電子科技大學 頻分復用綜合課程設計

1、電子科技大學通信學院頻分復用專題設計指導書頻分復用專題設計班 級 學 生 學 號 教 師 1. 設計名稱傳輸專題設計（頻分復用）2. 設計目的要求學生獨立應用所學知識，對通信系統(tǒng)中的典型部件電路進行方案設計、分析制作與調測電路。通過本專題設計，掌握頻分復用的原理，熟悉簡單復用系統(tǒng)的設計方法。3. 設計原理若干路信息在同一信道中傳輸稱為多路復用。由于在一個信道傳輸多路信號而互不干擾，因此可提高信道的利用率。按復用方式的不同可分為：頻分復用(FDM)和時分復用(TDM)兩類。頻分復用是按頻率分割多路信號的方法，即將信道的可用頻帶分成若干互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其中的一個頻段。在接收端用適當?shù)臑V

2、波器將多路信號分開，分別進行解調和終端處理。時分復用是按時間分割多路信號的方法，即將信道的可用時間分成若干順序排列的時隙，每路信號占據(jù)其中一個時隙。在接收端用時序電路將多路信號分開，分別進行解調和終端處理。頻分復用原理框圖如圖1所示。圖中給從的是一個12路調制、解調系統(tǒng)框圖。頻分復用原理框圖【頻分復用原理】 在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復用的方法。在頻分復用系統(tǒng)中，信道的可用頻帶被分成若干個互不交疊的頻段，每路信號用其中一個頻段傳輸。系統(tǒng)原理如圖2所示。以線性調制信號的頻分

3、復用為例。在圖2中設有n路基帶信號， 頻分復用系統(tǒng)組成方框圖為了限制已調信號的帶寬，各路信號首先由低通濾波器進行限帶，限帶后的信號分別對不同頻率的載波進行線性調制，形成頻率不同的已調信號。為了避免已調信號的頻譜交疊，各路已調信號由帶通濾波器進行限帶，相加形成頻分復用信號后送往信道傳輸。在接收端首先用帶通濾波器將多路信號分開，各路信號由各自的解調器進行解調，再經(jīng)低通濾波器濾波，恢復為調制信號。發(fā)送端 由于消息信號往往不是嚴格的限帶信號，因而 在發(fā)送端各路消息首先經(jīng)過低通濾波，以便限制各路信號的最高頻率 ，為了分析問題的方便，這里我們假設各路的調制信號頻率fm 都相等。然后對各路信號進行線性調制，

4、各路調制器的載波頻率不同。在選擇載頻時，應考慮到邊帶頻譜的寬度，同時，還應考慮到傳輸過程中鄰路信號的相互干擾，以及帶通濾波器制作的困難程度。因此在選擇各路載波信號的頻率時，在保證各路信號的帶寬以外，還應留有一定的防護間隔，一般要求相鄰載波之間的間隔為 式中為已調信號的帶寬，為防衛(wèi)間隔。接收端在頻分復用系統(tǒng)的接收端，首先用帶通濾波器(BPF)來區(qū)分各路信號的頻譜,然后,通過各自的相干 解調器解調,再經(jīng)低通濾波后輸出,便可恢復各路的調制信號?！绢l分多路復用的特點】頻分多路復用系統(tǒng)的優(yōu)點: 信道復用率高，允許復用的路數(shù)多，分路方便，因此，頻分多路復用是目前模擬通信中常采用的一種復用方式，特別是在有線

5、和微波通信系統(tǒng)中應用十分廣泛。頻分多路復用中的主要問題: 缺點是設備復雜，不僅需要大量的調制、解調器和帶通濾波器，而且還要求接收端提供相干載波。此外，由于在傳輸過程中的非線性失真，在頻分復用中不可避免的地會產生路際信號之間的相互干擾，即串擾。引起串擾的主要原因是濾波器特性不夠理想和信道中的非線性特性造成的已調信號頻譜的展寬。調制非線性所造成的串擾可以部分地由發(fā)送帶通濾波器消除，因而在頻分多路復用系統(tǒng)中對系統(tǒng)線性的要求很高。其頻譜結構如圖3所示。 頻分復用信號的頻譜結構合理選擇載波頻率fc1、fc2 、 、fcn，并在各路已調信號頻譜之間留有一定的保護間隔，也是減小 串擾的有效措施。 鄰路間的保

6、護頻帶fg 越大，則在鄰路信號干擾指標相同的情況下，對帶通濾波器的技術指標的要求就可以放寬一些 ,但這時占用的總的頻帶就要加寬，這對提高信道復用率不利。因此，實際中，通常提高帶通濾波器的技術指標，盡量減小鄰路間的保護頻帶fg 。各路已調信號相加送入信道之前，為了免它們的頻譜重疊，還要經(jīng)過帶通濾波器。在信道中傳送的 n路信號的總的頻帶寬度最小應等于： Bn=nfm+(n-1) fg=(n-1)(fm+ fg)+ fm=(n-1)B1+fm 式中 B1= fm+ fg，它是一路信號占用的帶寬。 4. 設計指標設計一個頻分復用調制系統(tǒng)，將12路語音信號調制到電纜上進行傳輸，其傳輸技術指標如下：1 語

7、音信號頻帶：300Hz3400Hz。2 電纜傳輸頻帶：60KHz156KHz。3 傳輸中滿載條件下信號功率不低于總功率的90。4 電纜傳輸端阻抗600，電纜上信號總功率（傳輸頻帶內的最大功率）不大于1mW。5 語音通信接口采用4線制全雙工。6 音頻端接口阻抗600，標稱輸入輸出功率為0.1mW。7 濾波器指標：規(guī)一化過渡帶1，特征阻抗600，通帶衰耗1dB，阻帶衰耗40dB（功率衰耗），截止頻率（設計者定）。8 系統(tǒng)電源：直流24V單電源。5.系統(tǒng)總體設計（1）系統(tǒng)設計思路通過二次調制，將語音信號調制到60KHz156KHz。加入84KHz正交導頻，便于在接收端相干解調。在接收的過程中，先濾出

8、導頻，并用鎖相環(huán)對其進行分頻，作為各解調電路的相干載波，解調接收信號。系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)框圖（2）系統(tǒng)仿真 Simulink仿真電路（仿真前三路電路）調制部分simulink電路圖解調部分simulink電路圖解調模塊中分頻器子模塊電路圖分頻器子模塊中正弦波變方波子模塊電路圖其中高斯白噪聲信道參數(shù)為Variance= 0.25第2路信號原始信號：第2路發(fā)送信號2000Hz第2路接收信號：第2路接收信號2000Hz6. 硬件電路設計頻率生成器作為基準的60kHz方波是由一個555電路產生的，采用了晶體振蕩器，如圖七。為占空比，為輸出頻率。根據(jù)以上公式，選取，構成頻率發(fā)生器。圖1 產生60KHz方波圖

9、2 利用4022產生12KHz和4KHz方波圖3 利用4046合成64KHz方波加法器采用同相加法器構成。因此=300。圖4 實現(xiàn)三路加法的加法器因此=150。圖5 實現(xiàn)五路加法的加法器四二線轉換器由于語音信號是收和發(fā)同時存在(收二線,發(fā)二線),所以是四線,而傳輸線是二線,這就需要進行四二線轉換。四二線轉換原理圖如圖23所示。在將二次群信號送入電纜傳輸時,為了使發(fā)送方不至于收到自己發(fā)出的信號,采用混合線圈?；旌暇€圈的等效原理圖如圖24所示?；旌暇€圈原理是一個平衡電橋,使本端發(fā)送的信號不能滲漏到本端的接收信號處而形成回波。圖6 線圈等效原理圖圖7 四二線轉換原理圖當電橋平衡時(4個電阻大小相等)

10、,發(fā)端信號在收端A, B兩點產生的電位相等,A到B間無電流流過,所以收端不會收到發(fā)端信號。而對發(fā)端和收端來說,輸入,輸出阻抗均為600。具體電路如圖17所示。圖8 四二線轉換電路功率放大器由可得發(fā)送端放大電路如下圖十三：圖9 發(fā)送端放大電路由可得接收端放大電路如下圖十四：圖10 接收端放大電路調制電路圖11 調制電路圖(balanced modulator)解調電路圖12 解調電路圖(product detector)7.設計性能指標分析功率分析系統(tǒng)要求滿載條件下，信號功率不低于總功率的90%。根據(jù)給定指標,輸入輸出功率為0.1mw(一路信號),而每調制一次,電壓幅度就衰減1/2,經(jīng)過兩次調制

11、,電壓幅度衰減為原來的1/4。在四二線轉換中,電壓還要衰減1/2?？偟碾妷核p為1/8。按照功率與電壓的關系,功率和電壓是平方關系,即:其中:P為平均功率, U為平均電壓, R為阻抗。在已知平均功率和阻抗的條件下,可算出平均電壓值。由于每路信號總電壓衰減了1/8,所以每路信號總功率就衰減了1/82。輸入功率為0.1mw,到線路端時,只有：而根據(jù)設計要求,線路上的信號總功率為0.9mw,分到每一路信號的功率為要完成上述指標,必須將被衰減了的信號進行放大,以滿足設計要求。同樣,在接收端,經(jīng)過信號處理,信號也被衰減,要達到輸出功率為0.1mw,也要加放大器對接收信號行放大，以滿足設計指標。載波同步分

12、析在發(fā)射端，我們使用同一晶振，通過多個MC145151-2芯片合成了不同頻率的本振信號以及60KHz的導頻信號。這些信號滿足同步性要求。在接收端，通過帶通濾波器和由HEF4046構成的鎖相環(huán)，提取到導頻信號。并經(jīng)過分頻計數(shù)器，合成與發(fā)送端同頻同相的相干載波。歸一化過渡帶分析用濾波法產生單邊帶信號時，在上、下邊帶間隔已經(jīng)確定的情況下，關鍵是濾波器能否實現(xiàn)、由濾波器知識可知，實現(xiàn)濾波器的難易以程度和過渡帶與工作頻率之間的相對值有密切關系。給單邊帶濾波器定義一個歸一化值。過渡帶相對于載頻的歸一化值計算方法如下式:式中為濾波器的過渡帶，為單邊帶信號的載頻。歸一化值反映了濾波器衰減特性的陡峭程度。歸一化

13、值越小，濾波器越難以實現(xiàn)。一般要求此值不低于103。如果提高，則要求加寬。一般的調制信號都具有豐富的低頻成分，經(jīng)調制后得到的雙邊帶信號的上、下邊帶之間的間隔很窄。模擬電話信號的最低頻率為300Hz，經(jīng)過雙邊帶調制后，上、下邊帶之間的間隔僅有600Hz，這個間隔應是單邊帶濾波器的過渡帶。要求在這樣窄的過渡帶內阻帶衰減上升到40dB以上，才能有效的抑制一個無用的邊帶。這就使濾波器的設計和制作很困難，有時甚至難以實現(xiàn)。為此，在工程中往往采用多級頻率搬移和多級濾波的方法，簡稱多級濾波法。設調制信號的最低頻率為，第一級調制后上、下邊帶的間隔，第一級濾波后得到上邊帶信號。通常，這樣第二級調制后上、下邊帶的

14、間隔為 此時的頻率間隔取決于載頻。通常是指定的，合理選擇、便可設計出合適的單邊帶信號調制器。本系統(tǒng)中，采用二次調制。第一次用：12KHz,16KHz,20KHz調制形成前群。按調制載波最高頻率計算,，即3第二次用84、96、108、120KHz調制,按最高載頻120KHz計算,此設計即滿足系統(tǒng)對歸一化過渡帶的要求。接口阻抗分析根據(jù)系統(tǒng)要求，各模塊間要實現(xiàn)600的阻抗匹配?，F(xiàn)以加法器為例加以分析：如圖18所示， /=150，=150，輸入端阻抗匹配，且各路信號輸入阻抗為600。對于輸出端，=600.。符合接口阻抗要求。其余模塊分析類似。8. 總結和心得體會 這次的課程設計我對FDMA有了實踐應用上的認識，以前學理論知識的時候感覺很抽象，不太明白它的原理，通過這次的實驗，我真正從實踐角度認識