電子科技大學(xué)頻分復(fù)用綜合課程設(shè)計(jì)

1、電子科技大學(xué)通信學(xué)院頻分復(fù)用專題設(shè)計(jì)指導(dǎo)書頻分復(fù)用專題設(shè)計(jì)班 級(jí)學(xué) 生學(xué) 號(hào)教 師221 .設(shè)計(jì)名稱傳輸專題設(shè)計(jì)（頻分復(fù)用）2 .設(shè)計(jì)目的要求學(xué)生獨(dú)立應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，對(duì)通信系統(tǒng)中的典型部件電路進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、 分析制作與調(diào)測(cè)電路。通過本專題設(shè)計(jì)，掌握頻分復(fù)用的原理，熟悉簡(jiǎn)單復(fù)用系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。3 .設(shè)計(jì)原理若干路信息在同一信道中傳輸稱為多路復(fù)用。由于在一個(gè)信道傳輸多路信號(hào) 而互不干擾，因此可提高信道的利用率。按復(fù)用方式的不同可分為：頻分復(fù)用 （FDM）和時(shí)分復(fù)用（TDM）兩類。頻分復(fù)用是按頻率分割多路信號(hào)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(hào)占據(jù)其中的一個(gè)頻段。在接收端用適

2、當(dāng)?shù)臑V波器將多路信 號(hào)分開，分別進(jìn)行解調(diào)和終端處理。時(shí)分復(fù)用是按時(shí)間分割多路信號(hào)的方法，即 將信道的可用時(shí)間分成若干順序排列的時(shí)隙， 每路信號(hào)占據(jù)其中一個(gè)時(shí)隙。在接 收端用時(shí)序電路將多路信號(hào)分開，分別進(jìn)行解調(diào)和終端處理。頻分復(fù)用原理框圖 如圖1所示。圖中給從的是一個(gè)12路調(diào)制、解調(diào)系統(tǒng)框圖。CH1CH12Cm2CH1頻分復(fù)用原理框圖【頻分復(fù)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(hào)所需的帶寬寬 得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道 的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。在頻分復(fù)用系統(tǒng)中，信道的可用頻帶 被分成若干個(gè)互不交疊的頻段，每路信號(hào)用其中一個(gè)頻段

3、傳輸。系統(tǒng)原理如 圖2所示。以線性調(diào)制信號(hào)的頻分復(fù)用為例。在圖 2中設(shè)有n路基帶信號(hào),頻分復(fù)用系統(tǒng)組成方框圖為了限制已調(diào)信號(hào)的帶寬，各路信號(hào)首先由低通濾波器進(jìn)行限帶， 限帶后的信號(hào) 分別對(duì)不同頻率的載波進(jìn)行線性調(diào)制， 形成頻率不同的已調(diào)信號(hào)。為了避免已調(diào) 信號(hào)的頻譜交疊，各路已調(diào)信號(hào)由帶通濾波器進(jìn)行限帶， 相加形成頻分復(fù)用信號(hào) 后送往信道傳輸。在接收端首先用帶通濾波器將多路信號(hào)分開， 各路信號(hào)由各自 的解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，再經(jīng)低通濾波器濾波，恢復(fù)為調(diào)制信號(hào)。、辛士山發(fā)送場(chǎng)由于消息信號(hào)往往不是嚴(yán)格的限帶信號(hào)，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(hào)的最高頻率 ，為了分析問題的方便，這里

4、我 們假設(shè)各路的調(diào)制信號(hào)頻率fm都相等。然后對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行線性調(diào)制，各路 調(diào)制器的載波頻率不同。在選擇載頻時(shí)，應(yīng)考慮到邊帶頻譜的寬度，同時(shí)， 還應(yīng)考慮到傳輸過程中鄰路信號(hào)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(hào)的頻率時(shí)，在保證各路信號(hào)的帶寬以外，還應(yīng) 留有一定的防護(hù)間隔，一般要求相鄰載波之間的間隔為B = Bs Bg式中Bs為已調(diào)信號(hào)的帶寬，Bg為防衛(wèi)間隔。接收端在頻分復(fù)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(hào)的 頻譜，然后，通過各自的相干 解調(diào)器解調(diào)，再經(jīng)低通濾波后輸出，便可恢復(fù)各路的調(diào)制信號(hào)【頻分多路復(fù)用的特點(diǎn)】頻分多路復(fù)用系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：信道復(fù)用率

5、高，允許復(fù)用的路數(shù)多，分路方便，因此，頻分多路復(fù)用是目 前模擬通信中常采用的一種復(fù)用方式，特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應(yīng)用 十分廣泛。頻分多路復(fù)用中的主要問題：缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，不僅需要大量的調(diào)制、解調(diào)器和帶通濾波器，而且還 要求接收端提供相干載波。止匕外，由于在傳輸過程中的非線性失真，在頻分 復(fù)用中不可避免的地會(huì)產(chǎn)生路際信號(hào)之間的相互干擾，即用擾。引起申擾的 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(diào)信號(hào)頻譜 的展寬。調(diào)制非線性所造成的申擾可以部分地由發(fā)送帶通濾波器消除，因而 在頻分多路復(fù)用系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)線性的要求很高。其頻譜結(jié)構(gòu)如圖 3所示。合理選擇載波頻率fcl、fc2、fc

6、n,并在各路已調(diào)信號(hào)頻譜之間留有 一定的保護(hù)間隔，也是減小申擾的有效措施。鄰路間的保護(hù)頻帶fg越大，則在鄰路信號(hào)干擾指標(biāo)相同的情況下，對(duì) 帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)的要求就可以放寬一些，但這時(shí)占用的總的頻帶就要加寬，這對(duì)提高信道復(fù)用率不利。因此，實(shí)際中，通常提高帶通濾波器的技 術(shù)指標(biāo)，盡量減小鄰路間的保護(hù)頻帶 fg o各路已調(diào)信號(hào)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(hào)的總的頻帶寬度最小應(yīng)等于：Bn=nfm+(n-1) f g=(n-1)(fm+ fg)+ fm=(n-1)Bl+fm式中Bi= fm+ fg,它是一路信號(hào)占用的帶寬。4 .設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)頻

7、分復(fù)用調(diào)制系統(tǒng)，將 12路語(yǔ)音信號(hào)調(diào)制到電纜上進(jìn)行傳輸，其 傳輸技術(shù)指標(biāo)如下：1 .語(yǔ)音信號(hào)頻帶：300Hz3400Hz。2 .電纜傳輸頻帶：60KHz156KHz。3 .傳輸中滿載條件下信號(hào)功率不低于總功率的 90%。4 .電纜傳輸端阻抗600Q,電纜上信號(hào)總功率(傳輸頻帶內(nèi)的最大功率) 不大于1mW。5 .語(yǔ)音通信接口采用4線制全雙工。6 .音頻端接口阻抗600Q ,標(biāo)稱輸入輸出功率為0.1mW。7 .濾波器指標(biāo)：規(guī)一化過渡帶1%,特征阻抗600Q,通帶衰耗1dB,阻帶 衰耗40dB (功率衰耗)，截止頻率(設(shè)計(jì)者定)。8 .系統(tǒng)電源：直流24V單電源。5.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路通

8、過二次調(diào)制，將語(yǔ)音信號(hào)調(diào)制到60KHz156KHz。加入84KHz正交導(dǎo)頻, 便于在接收端相干解調(diào)。在接收的過程中，先濾出導(dǎo)頻，并用鎖相環(huán)對(duì)其進(jìn)行分 頻，作為各解調(diào)電路的相干載波，解調(diào)接收信號(hào)。系統(tǒng)框圖 f1(t)l一nT SSB. BPF：12KHzf2(t), _ntT SSB. BPF卜相力If SSBf BPF16KHzf3(t)i_1T SSB+ BPF-84KHz濾出導(dǎo)頻r鎖相不20KHz相力2 SSBf BPF96KHz相力小BitB BPFT BPF，分頻:城f1(t)f相力修SSBf BPF108KHz» 相力 SSBf BPF相干解調(diào)一f2(t)信道濾波器120B

9、2加入導(dǎo)頻系統(tǒng)框圖(2)系統(tǒng)仿真Simulink仿真電路(仿真前三路電路)12KHz16KHzXZl power spectrum density 2Addl20KHZCurler i Transport 84KHz8 即調(diào)制部分simulink 電路圖解調(diào)部分simulink 電路圖解調(diào)模塊中分頻器子模塊電路圖double I：In1Out1double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(hào)原始信號(hào):0.020.02200240.0260.0280.03Time offset: 0第2路發(fā)送信號(hào)2000Hz第2路接收信號(hào):5 I_

10、iIII0.020.0220 0240.0260.0280.03ime o11set: 0第2路接收信號(hào)2000Hz6.硬件電路設(shè)計(jì)作為基準(zhǔn)的 器，如圖七。頻率生成器60kHz方波是由一個(gè)555電路產(chǎn)生的，采用了晶體振蕩-10.7C(R 2R2)=f ；R1 R2q 二R1 2R2q為占空比, 頻率發(fā)生器。為輸出頻率。根據(jù)以上公式，選取R1, R2, C 構(gòu)成圖2禾1J用4022產(chǎn)生12KHz和4KHz方波加法器采用同相加法器構(gòu)成Rp =Rs1Rs2Rs3；RfRpRfRpRfRp（1 ） =（1 ）L = （1 ）p =1RRs1R1Rs2R（因此R=300。Rp =RiRRRRs3 s4/

11、s5 ;RfRpRfRpRfRpRfRpRfRp(1 )=(1 ),=(1 )=(1 )=(1)一p =1RR1RRs2R1Rs3RRs4RRs5因此R=150。四二線轉(zhuǎn)換器由于語(yǔ)音信號(hào)是收和發(fā)同時(shí)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(jìn)行四一一二線轉(zhuǎn)換。四一一二線轉(zhuǎn)換原理圖如圖23所示。在將 二次群信號(hào)送入電纜傳輸時(shí)，為了使發(fā)送方不至于收到自己發(fā)出的信號(hào) ，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(gè)平衡電橋， 使本端發(fā)送的信號(hào)不能滲漏到本端的接收信號(hào)處而形成回波。發(fā)端b0o收端圖6線圈等效原理圖圖7四一二線轉(zhuǎn)換原理圖當(dāng)電橋平衡時(shí)（4個(gè)電阻大

12、小相等），發(fā)端信號(hào)在收端A, B兩點(diǎn)產(chǎn)生的電位相 等,A到B間無電流流過，所以收端不會(huì)收到發(fā)端信號(hào)。而對(duì)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8四一二線轉(zhuǎn)換電路功率放大器Rf由Av = 1+'=5可得發(fā)送端放大電路如下圖十三:RR由Av =1+ = 7可得接收端放大電路如下圖十四:調(diào)制電路解調(diào)電路7.設(shè)計(jì)性能指標(biāo)分析功率分析系統(tǒng)要求滿載條件下，信號(hào)功率不低于總功率的90%。根據(jù)給定指標(biāo)，輸入輸出功率為0.1mw（一路信號(hào)），而每調(diào)制一次，電壓幅度就 衰減1/2,經(jīng)過兩次調(diào)制，電壓幅度衰減為原來的1/4。在四一二線轉(zhuǎn)換中，電壓還要 衰減1/2?？偟碾妷核?/p>

13、減為1/8。按照功率與電壓的關(guān)系，功率和電壓是平方關(guān)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(hào)總電壓衰 減了 1/8，所以每路信號(hào)總功率就衰減了 1/82。輸入功率為0.1mw,到線路端時(shí)，只 有：0.1-82mw =0.001563mw而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，線路上的信號(hào)總功率為0.9mw分到每一路信號(hào)的功率為0.9'24mw=0.0375mw要完成上述指標(biāo)，必須將被衰減了的信號(hào)進(jìn)行放大，以滿足設(shè)計(jì)要求。同樣，在 接收端，經(jīng)過信號(hào)處理，信號(hào)也被衰減，要達(dá)到輸出功率為0.1mw,也要加放大器對(duì) 接收信號(hào)行放大，以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)

14、。載波同步分析在發(fā)射端，我們使用同一晶振，通過多個(gè)MC145151-2芯片合成了不同頻率 的本振信號(hào)以及60KHz的導(dǎo)頻信號(hào)。這些信號(hào)滿足同步性要求。在接收端，通過帶通濾波器和由HEF4046構(gòu)成的鎖相環(huán)，提取到導(dǎo)頻信號(hào)。 并經(jīng)過分頻計(jì)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(chǎn)生單邊帶信號(hào)時(shí)，在上、下邊帶間隔 &B已經(jīng)確定的情況下，關(guān) 鍵是濾波器能否實(shí)現(xiàn)、由濾波器知識(shí)可知，實(shí)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(duì)值有密切關(guān)系。給單邊帶濾波器定義一個(gè)歸一化值。過渡帶 相對(duì)于載頻的歸一化值計(jì)算方法如下式：式中Af為濾波器的過渡帶，fc為單邊帶信號(hào)的載頻。歸

15、一化值反映了濾波器衰減特性的陡峭程度。 歸一化值越小，濾波器越難以 實(shí)現(xiàn)。一般要求此值不低于103。如果提高，則要求AB加寬。一般的調(diào)制信 號(hào)都具有豐富的低頻成分，經(jīng)調(diào)制后得到的雙邊帶信號(hào)的上、 下邊帶之間的間隔 很窄。模擬電話信號(hào)的最低頻率為 300Hz,經(jīng)過雙邊帶調(diào)制后，上、下邊帶之間 的間隔僅有600Hz,這個(gè)間隔應(yīng)是單邊帶濾波器的過渡帶。 要求在這樣窄的過渡 帶內(nèi)阻帶衰減上升到40dB以上，才能有效的抑制一個(gè)無用的邊帶。這就使濾波 器的設(shè)計(jì)和制作很困難，有時(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)。為此，在工程中往往采用多級(jí)頻率 搬移和多級(jí)濾波的方法，簡(jiǎn)稱多級(jí)濾波法。設(shè)調(diào)制信號(hào)的最低頻率為 九，第一級(jí)調(diào)制后上、下

16、邊帶的間隔 AB=2fL, 第一級(jí)濾波后得到上邊帶信號(hào)。通常fc1 >>fL,這樣第二級(jí)調(diào)制后上、下邊帶的 間隔為62 =2fci 2fL，2fci此時(shí)的頻率間隔取決于載頻fc1o通常fc2是指定的，合理選擇fc1、%2、%、 %便可設(shè)計(jì)出合適的單邊帶信號(hào)調(diào)制器。本系統(tǒng)中，采用二次調(diào)制。第一次用：12KHz,16KHz,20KHz調(diào)制形成前群。 按調(diào)制載波最高頻率計(jì)算，600：13 =0.0320M103,即 3%第二次用84、96、108、120KHz調(diào)制，按最高載頻120KHz計(jì)算，24 103工2 =3 =0.2120 103此設(shè)計(jì)即滿足系統(tǒng)對(duì)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(shí)現(xiàn) 600Q的阻抗匹配?，F(xiàn)以加法器為例加以分 析：如圖18所示， R/R2/R3/R=150Q , R5二150。，輸入端阻抗匹配，且各 路信號(hào)輸入阻抗為600Qo對(duì)于輸出端，R5=600Q.o符合接口阻抗要求。其余 模塊分析類似。8.總結(jié)和心得體會(huì)這次的課程設(shè)計(jì)我對(duì)FDMM了實(shí)踐應(yīng)用上的認(rèn)識(shí)，以前學(xué)理論知識(shí)的時(shí)