频分复用设计专题报告.docx

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频分复用设计专题报告

《综合课程设计指导书》

传输专题设计（频分复用）

班级XXXXXX

学生XXXX

学号XXXXXX

教师XXXX

【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。

【系统框架图】

【滤波器指标】

1、低通滤波器指标：

通带截止频率：

4KHZ

阻带截止频率：

3400HZ

2、单边带滤波器：

a.通带截止频率：

12300HZ

阻带截止频率：

12000HZ

b.通带截止频率：

16300HZ

阻带截止频率：

16000HZ

c.通带截止频率：

20300HZ

阻带截止频率：

20000HZ

d.通带截止频率：

72000HZ

阻带截止频率：

84000HZ

e.通带截止频率：

84000HZ

阻带截止频率：

96000HZ

f.通带截止频率：

96000HZ

阻带截止频率：

108000HZ

g.通带截止频率：

108000HZ

阻带截止频率：

120000HZ

3、带通滤波器：

a.通带截止频率：

12300HZ，15400HZ

阻带截止频率：

12000HZ，16000HZ

b.通带截止频率：

16300HZ，19400HZ

阻带截止频率：

16000HZ，20000HZ

c.通带截止频率：

20300HZ，23400HZ

阻带截止频率：

20000HZ，24000HZ

d.通带截止频率：

60300HZ，71400HZ

阻带截止频率：

59000HZ，72000HZ

e.通带截止频率：

72300HZ，83400HZ

阻带截止频率：

71000HZ，85000HZ

f.通带截止频率：

84300HZ，95400HZ

阻带截止频率：

83000HZ，97000HZ

g.通带截止频率：

96300HZ，107400HZ

阻带截止频率：

95000HZ，109000HZ

（由B到A传输的滤波器指标未算出，原理和由A到B相同）

【调制方式】

在多路载波电话中采用单边带调制频分复用，主要是为了最大限度地节省传输频带。

产生单边带信号最直观的方法是让双边带信号通过一个单边带滤波器，保留所需的一个边带，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。

此方法称为滤波法。

它是最简单的也是最常用的方法。

边带可取上边带，也可取下边带。

滤波法原理图如图4所示，图中

为单边带滤波器的传递函数。

图4用滤波法形成单边带信号

在我们的设计中，每路电话信号限带于300-3400Hz,语言信号的频谱如图5所示。

单边带调制后其带宽与调制信号相同。

为了在邻路已调信号间留有保护频带，以便滤波器有可实现的过渡带，通常每路话音信号取4KHz作为标准频带。

由题目所给,电缆传输频带60KHz～156KHz,带宽96KKz。

由于是全双工,96KHz的带宽正好可容纳24路信号,即A－B，12路,B－A，12路。

它们在一个信道上传输,这样就充分利用了信道资源。

【采用二次调制】

由于一次调制的方式不能达到归一化过渡带给定的指标，这时可以采用多级调制的方法。

根据课题给出条件,采用二次调制。

第一次用：

12KHz,16KHz,20KHz调制形成前群。

按最高载频计算,即

=600Hz，

=20KHz，则

即3%。

第二次用84、96、108、120KHz调制,按最高载频120KHz计算,即

，

，则

完全能够满足设计给定的归一化过渡带指标。

多级滤波法原理图及频谱图

多级调制方案

多级调制是指在一个复用系统内，对同一个基带信号进行两次或两次以上同一种方式的调制。

图为两级单边带调制的复用系统。

图8两级单边带调制的复用系统

图8中共有12路基带信号，每路信号的频率范围均为300Hz～3400Hz。

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；频分复用信号。

如图9所示。

图9各路信号在频段上的分布

在另一端,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。

频谱搬移过程如图10所示。

形成基群信号的频谱搬移过程

【载波产生电路】

1.晶体振荡器产生正弦信号

设计时用晶体振荡器先产生基准正弦信号，再利用锁相环进行频率的合成，以产生设计所需的各种信号。

下图为基准信号产生电路,频率为60KHZ

2.频率合成

用锁相式频率合成器的方法产生载频信号

由晶体振荡器产生的正弦信号fin,通过PPL电路和分频器产生输出信号fout。

fout=finxN

[锁相频率合成器]

参考MC145152芯片

MC145152是MOTOROLA公司生产的大规模集成电路，是16比特并行输入并行输入数据编程的双模锁相环频率合成器，其结构图如图10所示：

图11

MC145152的工作原理：

参考振荡器信号经R分频器分频后形成fR信号。

压控振荡器信号经双模（P／（P+1））分频器分频，再经A，N计数器分频器后形成fv信号，fv=fvco／（NP+A）。

fR信号和fV信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号（φR，φV）经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。

当整个环路锁定后，fO=fR且同相，fVCO=（NP+A）fR，便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。

【调制电路】

调制使用两输入的乘法电路,将待调信号和载波输入，得到已调信号

【加法器电路】

三加法器

五加法器

【放大电路】

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。

1.发送端

由于经过2次调制和一次四二转换，总电压衰减了1/8,所以总功率就衰减了1/82。

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。

功率放大倍数：

0.0375/0.001563＝24

电压放大倍数：

24的平方根＝4.9

2.接收端

由于经过2次解调和一次二四转换，总电压衰减了1/8,所以总功率就衰减了1/64。

每一路信号功率为0.0375mW,而标准输出功率为0.1mW

功率放大倍数：

0.1/0.0375*64＝170.7

电压放大倍数：

170.7的平方根＝13.1

【导频的插入】

因为是抑制载波调制,所以在已调信号中不含有载波功率,就不能直接提取载波。

可采用插入导频法,发送端导频的插入,选择60KHZ。

在不考虑噪声的情况下,导频的功率小于总功率的10%即可,也就是说导频的功率要小于0.1mw。

电路图参考五加法电路

【四二转换电路】

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。

线圈等效原理图

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。

具体电路如图所示。

【导频提取电路与相干信号的产生】

提取导频用锁相环提取。

可用集成锁相环NE560实现。

NE560方框图

提取载频后，用与载频产生相同的频率合成的方法来产生相干解调信号，信号从60KHZ起一次增加4KHZ。

从而得到想要频率的相干信号。

【解调电路】

采用二次解调。

由于滤波器归一化过渡带指标必须大于1％，致使无法在100KHZ以上的高频准确截取4KHZ的频带。

如果采用一次解调，由于过渡带较宽，所带来的噪声会在解调后叠加到语音信号中去。

故采用两次解调。

首先分别用4个滤波器截取4个前群的信号。

再分别相干解调到12KHZ到24KHZ的频带。

然后每个前群分别通过3个滤波器，区分出3路话音。

之后分别相干解调到基带。

最后通过低通滤波器，放大输出。

以下是解调电路

【系统电源】

由于提供的是24V直流电源，而在各级信号处理、载波产生等过程中，都会需要不同电压的输入。

使用电阻式分压电路：