通信課設任務書-蘇

武漢理工大學《通信原理》課程設計說明書學號：課程設計題目通信原理課程設計簡易兩路時分復用電路設計學院信息工程學院專業(yè)電子信息工程班級姓名指導教師蘇楊2017年1月3日課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：指導教師：蘇楊工作單位：信息工程學院題目：簡易兩路時分復用電路設計初始條件： 具備通信課程的理論知識；具備模擬與數字電路基本電路的設計能力；掌握通信電路的設計知識，掌握通信電路的基本調試方法；自選相關電子器件；可以使用實驗室儀器調試。要求完成的主要任務：（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、完成一個簡易的兩路時分復用通信電路的設計，實現兩路不同模擬信號的分時傳輸功能。2、在信號接收端能夠完整還原出兩路原始模擬信號。3、選用相應的編碼傳輸方式與同步方式，進行濾波器設計。4、安裝和調試整個電路，并測試出結果；5、進行系統仿真，調試并完成符合要求的課程設計書。時間安排：一周，其中3天硬件設計，2天硬件調試指導教師簽名：年月日 系主任（或責任教師）簽名：年月日基本設計原理1.1時分多路復用原理在實際的通信系統中，為了提高通信系統的利用率，往往用多路通信的方式來傳輸信號。所謂多路通信，就是指把多個不同信源所發(fā)出的信號組合成一個群信號，并經由同一信道進行傳輸，在收端再將它分離并將它們相應接收。時分復用就是一種常用的多路通信方式。時分復用是建立在抽樣定理基礎上的，因為抽樣定理使連續(xù)的基帶信號有可能被在時間上離散出現的抽樣脈沖所代替。這樣，當抽樣脈沖占據較短時間時，在抽樣脈沖之間就留出了時間空隙。利用這些空隙便可以傳輸其他信號的抽樣值，因此，就可能用一條信道同時傳送若干個基帶信號,并且每一個抽樣值占用的時間越短，能夠傳輸的路數也就越多。圖1.1表示的是兩個基帶信號在時間上交替出現。顯然這種時間復用信號在接收端只要在時間上恰當地進行分離，各個信號就能分別得到恢復。這就是時分復用的概念。TDM與FDM（頻分復用）原理的差別在于：TDM在時域上是各路信號分割開來的；但在頻域上是各路信號混疊在一起的。FDM在頻域上是各路信號分割開來的；但在時域上是混疊在一起的。TDM的方法有兩個突出的優(yōu)點：多路信號的匯合與分路都是數字電路，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠；信道的非線性會在FDM系統中產生交調失真與高次諧波，引起路際串話，因此，對信道的非線性失真要求很高；而TDM系統的非線性失真要求可降低。然而，TDM對信道中時鐘相位抖動及接收端與發(fā)送端的時鐘同步問題則提出了較高要求。所謂同步是指接收端能正確地從數據流中識別各路序號。為此，必須在每幀內加上標志信號（稱為幀同步信號）。它可以是一組特定的碼組，可以是特定寬度的脈沖。圖1.1兩個基帶信號時分復用原理在數字通信中，PCM、ΔM、ADPCM或者其它模擬信號的數字化，一般都采用時分復用方式來提高信道的傳輸效率。所謂復用就是多路信號（語音、數據或圖像信號）利用同一個信道進行獨立的傳輸，互不干擾。如利用同一根同軸電纜傳輸1920路電話，且各路電話之間的傳遞是相互獨立的。由抽樣理論可知，抽樣的一個重要作用是將時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號，其在信道上占用時間的有限性，為多路信號沿同一信道傳輸提供了條件。具體說，就是把時間分成一些均勻的時間間隙，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開，互不干擾的目的。圖1.2示出了TDM的概念，先對各路模擬信號抽樣，并在抽樣時進行復接，然后進行量化、編碼、傳輸。LPFLPFLPFLPF信道LPF多路選擇多路選擇LPFLPFLPFCH2CHn圖1.2多路傳輸原理框圖1.2PAM編碼原理抽樣定理在通信系統、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。抽樣過程是模擬信號數字化的第一步，抽樣性能的優(yōu)劣關系到通信設備整個系統的性能指標。利用抽樣脈沖把一個連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間樣值的過程稱為抽樣，抽樣后的信號稱為脈沖調幅（PAM）信號。抽樣定理指出，一個頻帶受限信號m(t)，如果它的最高頻率為fh，則可以唯一地由頻率等于或大于2fh的樣值序列所決定。在滿足抽樣定理的條件下，抽樣信號保留了原信號的全部信息。并且，從抽樣信號中可以無失真地恢復出原始信號。抽樣定理框圖如圖1.3所示。圖1.3抽樣定理框圖PAM信號常常是由連續(xù)時間信號經周期采樣得到的，完成這樣功能的器件稱為采樣器，如下圖所示，f(t)表示模擬信號，s(t)表示采樣脈沖，它具有周期性令其采樣周期為T，這里可以把采樣器看成一個每隔T秒閉合一次的電子開關S，開關每接通一次，便得到一個輸出取樣值。在理想情況下開關閉合時間無限短。圖1.4為信號采樣模型。圖1.4信號采樣在實際采樣器中，設開關閉合時間為t秒(遠小于T），fs(t)的脈沖強度等于相應瞬時f(t)的幅值，即f(0T),f(1T),f(2T)等等，因此，理想采樣過程可以看成是一個幅值調制過程。PAM信號形成過程如圖1.5所示：話音輸入fH話音輸入fH抽樣脈沖抽樣脈沖f≥2fHPAMPAM信號圖1.5PAM信號產生用抽樣信號與語言信號相乘，得到PAM調制信號，這一抽樣過程應該滿足抽樣定理，才能無失真的還原出原信號。所以抽樣信號的頻率f≥2f0

。在滿足這一條件的情況下，抽樣信號保留了原信號的全部信息，并且，從抽樣信號中可以無失真地恢復出原始信號。1.3信號解調為了能準確的恢復信號f(t)，必須以超過f(t)最高頻率分量兩倍的頻率對其進行采樣，實際上許多信號包含了頻率分量的全部頻譜，即從有用的頻譜到白噪聲的頻譜，要精確的恢復這些信息，要求系統具有無法實現的高采樣速率。

通過預處理輸入信號，可以很容易的克服這個困難，其方法是在采樣數據輸入之前，采取措施限制帶寬或則進行頻率濾除。前置濾波器通常稱為抗混疊保證濾波器，例如在低通濾波器情況，數據采樣系統接受到的模擬信號，其頻譜內容不比濾波器允許的那些頻率高。所以在考慮語音信號的干擾信號的頻譜時，可以采用限制寬帶的方法，如果低通濾波器預先限制帶寬，產生于語音信號的噪聲的研究將得到簡化。如果希望用最少的元件來實現濾波器，那么就別無選擇，只能使用傳統的濾波器，通過計算就可以得到了。在設計低通濾波器時主要考慮以下幾點：

1.濾波器的拐點（中心）頻率2.濾波器電路的增益

3.低通和高通濾波器的類型（Butterworth、Chebyshev、Bessel）

理想濾波電路的頻響在通帶內應具有一定幅值和線形相移，而在阻帶內其幅值為0，實際中濾波器的設計往往難以在幅頻和相頻響應都能達到理想的要求，因此只能根據實際情況設計不同的濾波器來尋求最佳的效果，在這里采用二階有源低通濾波電路，如圖1.6所示。圖1.6二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器的截止頻率f=1/電壓增益A0=1+（R2/R1）品質因數表明了濾波器通帶的狀態(tài)，一般要求Q=0.707，由此可以得到截止頻率ωc=1/RC,即f=1/2πRC。由于時分復用信號在頻域是混疊的，故解調要采用相干解調的方式，再講信號通過低通濾波器，即可恢復出原信號。相干解調原理框圖如圖1.7所示。乘法器低通濾波器乘法器低通濾波器PAM信號輸出本地載波圖1.7相干解調原理框圖1.4時分解復用中的同步技術原理在通信系統中，同步具有相當重要的地位。通信系統能否具有有效、可靠地工作，在很大程度上依賴有無良好的同步系統。同步可分為載波同步、位同步、幀同步和網同步幾大類型。他們在通信系統中都具有相當重要的作用。時分解復用通信中的同步技術包括位同步(時鐘同步)和幀同步，這是數字通信的又一個重要特點。時分解復用的電路原理就是先通過幀同步信號和位同步信號把各路信號數據分開,然后通過相應電力和濾波器，把時分復用的調制信號不失真的分離出來。1.4.1位同步位同步的目的是確定數字通信中的個碼元的抽樣時刻，即把每個碼元加以區(qū)分，使接受端得到一連串的碼元序列，這一連串的碼元列代表一定的信息。位同步是最基本的同步，是實現幀同步的前提。位同步的基本含義是收、發(fā)兩端機的時鐘頻率必須同頻、同相，這樣接收端才能正確接收和判決發(fā)送端送來的每一個碼元。因此，接收端必須提供一個確定抽樣判決時刻的的定時脈沖序列。我們把采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法，在數字通信中，常采用數字鎖相法提取位同步信號。它由高穩(wěn)定度的晶振、分頻器、相位比較器和控制器組成，如下圖所示：圖1.8數字鎖相原理框圖1.4.2幀同步在傳輸時把若干個碼元組成一個個的碼組，即一個個的字或句，通常稱為群或幀。群同步又稱幀同步。幀同步的主要任務是把字或句和碼區(qū)分出來。在時分多路傳輸系統中，信號是以幀的方式傳送。每一個幀中包含多路。接收端為了把各路信號區(qū)分開來，也需要幀同步系統。幀同步是為了保證收、發(fā)各對應的話路在時間上保持一致，這樣接收端就能正確接收發(fā)送端送來的每一個話路信號，當然這必須是在位同步的前提下實現。幀同步原理框圖如圖1.9所示。從總體上看，本模塊可分為巴克碼識別器及同步保護兩部分。巴克碼識別器包括移位寄存器、相加器和判決器，下圖中的其余部分完成同步保護功能。圖1.9幀同步原理框圖2.總體設計思路本設計系統涵蓋了數字頻帶傳輸的主要內容及時分復用技術,其設計思路是如下圖所示?？傮w框圖結構如圖2.1所示：信號解調信號解調PAM信號1話音輸入1多路PAM信號信道傳輸二次濾波話音輸出PAM信號2話音輸入2圖2.1設計的詳細整體框圖圖2中兩路模擬話音信號話音輸入2和話音輸入1輸入系統，通過乘法器完成脈沖幅度調制(PAM)后，將產生的兩路PAM信號送入加法器完成時分復用，再將加法器輸出端的信號分成兩路，一路與脈沖信號進行相干解調，通過乘法器后輸出，另一路與進過非門后的，即反相延時后的脈沖信號進行相干解調；最后將把通過相干解調后的解調信號通過低通濾波器恢復出原始信號，濾波器用來濾除帶外噪聲并與發(fā)濾波器、信道相配合滿足無碼間串擾條件。由于系統的頻率特性、碼速率與碼間串擾之間的關系比較適合于軟件仿真實驗，再考慮到收端有關信號波形的可觀測性，要采用功能較好的濾波器。這里采用了二階有源濾低通波器級聯方式。3.電路仿真及分析3.1抽樣脈沖及PAM編碼調制電路在輸入端輸入一個頻率為2.5kHz,峰峰值為200mV的f1和頻率為1kHz,峰峰值為200mvf2的兩個正弦信號。選取脈沖信號為10KHZ，峰峰值為5V,本次課設中因為要求為兩路時分復用，因此簡單得將每一幀信號分為兩個相等的時隙，每個抽樣信號的頻率相等，及占空比相等。用示波器檢測如下：圖3.1輸入信號f1=2.5kf2=1k輸入信號f1與脈沖信號通過乘法器進行抽樣，用CD4066四雙向模擬開關管來實現乘法器功能，產生一路PAM信號，輸入信號f2先通過一個非門，與f1產生一個相位差，本電路用74LS04，再與脈沖信號通過乘法器進行抽樣得到PAM信號，所得圖形如圖3.2，仿真電路如圖3.3。圖3.2兩路PAM編碼由于上下兩條支路調制的原理框圖類似，所以此處以上方支路的電路圖為例舉例說明。圖3.3中右端調用的乘法器中，其X端輸入為抽樣脈沖型號，Y端輸入為調制信號。輸出即為PAM編碼信號。圖3.3PAM編碼調制3.2復接分接數字復接實質上就是對多路數字信號進行時分復用，讓不同的支路信號占用不同的時隙時間。在接收端再根據時間上的不同將信號分開，這一步驟叫分接，它是復接的逆過程。復接方式有三種：按位復接、按字復接、按幀復接。每路每次只插入1個符號的方式稱為按位復接。對于二進制碼序列，按位復接即按比特復接。這種方法是以1比特碼為單位，對每個復接支路的信號每次只復接1位碼，按位復接的最大優(yōu)點是對復接緩沖存儲器的容量要求小、簡單易行、容易實現。如圖所示為復接分接電路，Y輸入端為輸入信號，X輸入端為樣脈沖信號，使用抽樣信號實現同步。由于時分復用信號在頻域是混疊的，故解調要采用相干解調的方式，將分離出來出來的兩路信號通過低通濾波器，即可恢復出原信號。圖中JF加法器為直接調用，實際電路中用CD4066來實現加法功能，即可實現時域上的信號順序輸出。時分接復用電路如圖3.4所示。圖3.4時分接復用電路兩路信號裝換為時分復用信號后波形如圖3.5所示。圖3.5加法器輸出端信號將加法器輸出端的信號分成兩路，一路與脈沖信號進行相干解調，通過乘法器后輸出信號1得到波形，另一路與進過非門后的，即反相延時后的脈沖信號進行相干解調，通過長發(fā)齊后輸出信號2得到波形，通過示波器檢測波形如圖3.6所示：圖3.6f1與f2相干解調的輸出波形3.3低通濾波器電路理想濾波電路的頻響在通帶內應具有一定幅值和線形相移，而在阻帶內其幅值為0，實際中濾波器的設計往往難以在幅頻和相頻響應都能達到理想的要求，因此只能根據實際情況設計不同的濾波器來尋求最佳的效果，在這里采用二階有源低通濾波電路。圖3.7為低通濾波電路。信號從C3輸入，從C11輸出，中間部分是3個二階有源低通濾波器的級聯。C3和C11的作用是濾除直流信號由二階濾波器的計算公式可以得出低通濾波器為3dB帶寬，截止頻率f=1/2πRC=1/（2*3.14*5000*0.01*10-6）≈3.4KHz圖3.7低通濾波電路把通過相干解調后的解調信號通過低通濾波器恢復出原始信號，用示波器檢測得到圖2.8所示波形：圖3.8經低通濾波器后的輸出波形3.4總體電路圖圖3.9總體電路圖在電路的輸出端得到了f1=2.5KHz,f2=1KHz的信號，與兩路原始信號相同，完整的還原了兩路模擬信號，實現兩路不同模擬信號的分時傳輸功能。在信號接收端能夠完整還原出兩路原始模擬信號，說明仿真成功。仿真結果及分析在輸入端輸入一個頻率為2.5kHz,峰峰值為2V的f1和頻率為1kHz,峰峰值為2Vdf2的兩個正弦信號。后期通過不斷改變脈沖信號的的頻率得到不同的仿真結果如下圖所示。脈沖信號的的頻率為2KHz時，抽樣信號的頻率

2f2≤f≤2f1,可以大致觀測出f2的信號，但得到f1的信號完全失真。如圖4.1所示。脈沖信號的的頻率為5KHz時，抽樣信號的頻率

2f1≤f,可以大致觀測出f1，f2的信號波形，但f2的波形效果不夠理想。如圖4.2所示。脈沖信號的的頻率為15KHz時，抽樣信號的頻率

2f1≤f,可以觀測出ff1，f2的信號波形，效果十分理想。如圖4.3所示。圖4.1f=2KHz圖4.2f=5KHz圖4.3f=5KHz5.安裝調試中遇到的問題及解決方法在設計乘法器時，我們首先設計的模擬乘法器，在仿真是能夠很好的得到PAM信號，但在實物調試中很難調到平衡狀態(tài)，仿真得到的PAM波形失真了，在研究一番后決定通過換用芯片，通過抽樣時鐘完成對信號的抽樣，得到PAM信號。換用后仿真時，調制與解調信號都很理想，實物調試中，通過慢慢改變載波頻率和幅度，以及調節(jié)電位器成功得到PAM調制信號和解調信號。調制信號與脈沖信號通過乘法器進行抽樣產生PAM信號，在設定脈沖信號時一定要使脈沖信號頻率滿足fs≥2f0的關系，f0是輸入信號頻率，才能保證不出現混疊，能夠無失真地恢復出原始信號，否則所得的信號會混疊，很難恢復原始信號。在仿真中這一特性可以較好地實現然而在實物中仍存在一定的問題。本來以為焊板子是很簡單的事情，可做的時候才發(fā)現，這并不簡單，需要很強的動手能力。焊錯了很多次，但這在不知不覺中使我們的動手得到了加強。第三，能夠培養(yǎng)我們嚴謹的科學態(tài)度。復雜的電路，繁冗的接線要求我們必須細心小心的處理。仿真時，出不來結果，必須每個元件的，一步步去檢查。5收獲、建議及體會通過這次通信原理課設，我深刻的體驗到了將理論轉化為實際的過程。剛拿到這個題目時，我感到有些無從下手，如何產生PAM調制信號，如何實現兩路不同模擬信號的分時傳輸功能，如何在信號接收端能夠完整還原出兩路原始模擬信號，如何選擇元器件設計出電路等一系列問題都困擾著我。在設計開始時，由于對multisim仿真軟件不熟悉，我用了大約一個小時的時間回顧了multisim部分之間的功能及元器件的調用方式，為整體的設計做好了準備。經過在網上和圖書館查閱了大量資料后，我有了大概思路并且確定了部分電路圖。在以后的學習中，我應該不僅僅關注理論知識，更應該關注與理論相聯系的實