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1、电子科技大学通信学院频分复用专题设计指导书频分复用专题设计班 级 学 生 学 号 教 师 1. 设计名称传输专题设计（频分复用）2. 设计目的要求学生独立应用所学知识，对通信系统中的典型部件电路进行方案设计、分析制作与调测电路。通过本专题设计，掌握频分复用的原理，熟悉简单复用系统的设计方法。3. 设计原理若干路信息在同一信道中传输称为多路复用。由于在一个信道传输多路信号而互不干扰，因此可提高信道的利用率。按复用方式的不同可分为：频分复用(FDM)和时分复用(TDM)两类。频分复用是按频率分割多路信号的方法，即将信道的可用频带分成若干互不交叠的频段，每路信号占据其中的一个频段。在接收端用适当的滤
2、波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。时分复用是按时间分割多路信号的方法，即将信道的可用时间分成若干顺序排列的时隙，每路信号占据其中一个时隙。在接收端用时序电路将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。频分复用原理框图如图1所示。图中给从的是一个12路调制、解调系统框图。频分复用原理框图【频分复用原理】 在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。在频分复用系统中，信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频段，每路信号用其中一个频段传输。系统原理如图2所示。以线性调制信号的频分
3、复用为例。在图2中设有n路基带信号， 频分复用系统组成方框图为了限制已调信号的带宽，各路信号首先由低通滤波器进行限带，限带后的信号分别对不同频率的载波进行线性调制，形成频率不同的已调信号。为了避免已调信号的频谱交叠，各路已调信号由带通滤波器进行限带，相加形成频分复用信号后送往信道传输。在接收端首先用带通滤波器将多路信号分开，各路信号由各自的解调器进行解调，再经低通滤波器滤波，恢复为调制信号。发送端 由于消息信号往往不是严格的限带信号，因而 在发送端各路消息首先经过低通滤波，以便限制各路信号的最高频率 ，为了分析问题的方便，这里我们假设各路的调制信号频率fm 都相等。然后对各路信号进行线性调制，
4、各路调制器的载波频率不同。在选择载频时，应考虑到边带频谱的宽度，同时，还应考虑到传输过程中邻路信号的相互干扰，以及带通滤波器制作的困难程度。因此在选择各路载波信号的频率时，在保证各路信号的带宽以外，还应留有一定的防护间隔，一般要求相邻载波之间的间隔为 式中为已调信号的带宽，为防卫间隔。接收端在频分复用系统的接收端，首先用带通滤波器(BPF)来区分各路信号的频谱,然后,通过各自的相干 解调器解调,再经低通滤波后输出,便可恢复各路的调制信号。【频分多路复用的特点】频分多路复用系统的优点: 信道复用率高，允许复用的路数多，分路方便，因此，频分多路复用是目前模拟通信中常采用的一种复用方式，特别是在有线
5、和微波通信系统中应用十分广泛。频分多路复用中的主要问题: 缺点是设备复杂，不仅需要大量的调制、解调器和带通滤波器，而且还要求接收端提供相干载波。此外，由于在传输过程中的非线性失真，在频分复用中不可避免的地会产生路际信号之间的相互干扰，即串扰。引起串扰的主要原因是滤波器特性不够理想和信道中的非线性特性造成的已调信号频谱的展宽。调制非线性所造成的串扰可以部分地由发送带通滤波器消除，因而在频分多路复用系统中对系统线性的要求很高。其频谱结构如图3所示。 频分复用信号的频谱结构合理选择载波频率fc1、fc2 、 、fcn，并在各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔，也是减小 串扰的有效措施。 邻路间的保
6、护频带fg 越大，则在邻路信号干扰指标相同的情况下，对带通滤波器的技术指标的要求就可以放宽一些 ,但这时占用的总的频带就要加宽，这对提高信道复用率不利。因此，实际中，通常提高带通滤波器的技术指标，尽量减小邻路间的保护频带fg 。各路已调信号相加送入信道之前，为了免它们的频谱重叠，还要经过带通滤波器。在信道中传送的 n路信号的总的频带宽度最小应等于： Bn=nfm+(n-1) fg=(n-1)(fm+ fg)+ fm=(n-1)B1+fm 式中 B1= fm+ fg，它是一路信号占用的带宽。 4. 设计指标设计一个频分复用调制系统，将12路语音信号调制到电缆上进行传输，其传输技术指标如下：1 语
7、音信号频带：300Hz3400Hz。2 电缆传输频带：60KHz156KHz。3 传输中满载条件下信号功率不低于总功率的90。4 电缆传输端阻抗600，电缆上信号总功率（传输频带内的最大功率）不大于1mW。5 语音通信接口采用4线制全双工。6 音频端接口阻抗600，标称输入输出功率为0.1mW。7 滤波器指标：规一化过渡带1，特征阻抗600，通带衰耗1dB，阻带衰耗40dB（功率衰耗），截止频率（设计者定）。8 系统电源：直流24V单电源。5.系统总体设计（1）系统设计思路通过二次调制，将语音信号调制到60KHz156KHz。加入84KHz正交导频，便于在接收端相干解调。在接收的过程中，先滤出
8、导频，并用锁相环对其进行分频，作为各解调电路的相干载波，解调接收信号。系统框图 系统框图（2）系统仿真 Simulink仿真电路（仿真前三路电路）调制部分simulink电路图解调部分simulink电路图解调模块中分频器子模块电路图分频器子模块中正弦波变方波子模块电路图其中高斯白噪声信道参数为Variance= 0.25第2路信号原始信号：第2路发送信号2000Hz第2路接收信号：第2路接收信号2000Hz6. 硬件电路设计频率生成器作为基准的60kHz方波是由一个555电路产生的，采用了晶体振荡器，如图七。为占空比，为输出频率。根据以上公式，选取，构成频率发生器。图1 产生60KHz方波图
9、2 利用4022产生12KHz和4KHz方波图3 利用4046合成64KHz方波加法器采用同相加法器构成。因此=300。图4 实现三路加法的加法器因此=150。图5 实现五路加法的加法器四二线转换器由于语音信号是收和发同时存在(收二线,发二线),所以是四线,而传输线是二线,这就需要进行四二线转换。四二线转换原理图如图23所示。在将二次群信号送入电缆传输时,为了使发送方不至于收到自己发出的信号,采用混合线圈。混合线圈的等效原理图如图24所示。混合线圈原理是一个平衡电桥,使本端发送的信号不能渗漏到本端的接收信号处而形成回波。图6 线圈等效原理图图7 四二线转换原理图当电桥平衡时(4个电阻大小相等)
10、,发端信号在收端A, B两点产生的电位相等,A到B间无电流流过,所以收端不会收到发端信号。而对发端和收端来说,输入,输出阻抗均为600。具体电路如图17所示。图8 四二线转换电路功率放大器由可得发送端放大电路如下图十三：图9 发送端放大电路由可得接收端放大电路如下图十四：图10 接收端放大电路调制电路图11 调制电路图(balanced modulator)解调电路图12 解调电路图(product detector)7.设计性能指标分析功率分析系统要求满载条件下，信号功率不低于总功率的90%。根据给定指标,输入输出功率为0.1mw(一路信号),而每调制一次,电压幅度就衰减1/2,经过两次调制
11、,电压幅度衰减为原来的1/4。在四二线转换中,电压还要衰减1/2。总的电压衰减为1/8。按照功率与电压的关系,功率和电压是平方关系,即:其中:P为平均功率, U为平均电压, R为阻抗。在已知平均功率和阻抗的条件下,可算出平均电压值。由于每路信号总电压衰减了1/8,所以每路信号总功率就衰减了1/82。输入功率为0.1mw,到线路端时,只有：而根据设计要求,线路上的信号总功率为0.9mw,分到每一路信号的功率为要完成上述指标,必须将被衰减了的信号进行放大,以满足设计要求。同样,在接收端,经过信号处理,信号也被衰减,要达到输出功率为0.1mw,也要加放大器对接收信号行放大，以满足设计指标。载波同步分
12、析在发射端，我们使用同一晶振，通过多个MC145151-2芯片合成了不同频率的本振信号以及60KHz的导频信号。这些信号满足同步性要求。在接收端，通过带通滤波器和由HEF4046构成的锁相环，提取到导频信号。并经过分频计数器，合成与发送端同频同相的相干载波。归一化过渡带分析用滤波法产生单边带信号时，在上、下边带间隔已经确定的情况下，关键是滤波器能否实现、由滤波器知识可知，实现滤波器的难易以程度和过渡带与工作频率之间的相对值有密切关系。给单边带滤波器定义一个归一化值。过渡带相对于载频的归一化值计算方法如下式:式中为滤波器的过渡带，为单边带信号的载频。归一化值反映了滤波器衰减特性的陡峭程度。归一化
13、值越小，滤波器越难以实现。一般要求此值不低于103。如果提高，则要求加宽。一般的调制信号都具有丰富的低频成分，经调制后得到的双边带信号的上、下边带之间的间隔很窄。模拟电话信号的最低频率为300Hz，经过双边带调制后，上、下边带之间的间隔仅有600Hz，这个间隔应是单边带滤波器的过渡带。要求在这样窄的过渡带内阻带衰减上升到40dB以上，才能有效的抑制一个无用的边带。这就使滤波器的设计和制作很困难，有时甚至难以实现。为此，在工程中往往采用多级频率搬移和多级滤波的方法，简称多级滤波法。设调制信号的最低频率为，第一级调制后上、下边带的间隔，第一级滤波后得到上边带信号。通常，这样第二级调制后上、下边带的
14、间隔为 此时的频率间隔取决于载频。通常是指定的，合理选择、便可设计出合适的单边带信号调制器。本系统中，采用二次调制。第一次用：12KHz,16KHz,20KHz调制形成前群。按调制载波最高频率计算,，即3第二次用84、96、108、120KHz调制,按最高载频120KHz计算,此设计即满足系统对归一化过渡带的要求。接口阻抗分析根据系统要求，各模块间要实现600的阻抗匹配。现以加法器为例加以分析：如图18所示， /=150，=150，输入端阻抗匹配，且各路信号输入阻抗为600。对于输出端，=600.。符合接口阻抗要求。其余模块分析类似。8. 总结和心得体会 这次的课程设计我对FDMA有了实践应用上的认识，以前学理论知识的时候感觉很抽象，不太明白它的原理，通过这次的实验，我真正从实践角度认识到了频分复用在话音传输中的应用，也从原理上知道了频分复用是怎么回事，深刻的认识到复用技术的重要作用。 其次，就是对Simulink电路设计有了初步的认识，扩展了自己在硬件电路设计上的能力，我相信这对以后自己考研找工作是有帮助的。同时，我对Matlab编程有了更深的认识，毕竟，编程能力对我们来说还是比较重要的。 最后，通过这次的课程设计，我对我们以后要从事的工作研究有了初步认识，以前总觉得自己以后不知道要做些什么，这也许是对自己的最大收获。18
