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 1. 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(guò)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。在接收端用適當(dāng)?shù)臑V

2、波器將多路信號(hào)分開(kāi)，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(kāi)，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。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)頻段傳輸。系統(tǒng)原理如圖2所示。以線性調(diào)制信號(hào)的頻分

3、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(kāi)，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)。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(guò)低通濾波，以便限制各路信號(hào)的最高頻率 ，為了分析問(wèn)題的方便，這里我們假設(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，

4、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(guò)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 式中為已調(diào)信號(hào)的帶寬，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(lái)區(qū)分各路信號(hào)的頻譜,然后,通過(guò)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)?！绢l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

5、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(wèn)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。此外，由于在傳輸過(guò)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，即串?dāng)_。引起串?dāng)_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)制非線性所造成的串?dāng)_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。 頻分復(fù)用信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)合理選擇載波頻率fc1、fc2 、 、fcn，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。 鄰路間的保

6、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 。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(guò)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) fg=(n-1)(fm+ fg)+ fm=(n-1)B1+fm 式中 B1= 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)

7、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600，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600，標(biāo)稱輸入輸出功率為0.1mW。7 濾波器指標(biāo)：規(guī)一化過(guò)渡帶1，特征阻抗600，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)思路通過(guò)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(guò)程中，先濾出

8、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 系統(tǒng)框圖（2）系統(tǒng)仿真 Simulink仿真電路（仿真前三路電路）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)：第2路發(fā)送信號(hào)2000Hz第2路接收信號(hào)：第2路接收信號(hào)2000Hz6. 硬件電路設(shè)計(jì)頻率生成器作為基準(zhǔn)的60kHz方波是由一個(gè)555電路產(chǎn)生的，采用了晶體振蕩器，如圖七。為占空比，為輸出頻率。根據(jù)以上公式，選取，構(gòu)成頻率發(fā)生器。圖1 產(chǎn)生60KHz方波圖

9、2 利用4022產(chǎn)生12KHz和4KHz方波圖3 利用4046合成64KHz方波加法器采用同相加法器構(gòu)成。因此=300。圖4 實(shí)現(xiàn)三路加法的加法器因此=150。圖5 實(shí)現(xiàn)五路加法的加法器四二線轉(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)行四二線轉(zhuǎn)換。四二線轉(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。混合線圈原理是一個(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。圖6 線圈等效原理圖圖7 四二線轉(zhuǎn)換原理圖當(dāng)電橋平衡時(shí)(4個(gè)電阻大小相等)

10、,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(wú)電流流過(guò),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(lái)說(shuō),輸入,輸出阻抗均為600。具體電路如圖17所示。圖8 四二線轉(zhuǎn)換電路功率放大器由可得發(fā)送端放大電路如下圖十三：圖9 發(fā)送端放大電路由可得接收端放大電路如下圖十四：圖10 接收端放大電路調(diào)制電路圖11 調(diào)制電路圖(balanced modulator)解調(diào)電路圖12 解調(diào)電路圖(product detector)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(guò)兩次調(diào)制

11、,電壓幅度衰減為原來(lái)的1/4。在四二線轉(zhuǎn)換中,電壓還要衰減1/2?？偟碾妷核p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：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(guò)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)。載波同步分

12、析在發(fā)射端，我們使用同一晶振，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)渡帶相對(duì)于載頻的歸一化值計(jì)算方法如下式:式中為濾波器的過(guò)渡帶，為單邊帶信號(hào)的載頻。歸一化值反映了濾波器衰減特性的陡峭程度。歸一化

13、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(guò)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(guò)渡帶。要求在這樣窄的過(guò)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(wú)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，第一級(jí)調(diào)制后上、下邊帶的間隔，第一級(jí)濾波后得到上邊帶信號(hào)。通常，這樣第二級(jí)調(diào)制后上、下邊帶的

14、間隔為 此時(shí)的頻率間隔取決于載頻。通常是指定的，合理選擇、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,，即3第二次用84、96、108、120KHz調(diào)制,按最高載頻120KHz計(jì)算,此設(shè)計(jì)即滿足系統(tǒng)對(duì)歸一化過(guò)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)600的阻抗匹配?，F(xiàn)以加法器為例加以分析：如圖18所示， /=150，=150，輸入端阻抗匹配，且各路信號(hào)輸入阻抗為600。對(duì)于輸出端，=600.。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)FDMA有了實(shí)踐應(yīng)用上的認(rèn)識(shí)，以前學(xué)理論知識(shí)的時(shí)候感覺(jué)很抽象，不太明白它的原理，通過(guò)這次的實(shí)驗(yàn)，我真正從實(shí)踐角度認(rèn)識(shí)