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综合课程设计

电子科技大学通信学院

《综合课程设计实验报告》

传输专题设计（频分复用）

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。

以线性调制信号的频分复用为例。

设有12路基带信号，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，各路信号解调器进行解调，再经低通滤波器滤波，恢复为调制信号。

图1频分复用系统组成方框图

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。

【设计说明及性能指标】

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2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3语言信号的频谱

图4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52多级滤波法原理图及频谱图

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制形成前群。

第二次用84、96、108、120KHz调制。

原理图如下：

图6两级单边带调制的复用系统

图7各路信号在频段上的分布

在另一端,形成前群的方法相同。

四个前群分别为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。

频谱搬移过程如图所示。

图8形成基群信号的频谱搬移过程

四—二线器转换

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16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15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。

图9线圈等效原理图

图10四—二线转换原理图

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17所示。

功率计算

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。

在已知平均功率和阻抗的条件下,可算出平均电压值。

由于总电压衰减了1/8,所以总功率就衰减了1/82。

例:

输入功率为0.1mw,到线路端时,只有：

0.1/82mw＝0.01563mw

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。

要完成上述指标,必须将被衰减了的信号进行放大,以满足设计要求。

放大倍数及放大器,由设计者计算设计。

在上述计算中,还未考虑滤波器1dB的衰耗,设计时,可以不考虑。

同样,在接收端,经过信号处理,信号也被衰减,要达到输出功率为0.1mw,也要加放大器对接收信号行放大，以满足设计指标。

解调

发送端各路信号经电缆传输到收端,由收端混合线圈接收,经过带通滤波器滤波,相干解调,低通滤波,再经过放大器放大,得到解调信号。

由于采用相干解调,就需要获得与发送端同频同相的相干载波对已调信号进行解调，也即需载波同步。

解调载波的获取,是从发端发送的导频获得。

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,应插在信号功率为零的地方,这样便于提取,导频频率的大小由设计者决定。

只要是4KHz的整数倍即可。

但要符合信道传输要求（信道带宽为60～156KHz）。

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。

【系统框图】

发送端框图

图11系统发送框图

接收端框图

图12系统接收框图

发送框图中包括了从A端到B端以及从B端到A端两种情况。

各指标已标出。

【系统仿真】

使用Multisim系统仿真各个模块

1.调制载波的产生：

图13调制载波的产生

2.导频插入：

图14导频插入

3.一次群加器

图15一次群加器

4.二次群加器

图16二次群加器

5.调制模块

图17调制

6.解调模块

图18解调

7.四—二转换

图19四—二转换

使用Simulink系统仿真调制过程

图20一次调制系统仿真模块图

图21二次调制系统仿真模块图

其中滤波器的参数图如下（以84kHz为例）

仿真结果：

图22未加噪声的原始正弦波

图23加噪声之后的正弦波

图24一级调制之后的波形

图25二级调制之后的波形

图26调制后的频谱

【总结与心得体会】

这次的综合课程设计使我从系统的角度认识了通信电路的组成以及各个模块的功能。

在设计电路时，查阅并复习了《模拟电路》、《数字电路》、《通信原理》、等参考资料但是仍有部分电路设计得不理想，使我明白这需要不停地练习与实践。

在使用Matlab仿真的过程中，我使用了SIMULINK，使用它搭建仿真系统十分方便，但是也遇到了一些困难，比如使用的窗、截止频率的设置、甚至坐标刻度的选取等都会影响到仿真的结果，需要不停地尝试才能找到合适的参数。

总之，这样的系统综合仿真对我们将来做通信系统真的有很大的帮助，使我对系统的理解不再停留在理论的层面，使我对系统的认识更加的深刻，提高了我处理实际问题的能力。

参考文献

[1]李晓峰等通信原理清华大学出版社。

[2]樊昌信等通信原理国防工业出版社。

[3]曹志刚等现代通信原理清华大学出版社。

[4]罗新民等译数字与模拟通信系统电子工业出版社。

[5]解月珍谢沅清通信电子线路机械工业出版社。