頻分復(fù)用兩路通信電路的設(shè)計(jì)

1、1軟件基礎(chǔ)I.IMultisim 軟件簡(jiǎn)介Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借 Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的 電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù) 的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，電路設(shè)計(jì)可以通過計(jì)算機(jī)輔助分析和仿真技術(shù)來 完成。計(jì)算機(jī)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用，代替了大包大

2、攬的試驗(yàn)電路，大大減輕驗(yàn)證 階段的工作量；其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動(dòng)直觀性，為電子專業(yè) 教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺(tái)，并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機(jī)檢測(cè)提供參考 數(shù)據(jù)，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數(shù)。采用仿真軟件能滿足整個(gè) 設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過程的自動(dòng)化。Multisim 軟件是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì) 的EDA工具軟件。作為 Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，Multisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。它的主要優(yōu)勢(shì)為：（1）通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境，輕松設(shè)計(jì)電路（2）通過交互式SPICE仿真,迅速了解電路行為（3）借助高級(jí)電路分析，理解基本設(shè)計(jì)特征（4）通過一個(gè)工

3、具鏈，無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試（5） 通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程，減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間1.2 Multisim 的特點(diǎn)（1）直觀的圖形界面整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上， 輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來， 軟件儀 器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的一樣。(2) 豐富的元器件庫Multisim大大擴(kuò)充了 EWB勺元器件庫， 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算 放大器、TTL和CMO數(shù)字IC、DAC ADC及其他各種部件，且用戶可通過元件編 輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型，還可通過l

4、iT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件 模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。(3) 豐富的測(cè)試儀器除EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、掃頻儀、字信 號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和邏輯轉(zhuǎn)換儀外，Multisim新增了瓦特表、失真分析儀、 頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。尤其與 EW環(huán)同的是：所有儀器均可多臺(tái)同時(shí)調(diào)用。(4) 完備的分析手段除了 EW提供的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲 分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、極點(diǎn)一零點(diǎn)分析、傳輸函數(shù)分 析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析外，Multisim 新增了直流掃描分析、批處理分析、用戶定義分析、噪聲圖形分析和射頻分析等，基

5、本上能滿足 一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀(5) 強(qiáng)大的仿真能力Multisim 既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏?真，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時(shí)會(huì)顯示出錯(cuò)信息、提 示可能出錯(cuò)的原因，仿真結(jié)果可隨時(shí)儲(chǔ)存和打印。1.3 multisim 的發(fā)展EDA就是“ Electronic Design Automation”的縮寫技術(shù)已經(jīng)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。發(fā)達(dá)國(guó)家目前已經(jīng)基本上不存在電子產(chǎn)品的手工設(shè)計(jì)。一臺(tái)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，從概念的確立，到包括電路原理、 PCB版圖、單片機(jī)程序、 機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)、FPGA的構(gòu)建及仿真、外觀界面、熱穩(wěn)

6、定分析、電磁兼容分析在內(nèi)的 物理級(jí)設(shè)計(jì)，再到PCB鉆孔圖、自動(dòng)貼片、焊膏漏印、元器件清單、總裝配圖等 生產(chǎn)所需資料等等全部在計(jì)算機(jī)上完成。EDA技術(shù)借助計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量大、運(yùn)行速 度快的特點(diǎn)，可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評(píng)估、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化 和數(shù)據(jù)處理等工作。EDA已經(jīng)成為集成電路、印制電路板、電子整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 主要技術(shù)手段。美國(guó)NI公司(美國(guó)國(guó)家儀器公司)的 Multisim 軟件就是這方 面很好的一個(gè)工具。Multisim 是加拿大圖像交互技術(shù)公司（In teractive Image Tech noligics 簡(jiǎn)稱IIT公司）推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的

7、模擬/數(shù)字電 路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式， 具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。 Multisim 提煉了 SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。 通過Multisim 和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成 從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。2頻分復(fù)用2.1頻分復(fù)用的概述頻分復(fù)用(FDM Frequency Division Multipl

8、exing)就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子頻帶(或稱子信道)，每一個(gè)子信道傳輸1路信號(hào)。頻分復(fù) 用要求總頻率寬度大于各個(gè)子信道頻率之和，同時(shí)為了保證各子信道中所傳輸?shù)男盘?hào)互不干擾，應(yīng)在各子信道之間設(shè)立隔離帶，這樣就保證了各路信號(hào)互不干擾 (條件之一)。頻分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是所有子信道傳輸?shù)男盘?hào)以并行的方式工作， 每一路信號(hào)傳輸時(shí)可不考慮傳輸時(shí)延，因而頻分復(fù)用技術(shù)取得了非常廣泛的應(yīng)用。 頻分復(fù)用技術(shù)除傳統(tǒng)意義上的頻分復(fù)用(FDM)外,還有一種是正交頻分復(fù)用(OFDM)頻分復(fù)用是利用各路信號(hào)在頻率域不相互重疊來區(qū)分的。若相鄰信號(hào)之間產(chǎn)生相互干擾，將會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生失真。為了防止相鄰信號(hào)之間

9、產(chǎn)生相互干擾，應(yīng)合理選擇載波頻率fc1, fc2, ,fen，并使各路已調(diào)信號(hào)頻譜之間留有 一定的保護(hù)間隔。若基帶信號(hào)是模擬信號(hào)，則調(diào)制方式可以是DSB AM、SSBVSB或FM等，其中SSB方式頻帶利用率最高。若基帶信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，則調(diào)制 方式可以是ASK FSK PSK 等各種數(shù)字調(diào)制。2.2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)頻段傳輸，因而可以用濾波器將它們分別濾 出來，

10、然后分別解調(diào)接收。如圖2-1所示。叫低ifi邊頻 濾波器帶通4 X、lpf帶通邊頻謔波器圖2-1頻分復(fù)用組成框圖(1) 發(fā)送端由于消息信號(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，這里我們假設(shè)各路的調(diào)制信號(hào)fm的頻率都相等。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)，為了防止鄰路信號(hào)間的相互干擾，還應(yīng)留有一定的保護(hù)頻帶，即fc(i+1)=fci +(fm+fg) ,i=1,2.n 其中：fc(i+1) 與fci分別為第i+1路與i路的載頻頻率;fm每一路調(diào)制信號(hào)的 最高

11、頻率,本設(shè)計(jì)中為3400Hz;fg鄰路間保護(hù)帶。(2) 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)。2.3頻分復(fù)用的頻譜結(jié)構(gòu)經(jīng)過調(diào)制的各路信號(hào)，在頻率位置上就被分開了。因此，可以通過相加器將它們合并成適合信道內(nèi)傳輸?shù)膹?fù)用信號(hào)。圖中，各路信號(hào)具有相同的fm,但它們的頻譜結(jié)構(gòu)可能不同。n路單邊帶信號(hào)的總頻帶寬度為Bn=nfm+ (n-1 ) fg= (n-1 ) (fm+fg) +fm= (n-1 ) B1+fm式中，B仁fm+fg為一路信號(hào)占用的帶寬頻分復(fù)用的頻譜結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：*

12、 叱 一陀叫% 叭圖1-2頻分復(fù)用頻譜結(jié)構(gòu)圖3頻分多路復(fù)用3.1頻分多路復(fù)用概述頻分多路復(fù)用(Frequency-division multiplexing， FDM,是一種將多路基帶信號(hào)調(diào)制到不同頻率載波上再進(jìn)行疊加形成一個(gè)復(fù)合信號(hào)的多路復(fù)用技術(shù)。 在物理信道的可用帶寬超過單個(gè)原始信號(hào)所需帶寬的情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個(gè)與傳輸單個(gè)信號(hào)帶寬相同(或略寬)的子信道，每個(gè)子信道傳輸一種信號(hào)，這就是頻分多路復(fù)用。歷史上，電話網(wǎng)絡(luò)曾使用FDM技術(shù)在單個(gè)物理電路上傳輸若干條語音信道。 這樣，12路語音信道被調(diào)制到載波上各自占據(jù) 4KHz帶寬。這路占據(jù)60 108KHZ 頻段的復(fù)合信號(hào)被認(rèn)

13、為是一個(gè)組。反過來，五個(gè)這樣的信號(hào)組本身被同樣的方法 多路復(fù)用到一個(gè)超級(jí)組中，這個(gè)組包含 60條語音信道。進(jìn)一步甚至有更高層次 的多路復(fù)用，這樣使得單個(gè)電路中傳輸幾千條語音信道成為可能。FDM也能被用于在最終調(diào)制到載波上之前合并多路信號(hào)。在這種情況下，所 載信號(hào)被認(rèn)為是次載波。立體聲調(diào)頻(stereo FM)專輸就是這樣一個(gè)例子：38KHz 次載波被用于在復(fù)合信號(hào)頻率調(diào)制之前從中央左右合并信道中分離出左右不同 的信號(hào)。當(dāng)頻分多路復(fù)用被用于允許多路用戶共享一個(gè)物理通信信道時(shí)，它又被稱為頻分多址(FDMA。FDMA是一種從不同發(fā)送器中分離無線電信號(hào)的傳統(tǒng)方法。在 光學(xué)領(lǐng)域類似頻分多路復(fù)用的技術(shù)被稱

14、為分波多工(wavele ngth divisio nmultiplexi ng)。從原理分析可知，F(xiàn)DMt匕較適合于傳輸模擬信號(hào)，而 TDM則比 較適合于傳輸數(shù)字信號(hào)。3.2頻分多路復(fù)用原理圖下圖給出了頻分多路復(fù)用的原理圖。以 n路為例，模擬信號(hào)經(jīng)過FDM復(fù)用過 程到達(dá)同一傳輸介質(zhì)上。12n圖3-1頻分多路復(fù)用原理圖3.3頻分多路復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)及存在的問題（1）優(yōu)點(diǎn)信道復(fù)用率高，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。（2）主要問題頻分多路復(fù)用中的主要問題是各路信號(hào)之間的相互干擾，即串?dāng)_。弓I起串?dāng)_的主要原因是濾波器特性不夠理

15、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)制非線性所造成的串?dāng)_可以部分地由發(fā)送帶通濾波器消除，但信道傳輸中非線性所造成的串?dāng)_則無法消除。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。合理選擇載波頻率，并在各路已調(diào)信號(hào)頻譜之間留有一定的保護(hù)間隔， 也是減小串?dāng)_的有效措施。4設(shè)計(jì)原理4.1設(shè)計(jì)思想由于設(shè)計(jì)要求是完成一個(gè)頻分復(fù)用兩路通信電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩路不同信號(hào)的頻分傳輸功能在信號(hào)接收端能夠完整還原出兩路原始模擬信號(hào)，選用相應(yīng)調(diào)制解調(diào)方式與同步方式，進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，所以可以選擇調(diào)制方式為抑制載波的 單邊帶調(diào)制（DSB,可以利用它雙邊帶信號(hào)的頻譜不存在載波分量，所有的功率 都集中在兩個(gè)

16、邊帶中，即調(diào)制效率為百分之百的優(yōu)點(diǎn)來提高整個(gè)電路系統(tǒng)的傳輸 效率。調(diào)制采用抑制載波的單邊帶調(diào)制（DSB方法來實(shí)現(xiàn)，即采用乘法器的方法， 對(duì)于所使用的畫圖仿真軟件 Multisim，經(jīng)查找其元件庫中有乘法器與加法器， 故可采用此方案，為了抑制使調(diào)制后的信號(hào)在傳輸中不被干擾， 可在加法器后面、 解調(diào)器前面加一個(gè)帶通濾波器，同時(shí)，由于載波信號(hào)是高頻分量，所以在最開始 調(diào)制時(shí)將高頻分量加入了傳輸?shù)男盘?hào)中，這樣就導(dǎo)致了傳輸?shù)男盘?hào)中包含了高頻 分量，而在解調(diào)時(shí)又無法將高頻分量消除， 所以為了保證調(diào)制與解調(diào)相對(duì)應(yīng)以及 滿足同步的要求，即使接收到的經(jīng)過濾波的信號(hào)不被高頻信號(hào)干擾，應(yīng)在解調(diào)器后面需各加一個(gè)低通濾

17、波器。帶通濾波器的中心頻率即為兩路信號(hào)調(diào)制時(shí)的載波 頻率。4.2設(shè)計(jì)流程圖按照以上的設(shè)計(jì)思想，可以確定以下設(shè)計(jì)流程圖：低通濾波1低通濾波2圖4-1頻分兩路復(fù)用系統(tǒng)流程圖5各單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）調(diào)制電路調(diào)制電路較為簡(jiǎn)單，可以直接采用載波信號(hào)與各路信號(hào)相乘來實(shí)現(xiàn)，時(shí)域內(nèi) 相乘的過程便意味著頻域內(nèi)頻譜搬移的過程， 使各路信號(hào)由低頻段被搬移到了高 頻段，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。調(diào)制單元電路圖如下圖所示：圖5-1調(diào)制單元電路圖（2）帶通濾波器（BPF電路加帶通濾波器（BPF電路的目的是避免兩路信號(hào)發(fā)生混疊現(xiàn)象，所以帶通濾波器電路的中心頻譜即為各路信號(hào)的載波頻率，而帶寬選取一致，從而降低了傳輸錯(cuò)誤的可能性。帶

18、通濾波器（BPF電路如下圖所示：159366.5；,:AA/V10KL：R2210KL58 - C13 -Hh 3d.83nF61RATEDC44R42707-1LBPF-FBiOKHz:Pass Band Widtti-1 KHz圖5-2帶通濾波器1圖5-3 帶通濾波器2（3）解調(diào)器單元電路解調(diào)器單元電路的實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單，解調(diào)與調(diào)制相對(duì)應(yīng)，鑒于相干解調(diào)實(shí)際 上就是要在本地恢復(fù)出同頻同相的載波，具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，誤碼率性能較好的特點(diǎn)， 而且市面上有售關(guān)于乘法器的芯片，所以采用相干解調(diào)的方法。解調(diào)單元電路如 下圖所示：1 Vims-10kHz:啪: A5 I 工二H XZ 11 VA/0V圖5-4解

19、調(diào)單元電路(4) 低通濾波器(LPF)電路經(jīng)解調(diào)后的信號(hào)仍然分布在高頻段與低頻段，而真正解調(diào)后所需的信號(hào)是原 始的低頻段的信號(hào)，所以必須加低通濾波器電路。為了使濾波效果較為明顯，可 采用三階低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。低通濾波電路圖如下圖所示：6電路原理圖將以上調(diào)制器單元電路圖、加法器、帶通濾波器（ BPF電路、解調(diào)器單元 電路、低通濾波器（LPF電路，最后再加上示波器便組成了此次課程設(shè)計(jì)的電 路原理圖-頻分復(fù)用兩路通信電路圖。具體電路圖如下圖所示：圖6-1頻分復(fù)用兩路通信電路圖7仿真與分析(1) 調(diào)制電路仿真結(jié)果圖與分析調(diào)制電路仿真結(jié)果圖如下圖所示:圖7-1調(diào)制電路仿真結(jié)果圖由以上結(jié)果可知，調(diào)制電路可

20、以實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)與原信號(hào)相乘，即調(diào)制(2) 帶通濾波器電路仿真結(jié)果圖與分析調(diào)制電路仿真結(jié)果圖如下圖所示：圖7-2帶通濾波器電路仿真結(jié)果圖由以上結(jié)果可知，經(jīng)調(diào)制后的信號(hào)再經(jīng)過帶通濾波器后防止了兩路信號(hào)的混 疊現(xiàn)象。（3）解調(diào)器單元電路仿真結(jié)果圖與分析解調(diào)器單元電路仿真結(jié)果圖如下圖所示：1InOxiloKQpp-XC 1圖7-3解調(diào)器電路仿真結(jié)果圖由以上結(jié)果可知，經(jīng)解調(diào)后的信號(hào)仍含有高頻分量，這就意味著其后的低通 濾波器是必不可少的。（4）低通濾波器電路仿真結(jié)果圖與分析解調(diào)器單元電路仿真結(jié)果圖如下圖所示：圖7-4低通濾波器電路仿真結(jié)果圖由以上結(jié)果可知，三階低通濾波器成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻信號(hào)的隔離以及恢復(fù)出了原始信號(hào)，同時(shí)，恢復(fù)出了的信號(hào)既沒有雜波干擾也沒有產(chǎn)生失真，從而證明了這