PAM调制器的设计.docx
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PAM调制器的设计.docx
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PAM调制器的设计
一PAM调制器的设计基本原理
脉冲振幅调制(PAM)是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。
若脉冲载波是冲激脉冲序列,抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。
实际中通常采用脉冲宽度相对于抽样周期很窄的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列,从而实现脉冲振幅调制。
此外脉冲振幅调制(PAM)是脉冲调制中最常用的一种调制方式,它是把模拟信号变为一系列在时间上离散的窄脉冲,这些窄脉冲的幅度随模拟信号瞬时值的变化而变化,从PAM信号的幅度来看仍然是连续的,因此,这种信号仍属模拟信号的范畴。
在这次的PAM调制器的设计过程中首先我们利用多谐振荡器16KHz的方波信号,随后经过一个由D触发器组成的二分频电路将其变为8KHz的方波信号。
取样通常使用有限宽度的窄脉冲来实现,采用单稳态触发器调节脉冲宽度,得到一个8KHz的窄脉冲信号,因为信号需要先放大则我们选择利用三极管放大器将其进行脉冲放大,放大后的方波脉冲信号与模拟语音信号一同送入取样门模块的电路中,而在该模块中我们采用场效应管因其具有开关特性,与此同时用方波信号控制场效应管的G级对语音信号进行取样,输出一个PAM信号。
1抽样定理
PAM是抽样定理的一个运用,抽样定理指出,一个频带受限的信号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的样值系列所决定。
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,可以从抽样信号中无失真地恢复出原始信号,抽样定理的原理框图如下图1.1所示
输入信号
图1.1抽样定理的原理框图
2.脉冲振幅调制(PAM)
所谓脉冲振幅调制,即是脉冲载波的幅度随输入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,则前面所说的抽样定理,就是脉冲增幅调制的原理。
但是实际上真正的冲激脉冲串并不能付之实现,而通常只能采用窄脉冲串来实现。
因而,研究窄脉冲作为脉冲载波的PAM方式,将具有实际意义。
下图为两种不同的抽样方法:
图1-2自然抽样及平顶抽样波形
二PAM调制器系统的方框图
三PAM单元模块设计
116KHz方波信号的产生电路
多谐振荡器利用深度正反馈,通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止,从而自激产生方波输出的振荡器,常用作方波发生器,如下图3-1所示为对称式多谐振荡器用于产生16KHz方波信号:
图3-1多谐振荡器
工作原理:
该电路是对称式的多谐振荡器,它是由两个反相器U1和U2经耦合电容C1和C2连接起来的正反馈电路。
如果要使U1U2工作在放大状态,即电压的放大倍数Av>1,这时候只要U1U2的输入电压有极微小的扰动,就会被正反馈放大而引起振荡,所以电路的静态是不稳定的,如要解决这个问题,必须给它们设置适当的偏置电压,它可以通过反相器的输入端与输出端之间接入反馈电阻R来得到。
如果V11有微小的正跳变,则必然引起如下正反馈过程:
V11(上升)→V10(下降)→V12(下降)→V13(上升)
从使V10迅速跳变为低电平,V12迅速跳变为高电平,电路进入第一个稳态,同时电容C1开始充电而C2开始放电。
因为C1同时经R1和R2两条支路充电,所以充电速度较快,V12首先上升到U2的阀值电压Vth,从而引起如下的正反馈过程:
V12(上升)→V13(下降)→V11(下降)→V10(上升)从而使V12迅速跳变至低电平而V10迅速跳变至高电平,电路进入第二个暂稳态,同时C2开始充电而C1开始放电,由于电路的对称性,这一过程和上面的C1充电C2放电的过程完全对应,当V11上升到Vth时电路又将迅速地返回V1O为低电平而V12为高电平的第一暂稳态,因此电路便不停的在两个暂稳态之间往复振荡,在输出端产生方波脉冲。
2二分频电路
为了得到8KHZ的低频信号,我们需要对16KHZ的低频信号进行二分频。
二分频电路采用D触发器来实现,D触发器连线如图3.2所示。
图3.2利用D触发器实现二分频电路
原理:
时钟信号CLK为16K的方波信号,D触发器为边沿触发器,将反相输出端“Q反”与D端连接在一起,由CLK输入信号,当时钟信号在下降沿时开始工作,当D输入1时,Q反输出为0,同时反馈给D,此时Q反为1再反馈给D,则Q为1输出,其利用反馈,当输入两次但输出一次,从而达到分频效果,输出端Q输出的信号即为二分频信号。
下图为二分频电路的输入波形和输出波形:
3积分单稳电路
单稳态触发器输出信号的宽度则完全由电路参数决定,与输入信号无关。
输入信号只起触发作用。
因此,单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号。
单稳态触发器可以调节脉冲宽度,故在设计过程中采用积分型单稳态触发器实现波形变换,下图3-3为电路图:
图3-3积分型单稳态触发器
工作原理:
该图是用TTL与非门和反相器以及RC积分电路组成的积分型单稳态触发器,为了保证V01为低电平时VA在Vth以下,R3的阻值不能取太大。
稳态:
V1=0,所以V0=Voh,VA=V01=Voh,当输入正脉冲时,V01跳变为低电平,但是电容C上的电压不能突变,所以一段时间里VA仍在Vth以上。
故在这段时间里G2的两个输入端电压同时高于Vth使V0=VoL,电路进入暂稳态。
同时电容C开始放电。
暂稳态:
在暂稳态过程中随着电容放电时,当VA=Vth后,G4截止,V0回到高电平,VA继续下降,待输入信号回到低电平时,G3又截止,V01为高电平,电容开始充电,经过恢复时间tre以后,电路达到稳态,VA为高电平,电路达到稳态。
积分型单稳态触发器:
宽脉冲触发,触发脉冲宽度要求必须比输出脉冲的脉宽要宽(tpi>tW),尖峰脉冲干扰不会引起误动作——抗干扰能力较强。
通过图3-3.1可得输出得到的稳态波形比输入的波形窄一般,通过调整RC可以将二分频出来的8KHZ的方波变成8KHZ的窄脉冲。
图3-3.1工作波形
4反相器
反相器如下图3-4所示,它主要是为了将负的信号变换为正的信号,然后经过限幅电路送入放大器,
图3-4反相电路
5脉冲放大电路
对脉冲信号幅度进行放大,这里采用-9到+5V放大电路。
限幅放大简单的说就是要对幅度一定限制在某一范围的同时又要对脉冲信号进行放大作用。
限幅放大电路如下图3-5所示:
图3-5脉冲放大电路
放大电路的选取是根据的取样门来决定的,由于采样门这里采用的是场效应管,所以其幅度的放大范围在-9到+5V,图中C6为加速电容,当输入为高电平的时候,A点为低电平二极管D1导通在输出端得到+5V,而当输入为低电平时,A点为高电平此时二极管D1截止,但是此时的电容不能马上突变,右边的由R6C7稳压管组成的电路起作用使得输出电压达到-9V,而稳压管在电路中起到起到稳压的作用。
6取样门电路
场效应管和多选一芯片都可以用来做取样门,在此我们选择场效应管作为取样反向电压增大时,由于P型硅是到掺杂,故两边耗尽区就向N区中间扩展,将N区夹得很窄,像一条“沟”,沟的材料是N型硅,故简N沟。
由于耗尽区不导电,所以导通电流就只能从沟中流过UGS越大耗尽区越向N区扩展,导电面积越窄,电阻越大,管子导通电流ID越小。
反之,导通电流ID就越大。
这就是改变基极电压UGS可以控制D极电流ID的基本原理。
当UGS增大到一特定电压Up时,两边耗尽区挨拢,狭窄的N沟被“夹断”,D-S极间就失去了导电通道,这时,D-S极尽管仍加有电压,但管子不能导通电流,处于截止状态,16KHz的低频信号经过2分频,再经过单稳态电路,产生的脉冲信号去接场效应管的控制端,300-3400Hz语音原始信号,接到场效应管的输入端,MOS场效应管是数字电路最常用的器件,在合适的出入信号作用下,具有开关特性。
此次课程设计就是利用MOS场效应管的开关特性来对语音信号进行取样,下图3-6为场效应管及保持电路的原理图:
图3-6取样门电路
MOS场效应管的漏极(D)接语音信号,栅极(G)接取样脉冲,源极(S)为输出。
根据图3-6.1可知,当UGS
图3-6.1MOS场效应管的转移特性
四系统仿真
PAM系统仿真采用systemview软件进行仿真。
1SystemView软件介绍
a、SystemView是美国ELANIX公司推出的,基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。
它界面友好,使用方便。
b、SystemView是一个信号级的系统仿真软件,主要用于电路与通信系统的设计、仿真,是一个强有力的动态系统分析工具,能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。
它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统,可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。
c、SystemView以模块化和交互式的界面,在大家熟悉的Windows窗口环境下,为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。
使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程,而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。
用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试,而不必学习复杂的计算机程序编制,也不必担心程序中是否存在编程错误。
2系统仿真步骤
a.系统框图初步确定仿真所要求的元器件在Systemview连好仿真图,并进行仿真。
b.对初步仿真的结果进行核查,并找出比较合适的参数。
c.找出比较合适的波形,并记录好各元器件的参数。
3仿真器件参数设置
仿真器件参数设置如下图4-1所示
图4-1系统参数图
4系统仿真图与波形
(1)系统仿真总图如下图4-2所示:
图4-2系统仿真总图
(2)图4-3为示波器7所示图形,该图形为语音信号。
由原理图可得语音信号为高斯白噪声通过一个0.3K到3.4K的带通滤波器产生。
图4-3语音信号
(3)抽样后的信号波形如图4-4所示:
图4-4抽样后的信号波形
(4)抽样恢复后的信号波形如图4-5所示为示波器9(Sink9)所示图形,该图形为还原的语音信号,语音信号通过乘法器后,将得到的信号通过放大器在将其通过低频滤波器便得到其还原的语音信号。
图4-5抽样恢复后的信号波形
(5)图4-6为示波器11(Sink11)所示图形,该图形为8KHz的方波信号,通过一个方波信号源可产生得:
图4-6抽样脉冲波形图
五心得与体会
通过两个星期的通信原理课程设计,让我对书本上的知识有了一个更深入的了解,做课程设计需要我们每个同学认真思考每一个细节,因为只要有一个环节出了问题就会影响整个的设计,在这次的课程设计中我遇到了很多问题,让我看到了我的不足之处,这次设计中发现原来我们学的每门功课都息息相关,比如说这次的设计中运用了数电以及模电的有关知识,这又让我更好的对这两门功课做了细微的复习。
通过这次课程设计,我更加深刻的学习了模拟调制系统和抽样定理等方面的知识,同时也熟悉了systemview与protel等软件,最主要是又学会了用一个新的软件,而且我发现这个软件非常好用,它主要是用于通信原理方面的模拟调制实验,虽然这次我只是学了点皮毛,但是之后我会好好的去学习这个软件这次课程设计拓宽了我的知识面,比如以前不知道为什场效应管会被称做场效应管,还有N沟道与P沟道的一些区别,通过在这次课程设计中查了一些资料,于是了解了许多元器件的名称都是有科学依据的,可以根据元器件的名称来推知他们的一些原理及用途,从而可以更好的使用它们。
这次的设计让我明白一分耕耘一分收获,自己的付出一定会有回报,我要感谢我的同学和我的指导老师,因为他们在这次设计中给看我很多的帮助,对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
让我知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就,人生就像在爬山,一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!
六参考文献
1.樊昌信主编.,《通信原理》,电子工业出版社.。
2、阎石主编《数字电路技术基础》高等教育出版社。
3康华光主编《电子技术基础》高等教育出版社。
附录一设计电路原理总
附录二评分表
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性(10%)
硬件设计或软件编程完成情况(10%)
硬件测试或软件调试结果*(10%)
设计说明书质量(10%)
设计图纸质量(10%)
答辩汇报的条理性和独特见解(10%)
答辩中对所提问题的回答情况(10%)
完成任务情况(10%)
独立工作能力(10%)
出勤情况(10%)
综合评分
指导教师签名:
________________
日期:
________________
注:
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容;
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序:
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件(非16K大小的图纸及程序清单)。
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