电子科大--课程设计

电子科技大学通信学院

《综合课程设计指导书》

传输专题设计（频分复用）

班级通信18班

学生李澳

学号22

教师饶力，刘镰斧

【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。

【设计思想】

每路话音信号带宽为300~3400Hz，取4kHz作为标准带宽；而电缆传输频带60kHz~156kHz,即带宽为96kHz。由于是全双工,96kHz的带宽正好可容纳24路信号（A－B，12路,B－A，12路）在一个信道上传输。

【系统原理】

各路信号m(t)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；再利用加法器把3路信号加在一起,合成一个前群，12路信号形成4个前群，利用加法器将这四个前群加在一起，形成多载波信号，在共享信道上传输。在接收端, 为了使发送方不至于收到自己发出的信号，由混合线圈接收, 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。

【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。

【系统设计框图】

A B传输(发送端):

图1 传输原理示意图（A至B）

其中各个滤波器的通带频率范围如下：

LPF 0 ~ 4kHz

BPF1 12kHz~ 16kHz

BPF2 16kHz ~ 20k Hz

BPF3 20kHz ~ 24kHz

BPF4 60kHz ~ 72kHz

BPF5 72kHz ~ 84kHz

BPF6 84kHz ~ 96kHz

BPF7 96kHz ~ 108kHz

B A 传输（发送端）：

图2传输原理示意图（B至A）

其中各个滤波器的通带频率范围如下：

LPF 0 ~ 4kHz

BPF1 12k ~ 16k

BPF2 16k ~ 20k

BPF3 20k ~ 24k

BPF8 108k~120k

BPF9 120k~132k

BPF10 132k~144k

BPF11 144k~156k

信号在信道上的传输频带为：60kHz ~ 156kHz

其中A→B传输所占用频带为：60kHz ~ 108kHz

B→A传输所占用频带为：108kHz ~ 156kHz

接收端原理示意图

（以B端接收为例，为方便起见，只画出了前3路信号）

图3 系统接收端原理示意图

如上图所示，发送端插入一个导频，将接收到的信号通过一个通带为

60kHz:156kHz的带通滤波器，再通过相干解调器，将信号频谱搬移到基带。第

1路信号用LPF进行滤波，其余均通过BPF进行滤波，滤波之后每路信号再经过放大器进行放大即可恢复出原始信号。

下面分别对系统的各个组成部分进行详细介绍。

【系统具体功能实现电路】

一、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。

图4为基准信号产生电路。

图4 基准信号产生电路

2、频率合成器产生载频

在得到基本正弦信号之后，可以采用锁相式频率合成器来获得不同频率的载频。产生载频信号的电路示意图如下图5所示。

图5 锁相频率合成器基本框图

在环路锁定时，在上图5中，鉴相器两输入的频率相同，即

r d f f =

d f 是VCO 输出频率o f 经N 分频后得到的，即

/d o f f N = 所以输出频率

o r f N f =

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6所示：

图6 MC45146电路原理框图

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o in f M f =，则总的有：

/o in f M f N =

例如产生一个设计所需的12KHZ 的信号，则可以M=3,N=250。要产生实验中的其它信号与之类似。

二、 导频插入及提取

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。

插入导频法是在发送信号的同时，在适当的频率位置上，插入一个称作导频的正弦波，在接收端就提取出这个导频作本地载波，用于同步解调（相干检测）。

导频插入电路的原理图如图7所示。

图7 发送端导频插入原理示意

由图7可知，()()sin cos o c c u t Am t a t a t ωω=-

在接收端，导频提取可采用窄带导频滤波器，或直接用锁相环来提取。 示意图如图8。

图8 接收端导频提取示意图

相应的表达式推导

经过低通滤波器后，即可恢复出调制信号s(t)。

导频的加入可以用加法器将已调信号与导频相加实现。加法器电路将在下面内容中给出。

三、调制与解调电路

由于系统采用SSB方式调制，相干解调，所以对于调制与解调电路，在电路实现上本质是相同的，都是载波与未调制信号（或已调制信号）相乘。因此系统中这两部分可以采用相同的设计。这里采用两输入的乘法器模块MC1596即可实现。本系统在调制与解调时均采用二次调制（解调）。调制（解调）电路关键乘法器模块仿真如图9所示。

在解调时有一点需要说明，本系统采用二次解调。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。具体解调方法在系统总体框图中已经指出，这里不再赘述。

图9 系统调制（解调）模块仿真图

四、滤波器设计

滤波器（低通和带通）相关的设计参数已经在系统传输框图中给出。这里再从设计指标上进行简单说明。

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.

在上面的调制框图，A→B传输调制中，BPF1-BPF3为第一级调制后的BPF，BPF4-BPF7为第二级调制后的BPF，由于在接收端解调后的BPF与调制时的对应的BPF相同，所以没有列出接收端的BPF，接收端最后相干解调后，需要接一低通滤波器LPF。下面给出A→B传输的滤波器的参数。单位为kHz。

表1 系统各带通滤波器设计参数

相干解调后所接LPF的截止频率为4kHz。

五、加法器电路

系统中的信号需要多次加法运算，总共涉及3种加法器，它们分别是3输入加法器（前群合成），4输入加法器（二次群产生）以及2输入加法器（导频加入）。3种加法器分别如下图所示。

图10 3输入加法器（用于前群产生）

图11 4输入加法器（用于二次群合成）

图12 2输入加法器（用于导频插入）

六、四——二线转换

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13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。

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

图13 四——二线转换原理图

图14 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15所示。

图15 四－二线转换电路仿真

七、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:

2/

P U R

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2

1/8。

例:输入功率为0.1mw,到线路端时,只有：

2

0.1/8mw ＝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。

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=0.0375/0.001563=24.

电路如图16。

图16 放大器电路仿真图

其中R2=600 ,R1=150 ,Avf = 5，Vcc =12V。

【设计指标计算】

1、音频端接口阻抗600Ω，标称输入输出功率为0.1mW 。因此输入电压为 (0.1mW * 600Ω) =0.2449 V

2、滤波器指标：

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 03.010

20600

3

1=?=

α, 即3% 。 第二次分别用84kHz 、96kHz 、108kHz 、120kHz 调制,按最高载频120KHz 计算, 即

321024?=?f ，3101202?=c f ，则

2.010********

3

2=??=α

0.0030.20.00060.01?=<,完全能够满足设计给定的归一化过渡带指标。

【系统总体设计框图】

【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

【总结及心得体会】

在本系统的设计过程中，使我对VISIO这款画图软件有了初步的掌握，对频分复用有了更深一步的认识，对调制、解调的过程也有了更为深刻的认识和见解。由于能力有限，只分析出了各单元电路的设计，而各个单元电路的连口电路没有去深入设计，以致系统的总体实际电路没能设计出来和用MATLAB仿真对波形进行观测，是本次课程设计的遗憾。