通原课设报告.docx
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通原课设报告
前言
现代通信技术随着计算机技术，光纤技术等各种学科的发展一直在快速的进步着，人们的生活已经与通信建立了不可分割的联系。
人们的日常活动如打电话，上网，收看电视节目，听广播等都是属于通信范围内的活动。
科技的进步也使人们对于信息的需求量变得越来越大，对接收信息的速度也有了更高的要求。
这就对信息的传输技术提出了更高的要求，特别是在目前信道资源相对有限的情况下要实现大信息量的传输是更为需要的。
基于以上的需求，复用技术就应运而生了。
频分复用，波分复用，码分复用都是复用技术家族的成员。
复用技术的出现，提高了信道的利用率，降低了单位信息的发送成本。
对通信技术的发展起到了极大的推动作用。
本报告所涉及的是复用技术中的频分复用。
1原理分析
“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。
比如，传输的语音信号的频谱一般在300~3400Hz内，为了使若干个这种信号能在同一信道上传输，可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来。
有三种基本的多路复用方式：
频分复用（FDM）、时分复用（TDM）与码分复用（CDM）。
按频率区分信号的方法叫频分复用，按时间区分信号的方法叫时分复用，而按扩频码区分信号的方式称为码分复用。
需要传输的信号按要求分割后,调制到各自的频率点上。
所有的频率点互相有影响,但是很小。
因此，频分复用发射设备按自己的频道发射的频率其实是个频率带组合,因此不出现干扰。
频分复用的目的在于提高频带利用率。
通常，在通信系统中，信道所能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多，例如一个连续信道的带宽为1MHz信道的信噪比S/N为63则根据连续信道的信道容量公式
，得到此信道的信道容量为6Mbit/s。
这个容量显然是比一路语音信号的需求带宽大很多的，因此，一个信道只传输一路信号是非常浪费的。
为了充分利用信道的带宽，就提出了信道的频分复用问题。
图1示出了一个频分复用电话系统的组成框图。
图中，复用的信号共有n路，每路信号首先通过低通滤波器（LPF），以限制各路信号的最高频率。
为简单起见，无妨设各路的都相等。
例如，若各路都是话音信号，则每路信号的最高频率皆为3400Hz。
然后，各路信号通过各自的调制器进行频谱搬移。
调制器的电路一般是相同的，但所用的载波频率不同。
调制的方式原则上可任意选择，但最常用的是单边带调制，因为它最节省频带。
因此，图中的调制器由相乘器和边带滤波器（SBF）构成。
在选择载频时，既应考虑到边带频谱的宽度，还应留有一定的防护频带，以防止邻路信号间相互干扰，即
图1频分复用原理示意
式中，
和
分别为第i路和第（i+1）路的载波频率；
是每一路的最高频率；
是邻路间隔防护频带。
显然，邻路间隔防护频带越大，对边带滤波器的技术要求越低。
但这时占用的总频带要加宽，这对提高信道复用率不利。
因此，实际中应尽量提高边带滤波技术，以使尽量缩小。
目前，按CCITT标准，防护频带间隔应为900Hz。
这样使邻路干扰电平低于－40dB以下。
图2频分复用信道传输信号频域事宜
经过调制的各路信号，在频率位置上就被分开了。
因此，可以通过相加器将它们合并成适合信道内传输的复用信号，其频谱结构如图2所示。
图中，各路信号具有相同的频宽，但它们的频谱结构可能不同。
n路单边带信号的总频带宽度为：
式中，
为一路信号占用的带宽。
合并后的复用信号，原则上可以在信道中传输，但有时为了更好地利用信道的传输特性，还可以再进行一次调制，也就是可以使用复合调制或多级调制技术。
在接收端，可利用相应的带通滤波器（BPF）来区分开各路信号的频谱。
然后，再通过各自的相干解调器便可恢复各路调制信号。
频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。
因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。
特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。
频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。
为有效解决无线信道中多径衰落和加性噪声等问题，同时降低系统成本，人们还采用了称为正交频分复用（OFDM）技术。
OFDM是一种多载波并行传输系统，通过延长传输符号的周期，增强其抵抗回波的能力。
与传统的均衡器比较，它最大的特点在于结构简单，可大大降低成本，且在实际应用中非常灵活，对高速数字通信量一种非常有潜力的技术。
本系统框图如下页图3：
图3系统总框图
2系统介绍
在通信系统中同步是一个很重要的实际问题。
当采用同步解调或者相干解调时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。
这个相干载波的获取就称为载波提取，或者称为载波同步。
当通信是在两点之间进行时，完成了载波同步、位同步和群同步之后，接收端不仅仅获得了相干载波，而且通信双方的时标关系也解决了。
同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不能正常工作。
可以说，在同步通信系统中，“同步”是进行信息传输的前提，正因为如此，为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应该有更高的可靠性。
2.1载波同步
提取载波的方法一般分为两类：
一类是在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个或者多个称为导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波，这类方法称为插入导频法；另一类是不专门发送导频，而是在接收端直接发送信号中提取载波，这类方法称为直接法。
2.1.1插入导频法
抑制载波的双边带信号本身不含有载波；残留边带信号虽然一般都喊有载波分量，但很难从已调信号的频谱中将它分离出来；单边带信号更是不存在载波分量。
对这些信号的载波提取，可以用插入导频法，特别是单边带调制信号，只能用插入导频法提取载波。
假设我们采用某种相关编码信号去进行抑制载波的双边带调制，从频谱图4看出，在载频处，已调信号的频谱分量为零，载频附近的频谱分量也很小，这样就便于插入导频以及解调时易于滤出它。
插入的导频并不是加于调制器的那个载波，而是将该载波移相90度后的所谓“正交载波”，如图4示。
这样，就可组成插入导频的发端方框图。
设调制信号为
中无直流分量，
图4插入导频信号频谱示意
被调载波为
，制器假设为一相乘器，插入导频是被调载波移相90度形成的，为
，其中，
是插入导频的振幅。
于是输出信号为
设收端收到的信号与发端输出信号相同，则收端用一个中心频率为
的窄带滤波器就可取得导频
，再将它移相
，就可得到与调制载波同频同相的信号
。
发端的方框图5下。
图5插入导频法发端方框图
其中有，
若收端中低通滤波器的截止频率为
，
经低通滤波器后，就可以恢复出调制信号
。
然而，如果发端加入的导频不是正交载波，而是调制载波，则从收端相乘器的输出可以发现，除了有调制信号外，还有直流分量，这个直流分量将通过低通滤波器对数字信号产生影响。
这就是发端导频正交插入的原因。
抑制载波的双边带信号虽然不包含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换后，就可以直接从其中提取出载波分量。
此外还有在残留边带信号中插入导频的方法。
2.1.2直接法
抑制载波的双边带信号虽然不包含载波分量，但对该信号进行某种非线性变换后，就能够直接从其中提取出载波分量来。
主要介绍平方变换法和平方环法
设调制信号为
中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为
接收端将该信号进行平方变换，即经过一个平方律部件后就得到
由上式可以看出，虽然前面假设了
中无直流分量，但
中却有直流分量，而
表示式的第二项中包含有
频率的分量。
若用一窄带滤波器将
频率分量滤出，再进行二分频，就获得所需要的载波。
根据这种分析所得出的平方变换法提取载波的方框图如图6所示。
图6平方变换法示意
若调制信号
该抑制载波的双边带信号就成为二相移相信号，这时
由于提取载波的方框图中用了一个二分频电路，故提取出的载波存在180度的相位含糊问题。
对移相信号而言，解决这个问题的常用方法是采用前面已经介绍过的相对移相。
平方变换法提取载波方框图中的
窄带滤波器若用锁相环代替，构成如图7示的方框图，就称为平方环法提取载波。
图7使用锁相环提取载波
由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆性能，平方环法比一般的平方变换法具有更好的性能。
因此，平方环法提取载波应用较为广泛。
直接法提取载波信号除了平方变换法和平方环法外还可以使用同相正交法还可以从多相移信号中提取载波。
2.2信号发送和接收
这两部分为同组的其他成员完成，其原理概述如下。
由于从消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中不适宜直接进行传输。
因此，在通信系统的发送端通常需要有调制过程。
所谓载波调制，就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。
调制的载波可以分为两类：
用正弦型信号作为载波；用脉冲串或一组数字信号作为载波。
通常，调制可以分为模拟（连续）调制和数字调制两种方式。
在模拟调制中，调制信号的取值是连续的；而数字调制中的调制信号的取值则为离散的。
目前常用的模-数变换可看成是一种用脉冲串作为载波的数字调制，它又成为脉冲编码调制。
调制在通信系统中具有重要的作用。
通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。
调制方式往往决定了一个通信系统的性能。
最常用和最重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。
常见的调幅（AM）、双边带（DSB）和单边带（SSB）等调制是幅度调制；而频率调制就是角度调制中被广泛采用的一种。
本册设计中采用的是双边带调制。
DSB调制的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，频带利用率不高，接收要求同步解调，设备较复杂。
只用于点对点的专用通信及低带宽信号多路复用系统。
本系统选用了DSB的调制方式。
其调制公式为
；
本系统选用的解调方式为同步解调，其理论解调公式为，
3误差分析
载波同步系统的主要性能指标是高效率和高精度。
所谓高效率就是为了获得载波信号而尽量少消耗发送功率。
用直接法提取载波时，发端不专门发送导频，因而效率高；而用插入导频法时，由于插入导频要消耗一定部分功率，因而系统的效率低。
所谓高精度，就是提取的载波应是尽量精确的相干载波，也就是相应误差因该尽量小。
相位误差通常由稳态相差和随机相差组成。
稳态相差主要是指载波信号通过同步信号提取电路以后，在稳态下所引起的相差；随即相差是由于随机噪声的影响而引起同步信号的相位误差。
实际的同步系统中，由于同步信号提取电路的不同，信号和噪声形式的不同，相位误差的计算方法也就不同。
载波的同步性能除了高效率，高精度外，还要求同步建立时间快，保持时间长等。
3.1稳态误差
用窄带滤波器提取载波，假设所用的窄带滤波器为一个简单的单调谐回路，其Q值一定，那么，当回路的中心频率
与载波频率
不相等，就会使输出的载波同步信号引起一个稳态相差。
若
和
之差为
，且差很小时，可得
3.2随机相差
由于随机的高斯噪声叠加在载波信号中，会使得载波同步信号产生相位误差。
一个给定初始相位的正弦波叠加窄带高斯噪声后的相位分布可以为
。
若初始相位为0，可得此时的相位分布为
还可以分析得到随机相差的方差与信噪比又如下关系
设系统中的噪声为
则经过窄带滤波器后的噪声功率就为
，由于仅仅考虑高斯白噪声情况，窄带滤波器的输出信噪比为
4具体设计
本系统的设计是基于SystemView平台的2路信号频分复用系统。
具体电路图如图8。
图8具体电路图
本系统包括了调制，同步和解调三部分。
本报告所涉及的部分主要是同步电路的部分。
同步电路部分使用的是载波同步中的插入导频法。
4.1载波
本系统的两路信号的载波选用的是频率为10KHz和20KHz，振幅为1V的正弦波信号（32号和39号器件）。
具体设置如图9，其时域波形如图10。
图9信号属性图10信号波形
载波选用了这两个波形主要是考虑到载波的频率要远远高于待调制信号的频率，这样在调制过程中才不会出现过度的信号失真。
同时，频率较高的载波在实际的信号发射过程中，更容易被天线发射出去。
并且，高频率的载波所能携带的信号带宽较大，能发射出更高带宽的信号。
4.2基带信号
本系统中的基带信号选用的是频率为1KHz和2KHz的正弦波信号（25号和36号器件）。
具体设置参照载波的设置方法。
4.3带有插入导频法的同步调制电路
调制电路如图11，基带信号和载波信号在经过了乘法器（26号器件）相成后变为了调制信号，在经过一个中心频率为载波频率的带通滤波器后就可以成为了DSB信号。
但是在本系统中采用了插入导频法的同步调制电路，所以载波信号在进行了一个90度的移相后同调制好的调制信号进行加法器（35号器件）合成得到调制后的信号如图12。
图11同步调制电路图12调制后波形
电路中带通滤波器的具体设计数值窗口如图13，采用的FIR滤波器（27号器件）。
没有采用模拟带通滤波器的原因是因为，在此系统中设计的模拟带通滤波器的过渡频带较长，不利于信号的有效选择，因此采用了FIR滤波器的设计方法，得到的滤波特性如图14。
由图可见，在规定的通带范围内，信号的增益十分平稳，而在阻带内又能有很大的衰减，且两者间的过渡带非常狭窄，满足了本系统对于带通滤波器的设计要求。
在经过调制后可以认为得到了以下信号形式，
图13调制部分带通滤波器参数图14带通滤波器频域特性
4.4收端电路
两路信号在经过了调制后，由相加器（35号器件）合成送入信道传输，信道中存在加性噪声（52号器件）也同时被合成如信道传输，同时按照设计要求，信道有20dB的衰减（60号器件），这样就完成了信号的频分复用，其频谱图如图15。
基带信号的频谱被搬移到载波信号的附近，同时因为两路载波的频率相差较大，实现了信号在频域的有效分离。
在接收端，利用两个中心频率分别为两路载波信号频率的带通滤波器（43号和44号器件）就能把接收到的信号在频域上分离，分离后送入解调电路进行解调。
图15频分复用信号频域波形
解调电路由如图16的电路构成，电路的组成为一个中心频率为载波频率的带通滤波器，一个中心频率也为载波频率的带通滤波器（28号器件），但这个带通滤波器为窄带滤波器，其选频特性十分优良，可以精确的将导频滤出，同时又尽可能少的带入其他频率的杂波。
得到导频后经过一个90度的移相器（29号器件），将导频变成与载波信号同频同相的正弦波，将这路信号与调制信号一起通过一个乘法器（30号器件）后，再通过一个通带截止频率为稍高于基带信号频率的低通滤波器（31号器件）后就得到了原始的基带信号。
图16同步解调电路
原始信号在经过本系统后，又重新恢复了出来，它们的频谱如图17。
可见本系统的各项性能指标是比较优良的。
图17最终解调波形与原信号频域比较图
5电路调试
在搭建好如上文所述的频分复用系统后，进行电路的调试。
因为制作平台为理想情况，所以根据理论公式推导的数据能够使系统运行良好。
经调试，系统的各项性能能够满足设计要求，达到了初始的设计目的。
6小结
经过了为期一周的时间，本次的通信原理课程设计工作完成了。
在设计过程中虽然出现了很多问题，但是总体上来看，设计的过程还是顺利的；设计的收获还是很丰富的。
通过了这次课程设计，让我学会了使用一款新的电子设计软件――SystemView。
并且在设计过程中，对所学的知识的印象又有了加固，从原先的知识点中拓宽出了新的层面。
通过设计，让我真实的体会到了频分复用技术的优越性，对频分复用技术的认识也从课本上抽象的概念认识提升到了形象的实际体会。
这对今后从事相关工作是有很大帮助的。
在这一周的时间里，通过自己亲自从构思到概念设计到具体电路搭建一步步走下来，使我的动手能力有了很大提高。
同时要感谢我的设计指导老师舒小仙老师，在我遇到设计难点的时候能够顺利的攻克，从而完成设计；还要感谢我的专业课老师卢络先老师，将我们带入了通信原理的知识范畴。
最后还要感谢我的组员，没有他们的共同协力，这次的设计任务也不可能完成。
参考文献
1樊昌信，张甫翊，吴成柯.通信原理.北京：
国防工业出版社.2001
2程佩青.数字信号处理.清华大学出版社.2001
3周炯粲.信息理论基础.北京:
人民邮电出版社.1983
4康华光.电子技术基础.高等教育出版社.2000
5邱关源.电路.高等教育出版社.1999
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