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频分复用硬件电路
第1章频分复用
1.1系统设计
设计一个通信系统,首先是定系统指标和各种参数,在确定了通信特点为电缆全双工传输以后,根据通信要求中电缆传输12路语音信号带宽为60KHz~156KHz,我们需要分配带宽,语音信号的主带宽为300-3400Hz,加上各频段之间的保护带,我们给每路语音信号分配4KHz的基带带宽,由于要实现全双工通信,需要24路信道,若采用DSB双边带调制,需要占用2倍基带带宽,则调制后的一路信号占用8K带宽,则总共调制后的信号需要8*24=192KHz的带宽,60-156KHz的传输带宽只有96KHz,显然不够用,故DSB在这里不被采用,我们选择SSB单边带调制,可以节约一半的频谱资源,每路话音信号只需要4KHz传输带宽,刚好需要4*24=96KHz,符合信道要求。
划分好频段之后,是选择发送和接收机的调制体系,SSB调制有两种常用方法,一种是移相法,一种是滤波法,为了实现的方便,我们采用滤波法这一更为普遍采用的方法。
由于信号传输频率较低,没有专门的陶瓷或晶体滤波器可用,需要自制边带滤波器,故需要考虑滤波器的可行性,综合考虑了滤波器的参数后,发现一次调制是难以实现的,因此采用多级调制,这里采用二级调制,基本思路为:
A到B,第一次用:
12KHz,16KHz,20KHz调制形成前群,第二次用84,96,108,120KHz调制,发送传输带宽为60—108KHz;B到A,第一次用:
12KHz,16KHz,20KHz调制形成前群,第二次用132KHz,144KHz,156KHz,168KHz调制,发送传输带宽为108KHz—156KHz。
这样就把96KHz的低48KHz划分给了A的发送,高48KHz划给了B的发送。
由于需要全双工,故这里采用2-4线转换,避免“自发自收”的现象。
SSB信号由于不存在载波分量,故只能用提取导频法来做相干检波解调,因此在发送端第一级调制之后,应在BPF后插入导频。
接收端的本振频率对称于发送端,A的接收带宽恰好为B的发送带宽,反之亦然。
对于B端接收的情况,首先分别用84KHz,96KHz,108KHz,120KHz的本振将滤波选频后的四个前群搬移到12—24KHz,再经过不同的滤波器把每个前群中的3路信号分离,最后分别提取导频后与自身信号相乘检波,低通滤波后得到各路语音信号。
另外,本系统中传输电缆及音频接口均为600欧姆的端接阻抗,故所有模块之间采用600欧的阻抗匹配。
系统框图如图3-1所示,系统发射与接收框图分别见图3-2、图3-3。
这里只给出A发送B接收的框图,B发送A接收类似,只是改变了第二级混频本振的频率和相应的滤波器。
图1-1系统框图
图1-2A端发送框图
图1-3B端接收框图
1.2系统单元硬件系统设计
本系统主要硬件电路由:
调制电路、解调电路、数字频率合成器、四二线转换电路、滤波器、导频插入及提取电路、加法电路、放大衰减电路等组成。
下面一一阐述电路设计方案以及器件选择和参数计算。
3.2.1调制解调电路设计
该模型中的核心器件是模拟乘法器,它实现了对基带信号的调制,本系统中采用的是AD835来实现调制器的设计。
AD835是一片基于双差分对模拟相乘器原理制成的四象限相乘器芯片,具有较好的载波抑制功能。
图3-4AD835器件原理图
图3-5AD835模拟乘法器引脚图
乘法器AD835可以实现250MHz带宽内的混频,这对于我们的设计完全满足要求。
而且其输出幅度在不同频率值时相对稳定,外围电路也相对简单,不需要进行复杂的调零调试,只需要对Z的直流输入进行相对调整即可。
其基本原理框图如图3-5所示。
其中W=X×Y+Z。
3.2.2数字频率合成器
由于调制与解调都有众多不同频率的本振,且频率都较低,故选用DDS数字频率合成的方法。
直接数字频率合成器(DDS)技术,具有频率切换速度快,很容易提高频率分辨率、对硬件要求低、可编程全数字化便于单片集成、有利于降低成本、提高可靠性并便于生产等优点。
目前各大芯片制造厂商都相继推出采用先进CMOS工艺生产的高性能和多功能的DDS芯片,专用DDS芯片采用了特定工艺,内部数字信号抖动很小,输出信号的质量高。
然而在某些场合,由于专用的DDS芯片的控制方式是固定的,故在工作方式、频率控制等方面与系统的要求差距很大,这时如果用高性能的FPGA器件设计符合自己需要的DDS电路就是一个很好的解决方法,它的可重配置性结构能方便的实现各种复杂的调制功能,具有很好的实用性和灵活性。
图3-6DDS调频原理框图
图3-7产生12K本振的电路
DDS电路及系统构成
设计的系统中,采用比较通用的51系列单片机AT89S52作为系统的控制处理单元。
利用P0口和P2口构成显示和键盘接口,显示由一个液晶模块LCD构成,键盘由0~9及设定和确认键(共12个按键)构成,P1口来完成与AD9852串行数据口的通信和控制。
由于AD9852使用COMS工艺,供电电压是+3.3V,所以存在TTL电路和CMOS电路的电平转换问题。
采用PHILIPS公司的74LVT245B作为+5V电源下的逻辑电平到+3.3V逻辑电平的转换器件。
它是三态输出的双向总线收发器,供电电压为+3.3V,延迟时间为2.4ns,可以完成5V的TTL逻辑电平到3.3VCMOS逻辑电平的转换。
DDS的D/A输出信号经过一个7阶的椭圆函数滤波器滤波后输出纯净的正弦波,再送入到DDS内部集成的高速比较器整形后输出所需要的方波信号,这样可以减少后级电路的触发误差,同时也可以经过滤波器后直接输出正弦信号。
3.2.3四-二线转换电路
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7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。
其中电阻均取600欧,T1线圈匝数比1:
1,这样输入阻抗600欧姆变换到次级线圈后保持不变,和R1R2R3形成平衡电桥,可抑制回波。
图3-8四--二线转换电路
3.2.4滤波器设计
本系统中多处用到滤波器。
首先,信号调制采用SSB滤波法调制,需要Q值较高的边带滤波器,直接影响到调制信号频谱的纯度;其次,二级调制后也需要带通滤波器来滤出所需要的差频,即下边带。
信号的解调同样需要滤波器,第一级解调之前通过带通滤波器取出需要的前群;第二级解调,即与提取出的导频相干解调,解调后通过带通滤波器取差频,之所以用带通而不是低通滤波,是因为需要滤掉第一级调制前没有完全滤除的其他前群混频出的带外无用信号;在第二级相干解调之后需通过一个低通滤波,滤出所需的300-3400Hz的音频信号,最后需要在输出端接一个隔直电容去除直流分量。
下面给出各滤波器的参数(只给出A发送、B接收部分的滤波器参数,B发送、A接收部分的同理),见表3-1,其中频率单位均为KHz。
指定A发送端第一级调制后的滤波器分别为1BPF1-1BPF3,第二级调制后的滤波器分别为1BPF4-1BPF7,B接收端第一级解调前的滤波器为2BPF1-2BPF4,第一级解调后的滤波器为2BPF5-2BPF7,最后的低通滤波器为LPF,框图见图3-1。
表3-1滤波器参数设计(单位KHz)
滤波器序号
中心频率
通带带宽
阻带带宽
归一化过渡带
A
发
送
端
1BPF1
13.85
3.1
4.3
5%
1BPF2
17.85
3.1
4.3
3.75%
1BPF3
21.85
3.1
4.3
3%
1BPF4
66
12
36
14.3%
1BPF5
78
12
36
12.5%
1BPF6
90
12
36
11.1%
1BPF7
102
12
36
10%
B
接
收
端
2BPF1
同1BPF4
2BPF2
同1BPF5
2BPF3
同1BPF6
2BPF4
同1BPF7
2BPF5
13.7
3.4
4.6
5%
2BPF6
17.7
3.4
4.6
3.75%
2BPF7
21.7
3.4
4.6
3%
B接收端
滤波器序号
截止频率
LPF
4
3.2.5导频插入、提取电路
抑制载波调制在已调信号中不含有载波功率,或者由于载漏存在功率不恒定的载频,不能直接提取载波。
可采用插入导频法,发送端导频的插入,应插在信号功率为零的地方。
又由于功率要求导频的功率小于总功率的10%,也即导频的功率Pc〈0.1mw,故采用一加法器,在第一级调制滤波后插入衰减后的导频,衰减量通过电位器R控制。
一般来说插入导频需要插入90度的正交载波,但若在接收端低通滤波器后接一个隔直电容,也可直接插入原始载波。
具体电路见图3-9。
图3-9导频插入电路
图3-10导频提取电路
在接收端二级调制处,第二本振就是提取出的导频。
导频提取可采用窄带导频滤波器,或直接用锁相环来提取。
相比之下后者功耗更大,但是更稳定,可自动跟踪漂移的导频。
这里我们选用NE564集成模拟锁相环,该集成电路工作频率可到50MHZ,内带压控振荡器、鉴相器、限幅器。
输入带有导频的边带信号,即可锁定导频的频率稳定输出,用于相干检波,如上图3-10。
3.2.6加法器电路
多路信号在调制到不同频段上需要通过一个加法器相加,第一级调制是3路信号相加成前群,第二级调制是4个前群相加而成,这里我选择了简单易实现的三极管加法器电路,以BJT9018为核心的一个CC加法放大电路。
如下图3-11所示,输入信号可扩展3路,4路…,但要注意的是,信号相加不能使管子处于饱和或截止状态。
图3-11加法器电路
3.2.7放大/衰减器
根据给定指标,输入输出功率为0.1mw(一路信号),MC1496调制一次增益为a,在二——四线转换中,电压要衰减1/2。
总的电压增益为0.5*a^2。
按照功率与电压的关系,功率和电压是平方关系,即:
(3-1)
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。
由于总电压变为了0.5*a^2,所以总功率就变为了0.25*a^4。
而根据设计要求,线路上的信号总功率为1-0.1=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,考虑到实际电路的各种损耗,如滤波器等的插损,只有根据实际情况用频谱仪测各点的功率之后,选择合适的衰减器或放大器,若MC1496增益调整能满足要求,也可不另设放大、衰减器。
同样,在接收端,经过信号处理,信号也被衰减或放大,要达到输出功率为0.1mw,也要加放大或衰减器对接收信号行调理,以满足设计指标。
这里,由于频率较低,放大器采用基于普通运放的同向加法器来实现,衰减器则直接利用电阻网络衰减。
3.2.8系统供电
系统按要求采用24V直流单电源供电,由于多数芯片须正负供电,我们取12V处为地,则供电等效为±12V。
调制解调器MC1496采用+12V,-8V供电;
插入导频采用+5V供电;
加法器采用±5V供电;
数字频率合成芯片MC145151-2采用+5V供电;
锁相环芯片NE564采用+5V供电。
其中-8V采用7908三端稳压芯片提供,±5V分别采用7805/7905提供。
各处电源注意加10u和104的电容退耦。
3.3技术指标及系统测试
本系统传输技术指标如下:
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。
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