综合课程设计报告

《综合课程设计报告》传输专题设计（频分复用）

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【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。

【系统框图】

如下图1所示，为要设计的12路调制解调系统框图.

图1 12路调制解调系统框图

【系统设计框图】

下图2是实现12路调制解调系统的总体设计框图：

信号加载频器A

SSB

12KHZ

SSB

16KHZ

SSB

20KHZ

BPF

12-

16KHZ

BPF

20-

24KHZ

BPF

16-

20KHZ

加法器

SSB

120KHZ

SSB

108KHZ

SSB

84KHZ

SSB

96KHZ

BPF

96-

108KHZ

BPF

84-

96KHZ

BPF

72-

84KHZ

BPF

60-

72KHZ

放大倍数2.4

放大器插入12KHZ

导频

插入

16KHZ导

频

插入20KHZ

导频

插入84KHZ

导频

插入108KHZ

导频

插入96KHZ

导频

插入108KHZ

导频

BPF

96-

108KHZ

BPF

84-

96KHZ

BPF

72-

84KHZ

BPF

60-

72KHZ

解

调

解

调

解

调

解

调

LPF

24KHZ

LPF

24KHZ

LPF

24KHZ

LPF

24KHZ

BPF

12-

16KHZ

BPF

20-

24KHZ

BPF

16-

20KHZ

解调

解调

解调

LPF

4KHZ

LPF

4KHZ

LPF

4KHZ

.

.

.

放大倍数42.7

信

号

接

受

器

B

四二转换

器

信号加载频器B

SSB

12KHZ

SSB

16KHZ

SSB

20KHZ

BPF

12-

16KHZ

BPF

20-

24KHZ

BPF

16-

20KHZ

SSB

168KHZ

SSB

156KHZ

SSB

132KHZ

SSB

144KHZ

BPF

144-

156KHZ

BPF

132-

144KHZ

BPF

120-

132KHZ

BPF

108-

120KHZ

放大倍数2.4插入12KHZ

导频

插入

16KHZ导

频

插入20KHZ

导频

插入132KHZ

导频

插入168KHZ

导频

插入144KHZ

导频

插入156KHZ

导频

BPF

144-

156KHZ

BPF

132-

144KHZ

BPF

120-

132KHZ

BPF

108-

120KHZ

解

调

解

调

解

调

解

调

LPF

24KHZ

LPF

24KHZ

LPF

24KHZ

LPF

24KHZ

BPF

12-

16KHZ

BPF

20-

24KHZ

BPF

16-

20KHZ

解调

解调

解调

LPF

4KHZ

LPF

4KHZ

LPF

4KHZ

.

.

.

放大倍数42.7

信

号

接

受

器

A

图2 12路调制解调系统的总体设计框图

【系统原理分析及设计】 1. 传输方式分析：

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3中设有n 路基带信号，

图3 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。

2. 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)( SSB H 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。

图5 语言信号的频谱

3，调制方式的实现：

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。

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 1f ?=600Hz ，1c f =20KHz ，则

03.01020600

3

1=?=

α, 即3% 。

第二次用84、96 、 108 、 120KHz 调制,按最高载频120KHz 计算, 即 321024?=?f ，3101202?=c f ，则

2.010

12010243

3

2=??=α 完全能够满足设计给定的归一化过渡带指标。

图6 多级滤波法原理图及频谱图

4.两级调制方案：

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7为两级单边带调制的复用系统。

图7 两级单边带调制的复用系统

图7中共有12路基带信号，每路信号的频率范围均为300Hz～3400H z。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～108KH z 的12路；频分复用信号。如图8所示。

图8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, 将基群调制到108KHz~156KHz的频段上。

图9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。

5.调制的电路：

a.载频的产生：

设计时用晶体振荡器先产生一基准正选信号，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。

图10为基准信号产生电路。

图10 正弦信号产生电路

在环路锁定时，在下图11中，鉴相器两输入的频率相同，即

fr=fd

fd是VCO输出频率fo经N分频后得到的，即

fd=fo/N

所以输出频率

fo=Nfr

图11 锁相频率合成器基本框图

设计中的锁相环电路可以用集成的频率合成器，如MC145106，其原理框图如图12所示：

图12 MC45146

其真值表如图13为：

图13 MC45146真值表

经分频器输出的信号不一定满足信号的设计要求，可以再级联一个频率和成器，也可以用锁相环技术，其fo=Mfin1，则总的有：

fo=Mfin/N

例如产生一个设计所需的12KHZ的信号，则可以M=3,N=250,当然答案不唯一，可以有其他组合。要产生实验中的其它信号与之类似。

b.信号的调制：

调制采用两输入的乘法器模块即可完成。外设如图14所示：

图14 调制电路c.加法电路：

在一次群和二次群的产生时都要用到加法器。

产生一次群的三输入加法器如图15所示：

产生二次群的四输入加法器如图16所示：

图16 四输入加法器

d.滤波器指标：

用滤波法产生单边带信号时，一次群滤波器都为低通通滤波器（取上边带），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），截止频率为单边带调制的载频频率，二次群滤波器都为高通通滤波器（取下边带），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），截止频率也为单边带调制的载频频率。

一次群SSB调制器后的滤波器为带通滤波器，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），中心频率为单边带调制的载频频率，带宽为4KHZ.

6.四二转换电路：

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17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18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

18 四—二线转换原理图

图17 四——二线转换原理图

图18 混合线圈的等效原理图

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600?。具体电路如图19所示。

图19 四－二线转换电路

发射机

接收机

回波抵消器

耦合器Σ

－＋

发射机

接收机

回波抵消器

耦合器

Σ－＋

共用线路

四－－二线转换，回波对消原理框图

7.导频的加入：

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,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 。设计中的导频频率为80KHZ 。

导频的加入也是一个加法器如图20：

图20 导频的加入

8.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:

R

U P 2

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。放大倍数为N.

N=0.0375/0.01563=2.4.

电路如图21：

图21 发送端放大电路

9.导频的提取和相干信号的产生：

提取导频是先通过一个带通滤波器，中心频率80KHZ，再用锁相环提取。可用集成锁相环NE560实现，原理如图22：

图22 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。

10.解调：

每一路解调前先通过一带通滤波器器，中心频率从60KHZ起，递增4KHZ，带宽4KHZ。然后与产生的解调信号加在两端口的乘法器两端。外设如23：

图23 解调电路

输出再通过一个低通滤波器。截止频率4KHZ。

信号在解调中，电压幅度衰减为原来的1/2。在四——二线转换中,电压还要衰减1/2。总的电压衰减为1/4。功率衰减为1/16.要达到输出功率为0.1mw，放大倍数为N

N=0.1*16/0.0375=42.7

电路如图24所示：

图24 输出放大电路