频分复用专题设计实验指导书.docx

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频分复用专题设计实验指导书

电子科技大学通信学院

《频分复用专题设计指导书》

频分复用专题设计

班级

学生

学号

教师

【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。

【设计说明】

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。

调制方式

首先采用抑制载波双边带调制，即DSB，频谱变换过程如如图6所示，然后再用边带滤波器滤除上边带或下边带，得到单边带，即SSB。

理想滤波特性是不可能做到的,实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。

我们的调制信号是300～3400KHz,由于最低频率为300Hz,因此允许过渡带为600Hz。

实现滤波器的难易与过渡带相对于载频的归一化值有关,过渡带的归一化值愈小,分割上、下边带的滤波器就愈难实现。

图5语言信号的频谱

图6频谱变换关系图

用滤波法产生单边带信号时，在上、下边带间隔

已经确定的情况下，关键是滤波器能否实现、由滤波器知识可知，实现滤波器的难易以程度和过渡带与工作频率之间的相对值有密切关系。

给单边带滤波器定义一个归一化值。

过渡带相对于载频的归一化值计算方法如下式:

式中

为滤波器的过渡带，

为单边带信号的载频。

归一化值反映了滤波器

衰减特性的陡峭程度。

归一化值越小，滤波器越难以实现。

一般要求此值不低

于10－3。

如果提高，则要求

加宽。

一般的调制信号都具有丰富的低频成分，

经调制后得到的双边带信号的上、下边带之间的间隔很窄。

例如，模拟电话信

号的最低频率为300Hz，经过双边带调制后，上、下边带之间的间隔仅有600Hz，

这个间隔应是单边带滤波器的过渡带。

要求在这样窄的过渡带内阻带衰减上升

到40dB以上，才能有效的抑制一个无用的边带。

这就使滤波器的设计和制作很

困难，有时甚至难以实现。

为此，在工程中往往采用多级频率搬移和多级滤波

的方法，简称多级滤波法。

图7是一个二级滤波法的原理图，

。

第一

级单边带滤波器

滤出以

为载频的上边带信号或下边带信号，以此单

边带信号作为调制信号对频率为

载波进行双边带调制，再由第二级单边带滤

波器

滤出以

为载频的单边带信号。

第一级和第二级滤波的频谱图如图7所示。

设调制信号的最低频率为

，由图可知，第一级调制后上、下边带的间隔

，第一级滤波后得到上边带信号。

通常

，这样第二级调制后上、下边带的间隔为

此时的频率间隔取决于载频

。

通常

是指定的，合理选择

、

、

、

便可设计出合适的单边带信号调制器。

如:

=600Hz，

=60KHz

则:

即:

1%刚好满足所给指标。

随着载频的提高,不能满足题目所给的要求,采用一级调制直接滤波的方法,已不可能实现单边带调制。

调制方式实现

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。

图72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8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。

图10形成基群信号的频谱搬移过程

两级调制共使用7种载频和7种类型的带通滤波器。

若采用一级调制则要使用12种载波和12种类型的带通滤波器。

在第二级调制时，由于调制信号的带宽增加为12KHz，因此有利于带通滤波器的制作。

如果需要复用的路数为n，采用二级调制方式，将n路分为n2组，每组中有n1路信号，这时有

两级调制所需载频数及相应的部件的类型为

但调制部件所需的数目为

这说明载频的种类和部件的类型虽然减少了，但增加了调制部件的数目，即多级调制是以增加部件的数目来换取类型的减少，但设备的实现却比较容易。

随着路数的增加，多级调制的优越性越明显。

在模拟载波通信系统中一般都采用四级调制，调制方式多为单边带。

载波电话系统

在一对传输线上同时传输多路模拟电话称为载波电话。

载波电话使用单边带调制的频分复用方式，相应的设备称为载波机。

载波电话大量应用于长途通信，如图11所示。

是频分复用的一种典型应用。

图11载波通信系统连接示意图

考虑到大容量载波电话在传输中合路和分路方便，载波电话有一套标准等级，表1列出该标准的主要等级。

基于人们对语音信号清晰度和自然度的要求，经过大量的统计后，确定电话信号的频率范围为300Hz～3400Hz。

该指标是通信中的一个基本参数，习惯上也称为一个话路频带。

为了在已调信号的频谱之间留有间隔，以使单边带滤波器有可实现的过渡带，规定每路信号的标准带宽