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《频分复用专题设计》

频分复用专题设计

班级28013090

学生-----

学号------

教师饶力

【设计名称】

传输专题设计（频分复用）

【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。

【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。

图1频分复用原理框图

【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.语音信号频带：

300Hz～3400Hz。

2.电缆传输频带：

60KHz～156KHz。

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600Ω，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600Ω，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600Ω，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。

【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复用为例。

在图2中设有n路基带信号，

图2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，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。

图3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。

【设计思想】：

在60k-156khz的信道上传输信号，为了能够充分利用信道的带宽，故采用频分复用的方法。

由于话音数据的频带为300-3400hz，再加上保护带，故每路话音信号取4khz作为标准频带，上行分为12路（60khz-108khz），下行分为12路（108khz-156khz）.然后对各路进行调制，由于双边带调制会使信号的频带变为基带的两倍，故采用单边带调制，调制时，首先，对基带信号用低通滤波器进行滤波（滤除波带外的干扰信号），然后乘以载波信号，再用带通滤波器对信号进行滤波，此时若用一次调制，由于载频很高，故对滤波器的

参数要求较高，就很难做出符合要求的滤波器，故用二次调制的方法。

在发送端,将12路语音信号（频率4KHz）,分为四组,每组的3路信号分别用12KHz,16KHz,20KHz的载频进行调制,取上边带,把3路信号用加法器加在一起,合成一个前群,前群的频率为12KHz～24KHz。

再将四个前群分别用84KHz,96KHz,108KHz,120KHz载频进行二次调制,取下边带,从而将四个前群调制到了60KH～108KHz的频带上，形成频率范围为60KHz～108KHz的12路，在接收端,形成前群的方法相同。

将四个前群分别用132KHz,144KHz,156KHz以及168KHz的载频进行调制,取下边带,将基群调制108KHz～156KHz的频段上。

在调制完成后，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。

而在调制与解调过程中由于电压减小，都会产生功率衰减，为符合电路传输要求，就必须在调制与解调过程中，用放大器对信号进行放大。

总之，接收端，基带信号经低通滤波,载波调制，带通滤波器滤波,形成调制信号送入信道传输；发送端各路信号经电缆传输到收端,由收端混合线圈接收,经过带通滤波器滤波,相干解调,低通滤波,再经过放大器放大,得到解调信号。

【设计过程】

1.总体框图

只考虑A到B的传输情况，即60KH～108KHz

至于B到A的情况即108KHz～156KHz，由于与上面相同就没有重复画（只是载波频率的相应改变）

载波的产生：

用晶体振荡器产生4khz的信号，然后再用频率合成的方法产生各路调制载波，也即采用锁相技术的方法。

晶体整荡器电路

产生4khz的信号后，其他如12k16k20k84k96k108k120khz等信号用PPL锁相环实现，具体方框如下：

通过设置N的大小，来合成各种所需频率（4k的倍数）

关于滤波器

我用了一个UAF42的通用有源滤波器芯片，其可实现各种带通滤波器，低通滤波器，高通滤波器。

具体芯片功能见UAF42芯片手册（在我的压缩文件里pdf文件）

单边带调制电路

乘法器电路

一级调制电路（其中芯片为UAF42的通用有源滤波器）

单边带解调电路

二级解调电路

加法器电路：

第一级调制后的三路加法电路

Rs1=Rs2=Rs3=600欧姆时，

公式

成立

当R=600欧姆，R1=300欧姆时，输出就满足

第二级调制后的四路加法电路

Rs1=Rs2=Rs3=600欧姆时，

公式

成立

当R=600欧姆，R1=300欧姆时，输出就满足

放大器电路：

调制电路中的放大器：

功率计算

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,电压幅度衰减为原来的1/4。

在二——四线转换中,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。

由于总电压衰减了1/8,所以总功率就衰减了1/82。

例:

输入功率为0.1mw,到线路端时,只有：

0.1/82mw＝0.001563mw

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0.9/24mw＝0.0375mw。

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。

故由上数据的功率放大倍数应为N=0.0375mw/0.001563mw=24

电压放大倍数就为（开根号）4.9==5

有公式放大倍数=

而要放大5倍，故可取R=800欧姆R1=200欧姆即可。

解调中的放大电路：

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。

输入信号的功率为0.0375mv，一次耦合衰减1/2，一次混频器衰减1/2，共两次衰减，得到每路功率为

得到总功率的要得到功率为0.1mw的接收功率，需要放大的倍数为

音频接收机的输出功率为0.1mw，接口阻抗为600欧，则音频信号幅值为

传输线上的电压为：

有公式放大倍数=

而要放大倍，故可取R=560欧姆R1=100欧姆即可。

四—二线器转换

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16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15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15线圈等效原理图

图16四—二线转换原理图

当电桥平衡时（4个电阻大小相等）,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600Ω。

具体电路如图17所示。

图17四－二线转换电路

载频提取电路

由于调制电路采用抑制载波，故在已调信号中不存在载波功率，就不能让那个直接提取载波。

本次设计采用插入导频法，即在发送端将导频插入（一般为信号功率为0的地方），解调时就用一窄带滤波器滤出，并用于解调。

导频产生

将调制信号与载波频率用加法器相加合成一新信号（含载波频率）

导频提取：

用一窄带滤波器滤出（只画出了一路的解调模块，中间为乘法器）

Simulink仿真

由于没找到音频信号，所以就用了12个正弦函数代替12路音频信号

f（t）=sin（2*pi*ft）;

频率分别为：

3khz,2khz,1khz,3khz,2khz,1khz,3khz,2khz,1khz3khz,2khz,1khz.

仿真电路图：

由于电路图很大，所以粘贴后各模块就不是很清楚，具体电路原始文件在交过去的压缩文件包里，老师可以用MATLAB打开看

仿真波形:

第一路信号（sin（2*pi*f*t））f=3khz

第二路信号（sin（2*pi*f*t））f=2khz

第三路信号（sin（2*pi*f*t））f=1khz

二级调制后，60khz—72khz的信号波形图

二级调制后，72khz—84khz的信号波形图

二级调制后，84khz—96khz的信号波形图

二级调制后，96khz—108khz的信号波形图

二级调制四路相加后，60khz—108khz的信号波形图

第一路解调信号

第二路解调信号

第三路解调信号

第四路解调信号

第五路解调信号

第六路解调信号

第七路解调信号

第八路解调信号

第九路解调信号

第十路解调信号

第十一路解调信号

第十二路解调信号

总结及心得体会:

1.十二路解调出的信号，与原信号比出现失真，说明系统还存在缺陷，需要改进，由于时间关系就没有继续调试，以后有时间尽量改进。

2.通过此次综合课程设计，主要用到protel99SE软件及MATLAB中的Simulink模块，设计中也对这两个软件模块有了更深的认识，对以后的学习有很大的帮助。

3.设计中关于频率合成的电路图，由于没有找到比较简单的电路图，就没有用protel画，只是给出了方框图，希望老师理解。

4.实验的总体原理框图由于我没用软件画，而是直接在word上画，就画得比较难看，而且也相对也简单了一点。

5.各个模块的原始电路图我都放在我交过去的压缩包里的ddb文件，如果老师有protel软件，可以查看，估计会更清楚。