路的调试

4.2.1 调试基本要求

电路的调试具体步骤大致如下：

1.通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。

2.静态调试：静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。

3.动态调试：动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。

4.2.2 调试中遇到的问题及解决方案

焊接完电路并完成基本的电气规则检查电路后，开始通电观察，接通电路后，细心观察下并无冒烟或其他电路故障，但接至示波器进行波形观察时，解调输出

基本失真。认真检查后发现主要有以下几点问题：

1.555脉冲发生器输出的窄波脉冲占空比极低，完全不符合电路设计要求及仿真结果，确定问题所在之后笔者认真检测了555脉冲发生模块电路的电气规则及各元器件的参数，发现R1=500k远远大于设计所需的5.4k。最后更正该电阻后发现占空比正常达到50%，符合设计要求。

2.修正555模块后检测输出发现输出出现削顶失真，并且负电压更为明显，在观察已调信号时出现同样问题，和同组人认真排除故障后发现输入电压过高以致超出cd4066设计要求，故才出现失真现象，在降低输入幅值后解调输出却只有正电压出波形正常，而负电压出依然失真。

3.针对上面问题，笔者在认真查阅资料后认为可能是cd4066和lm324这两芯片在此电路中提供单电源所致，在换至双电源后，发现以上故障不再出现，滤波出来信号无失真。

4.虽然排除上述故障后系统能够正常滤除高频实现解调，但是在观察已调信号波形时发现抽象脉冲在低电平是并未回归0电平，只是稍微下降些后马上恢复高电平的包络，与实际抽象脉冲不和，无法实际应用，在指导老师的帮助下发现问题可能出现在cd4066芯片上，由于刚开始设计的抽象频率在8k，对于cd4066来说该频率有可能过高，对于这个可能存在的问题，笔者和同组人尝试用函数信号发生器提供的方波做简单的调试检测，由8k的频率逐步降低，在接近3k时发现抽样脉冲在低电平时能够实现正常跳变至0电平，于是结合电路可能存在的误差，笔者和同组人决定将载频调至2k，同时降低输入信号频率至400左右，在检测已调脉冲时果然修复了之前那个问题。

5.最后可能是由于解决上诉问题后过于高兴下直接观察解调输出波形发现失真严重，存在大量高频分量，细心一想发现忘了将二阶有源低通滤波器的截止频率由原来的3.4k降至660hz。在更正电路后，系统实现了完整的脉冲幅度调制解调性能。

4.3实验结果及分析

4.3.1取样脉冲发生结果分析

取样脉冲波形如图4.1

图4.1 抽样脉冲波形

由图4.1，可知此方波的峰峰值是4.64V，频率是2.139kHz。分析结果如表4-1所示表4-1 取样脉冲结果分析：

峰峰值（V）频率（kHz）

理论值 5 2

实际值 4.64 2.139

相对误差（%）-7.2 6.95

由结果可知相对误差不大，在允许的误差范围内，符合设计要求。

4.3.2 抽样脉冲波形分析

图4.2 抽样脉冲及输入信号波形

由图4.2分析可知，在输入信号峰峰值为2.08V，频率为309.8Hz时，抽样脉冲信号的峰峰值也为2.08V，频率为306.5Hz。两者频率基本一致，而幅值相等。分析结果表4-2所示。

表4-2 抽样脉冲结果分析：

峰峰值（V）频率（Hz）理论值 2.08 309.8

实际值 2.08 306.5

相对误差（%）0 -1.1

4.3.3 解调波形分析

图4.3 输入信号及解调输出信号

观察图4.3 ，输入信号的峰峰值为2.04V，频率为309.0Hz，解调信号的峰峰值为5.12V，频率为308.6Hz。对比下有表4-3。

表4-3 解调结果分析：

频率（Hz）

理论值309.0

实际值308.6

相对误差（%）-0.13

由于有缘滤波器存在增益，理论值增益为4，由于电压跟随器的损耗了部分电压，因此实际增益为3左右，符合电路设计要求。

4.3.4 功放输出电路模块分析

图4.4 输入信号及功放输出信号

由图4.4 ，可知输入信号的峰峰值为2.08V，频率为308.3Hz，解调信号的峰峰值为2.20V，频率为519.0Hz，功放输出功率可由10k的电位器来实现调节。信号都是平滑曲线，基本上没有失真。