传输专题设计(频分复用)

电子科技大学通信学院97
《综合课程设计实验报告》
传输专题设计（频分复用）
一、设计名称
传输专题设计（频分复用）
二、设计目的
通过本次课程设计，掌握频分复用的原理，学习简单复用系统的设计方法，并学习对通信系统中的典型部件电路进行方案设计、分析制作与调试。

三、设计原理
数据通信系统或计算机网络系统中,传输媒体的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求,为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信
号,这就是多路复用技术。

采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输,在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。

频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分多路复用TDM (Time Di-vision Multiplexing)是两种最常用的多路复用技术。

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，因而可以用滤波器将它们分别滤出来，然后分别解调接收。

按频率分割信号的方法叫频分复用，按时间分割信号的方法叫时分复用。

在频分复用中，信道的可用频带被分割成若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，因而可以用适当的滤波器把它们分割开来，分别解调接收。

多路复用原理框图如图一：
图一：多路复用原理框图
四、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：
(一)语音信号频带：300Hz～3400Hz。

(二)电缆传输频带：60KHz～156KHz。

(三)传输中满载条件下信号功率不低于总功率的90％。

(四)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。

(五)语音通信接口采用4线制全双工。

(六)音频端接口阻抗600Ω，标称输入输出功率为0.1mW。

(七)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）。

(八)系统电源：直流24V单电源。

五、设计思路和过程
(一)频分复用的优点：
信道复用率高，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。

(二)频分复用中的主要问题：
串扰，即各路信号之间的相互干扰。

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。

(三)频分复用系统原理框图图二：
系统发送端
发送信号()
s t的频谱包含各个信道
系统接收端
图二：频分复用系统原理框图
(四) 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。

通信中每路电话信号限带于3003400Hz -，单边带调制后其带宽与调制信号相同也为3003400Hz -。

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60156KHz KHz ，带宽96KHz 。

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。

采用滤波法获得各个独立的通信信道内容。

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3003400Hz -，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。

过渡带相对于载频的归一化值计算方法如下式:
L C
f f η= L f 为滤波器的过渡带，C f 为载波频率，η为过渡带相对于载频的归一化值。

如: 600L f Hz =，60C f KHz =，则: 0.01η=，即: 1%，刚好满足所给指标。

发送端
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，
3
6003%2010η==⨯ 第二次用84KHz ，96KHz ，108KHz ，120KHz 调制,按最高载频120KHz 计算，
3
3241020%12010
η⨯==⨯ 二次调制方案: 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1224KHz KHz 。

在一端，将四个前群分别用84KHz ，96KHz ，108KHz ，120KHz 载频进行调制,取下边带,从而将四个前群调制到了60108KHz KHz 的频带上。

在另一端,形成前群的方法相同。

将四个前群分别132KHz ，
144KHz ，156KHz ，168KHz 的载频进行调制,取下边带,基群调制到108156KHz KHz 的频段上。

A B →调制示意图如下，图三（B A →与之相似）：
原理示意图
频带示意图
图三：A B
调制示意图
●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。

（如图二所示）
●功率问题
首先，对于发送端来讲，由于采用两次调制方式，每次调制电压信
号幅度衰减为原来的1
2
，这样经过两次调制，电压信号幅度衰减为原来
信号的1
4。

再则，于二四线转换电路中，电压信号又将损失
1
2。

于是发
送端总的电压幅度变为1
8
，即信号功率变为原有的
1
64。

音频输入信号功
率为0.1mW，要求传输中满载条件下信号功率不低于总功率的90%，且
电缆上信号总功率不大于1mW，每路信号分的0.9
24
mW，于是有功率放
大倍数A：
0.90.124;2464 5.
Power Voltage Power A A A =
÷=== 因此发送端应当将信号电压放大为原信号的5倍。

然后，对于接收端，采用一次解调方式损失
12。

再则，于二四线转换电路中，电压信号又损失12。

于是接收端总的电压幅度变为14
，既信号功率变为原有的116。

于是有功率放大倍数A ： 0.90.143;24167.
Power Voltage Power A A A =÷
=⨯== 因此接收端应当将信号电压放大为原信号的7倍。

六、 系统总体设计框图
(一) 系统总体设计框图，图四：
图四：系统总体设计框图
(二) 发送端调制框图，图五：
图五：发送端调制框图(三)接收端解调框图，图六：
图六：接收端解调框图
七、 系统单元电路设计
(一) 频率生成器
作为基准的60kHz 方波是由一个555电路产生的，采用了晶体振荡器，如图七。

121
21210.7(2);2C R R f R R q R R +=
+=+
q 为占空比，f 为输出频率。

根据以上公式，选取1R ，2R ，C 构成频率发生器。

图七：产生60KHz方波
图八：利用4022产生12KHz和4KHz方波
图九：利用4046合成64KHz 方波
(二) 加法器
采用同相加法器构成。

123111213
////;
(1)(1)(1)1p s s s f p f p f p s s s R R R R R R R R R R R R R R R R =+=+=+= 因此1R =300。

图十：实现三路加法的加法器
123451112131415
////////;
(1)(1)(1)(1)(1)1p s s s s s f p f p f p f p f p s s s s s R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R =+=+=+=+=+= 因此1R =150。

图十一：实现五路加法的加法器
(三) 四二线转换器
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。

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。

混合线圈原理是一个平衡电桥,使本地发送的信号不能渗漏到本端的接收信号处而形成回波。

图十二：四二线和二丝线转换器
(四) 功率放大器 由115f
v R A R =+=可得发送端放大电路如下图十三：
图十三：发送端放大电路 由117f
v R A R =+=可得接收端放大电路如下图十四：
图十四：接收端放大电路
(五)调制电路
图十五：调制电路图(balanced modulator)
(六)解调电路
图十六：解调电路图(product detector) 八、系统电路总图
图十七：系统电路总图
九、Matlab仿真
a)M程序
clc;clear;
%%
Fs=1000;%采样频率1000K
t=[0:10*Fs]/Fs;%观察时间
%%
%产生高斯白噪声
Noise=wgn(1,length(t),-20);
%%
%产生仿真数据
ch1=1*sin(2*pi*2*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3*t+pi/2);%信道1（2K,3K）
ch2=1*sin(2*pi*2.1*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.1*t+pi/2);%信道2（2.1K,3.1K）
ch3=1*sin(2*pi*2.2*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.2*t+pi/2);%信道3（2.2K,3.2K）
ch4=1*sin(2*pi*2.3*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.3*t+pi/2);%信道4（2.3K,3.3K）
ch5=1*sin(2*pi*2.4*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.4*t+pi/2);%信道5（2.4K,3.4K）
ch6=1*sin(2*pi*2.5*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.6*t+pi/2);%信道6（2.5K,3.6K）
ch7=1*sin(2*pi*2.6*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.4*t+pi/2);%信道7（2.6K,3.4K）
ch8=1*sin(2*pi*2.7*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.5*t+pi/2);%信道8（2.7K,3.5K）
ch9=1*sin(2*pi*2.8*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.6*t+pi/2);%信道9（2.8K,3.6K）ch10=1*sin(2*pi*2.9*t+pi/4)+2*sin(2*pi*3.7*t+pi/2);%信道10（2.9K,3.7K）ch11=1*sin(2*pi*1.9*t+pi/4)+2*sin(2*pi*2.8*t+pi/2);%信道11（1.9K,2.8K）ch12=1*sin(2*pi*1.8*t+pi/4)+2*sin(2*pi*2.9*t+pi/2);%信道12（1.8K,2.9K）%%
%前群调制，取各个信道信号上边带
qianqun1=ssbmod(ch1,12,Fs,0,'upper')+ssbmod(ch2,16,Fs,0,'upper')+ssbmo d(ch3,20,Fs,0,'upper')+wgn(1,length(t),-20);
qianqun2=ssbmod(ch4,12,Fs,0,'upper')+ssbmod(ch5,16,Fs,0,'upper')+ssbmo d(ch6,20,Fs,0,'upper')+wgn(1,length(t),-20);
qianqun3=ssbmod(ch7,12,Fs,0,'upper')+ssbmod(ch8,16,Fs,0,'upper')+ssbmo d(ch9,20,Fs,0,'upper')+wgn(1,length(t),-20);
qianqun4=ssbmod(ch10,12,Fs,0,'upper')+ssbmod(ch11,16,Fs,0,'upper')+ssb mod(ch12,20,Fs,0,'upper')+wgn(1,length(t),-20);
%%
%基群调制，取各个前群的下边带
jiqun=ssbmod(qianqun1,84,Fs)+ssbmod(qianqun2,96,Fs)+ssbmod(qianqun3, 108,Fs)+ssbmod(qianqun4,120,Fs)+sin(2*pi*60*t)+wgn(1,length(t)
,-20);
%%
%通过信道
channel=jiqun+wgn(1,length(t),-20);
%%
%带通滤波设计，实际应用中的标准频率来自插入的60Hz导频。

Rp = 1; Rs = 40; %通带衰耗1dB，阻带衰耗40dB
Wp1 = [60.3 63.4]/Fs*2;Ws1 = [59 65]/Fs*2;[n1,Wn1] = buttord(Wp1,Ws1,Rp,Rs);[b1,a1] = butter(n1,Wn1);%ch3
Wp2 = [64.3 67.4]/Fs*2;Ws2 = [63 69]/Fs*2;[n2,Wn2] = buttord(Wp2,Ws2,Rp,Rs);[b2,a2] = butter(n2,Wn2);%ch2
Wp3 = [68.3 71.4]/Fs*2;Ws3 = [67 73]/Fs*2;[n3,Wn3] = buttord(Wp3,Ws3,Rp,Rs);[b3,a3] = butter(n3,Wn3);%ch1
Wp4 = [72.3 75.4]/Fs*2;Ws4 = [71 77]/Fs*2;[n4,Wn4] = buttord(Wp4,Ws4,Rp,Rs);[b4,a4] = butter(n4,Wn4);%ch6
Wp5 = [76.3 79.4]/Fs*2;Ws5 = [75 81]/Fs*2;[n5,Wn5] = buttord(Wp5,Ws5,Rp,Rs);[b5,a5] = butter(n5,Wn5);%ch5
Wp6 = [80.3 83.4]/Fs*2;Ws6 = [79 85]/Fs*2;[n6,Wn6] = buttord(Wp6,Ws6,Rp,Rs);[b6,a6] = butter(n6,Wn6);%ch4
Wp7 = [84.3 87.4]/Fs*2;Ws7 = [83 89]/Fs*2;[n7,Wn7] = buttord(Wp7,Ws7,Rp,Rs);[b7,a7] = butter(n7,Wn7);%ch9
Wp8 = [88.3 91.4]/Fs*2;Ws8 = [87 93]/Fs*2;[n8,Wn8] = buttord(Wp8,Ws8,Rp,Rs);[b8,a8] = butter(n8,Wn8);%ch8
Wp9 = [92.3 95.4]/Fs*2;Ws9 = [91 97]/Fs*2;[n9,Wn9] = buttord(Wp9,Ws9,Rp,Rs);[b9,a9] = butter(n9,Wn9);%ch7
Wp10 = [96.3 99.4]/Fs*2;Ws10 = [95 101]/Fs*2;[n10,Wn10] = buttord(Wp10,Ws10,Rp,Rs);[b10,a10] = butter(n10,Wn10);%ch12 Wp11 = [100.3 103.4]/Fs*2;Ws11 = [99 105]/Fs*2;[n11,Wn11] = buttord(Wp11,Ws11,Rp,Rs);[b11,a11] = butter(n11,Wn11);%ch11 Wp12 = [104.3 107.4]/Fs*2;Ws12 = [103 109]/Fs*2;[n12,Wn12] = buttord(Wp12,Ws12,Rp,Rs);[b12,a12] = butter(n12,Wn12);%ch10 %%
%信号通过上面设计好的带通滤波器，滤出各个信道的信号
ch1_r=filter(b3,a3,channel);
ch2_r=filter(b2,a2,channel);
ch3_r=filter(b1,a1,channel);
ch4_r=filter(b6,a6,channel);
ch5_r=filter(b5,a5,channel);
ch6_r=filter(b4,a4,channel);
ch7_r=filter(b9,a9,channel);
ch8_r=filter(b8,a8,channel);
ch9_r=filter(b7,a7,channel);
ch10_r=filter(b12,a12,channel);
ch11_r=filter(b11,a11,channel);
ch12_r=filter(b10,a10,channel);
%%
%解调
%前边一项为确定butterworth低通滤波器,通带衰耗1dB，阻带衰耗40dB。

后一项为解调。

%因为中间去了一次下边带，所以载波应当是我们以为的值加上4K。

Wp_lpf = 4/500; Ws_lpf = 6/500;
[n_lpf,Wn_lpf] = buttord(Wp_lpf,Ws_lpf,1,40);
[num_lpf,den_lpf] = butter(n_lpf,Wn_lpf);
ch1_dmod = ssbdemod(ch1_r,72,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch2_dmod = ssbdemod(ch2_r,68,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch3_dmod = ssbdemod(ch3_r,64,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch4_dmod = ssbdemod(ch4_r,84,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch5_dmod = ssbdemod(ch5_r,80,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch6_dmod = ssbdemod(ch6_r,76,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch7_dmod = ssbdemod(ch7_r,96,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch8_dmod = ssbdemod(ch8_r,92,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch9_dmod = ssbdemod(ch9_r,88,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch10_dmod = ssbdemod(ch10_r,108,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch11_dmod = ssbdemod(ch11_r,104,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
ch12_dmod = ssbdemod(ch12_r,100,Fs,0,num_lpf,den_lpf);
b)图例说明
考察第一条通信线路的情况
i.Ch1原始信号
ii.传输信号的时域图
iii.传输信号的频域图
iv.Ch3的频域
v.接收端针对ch1的带通滤波器
vi.接收端低通滤波器
vii.发送端原始ch1信号和接收端经调制后的ch1信号时域图
viii.发送端原始ch1信号和接收端经调制后的ch1信号频域图
十、总结及心得体会
完成这次课程设计帮助我从整个系统的角度认识了通信电路的组成和各个模块以及功能。

于此同时，我还需要复习和巩固了《通信原理》、《模拟电路》、《数字电路》、《通信射频电路》等课程的内容和知识，学习Protel做电路图，在各种书籍和网上搜索需要用到电路元器件以及它们的用法等等。

可以看到这样的课程设计对我们工科学生的能力提高是有很大的帮助的，它让我们从各科课本上单一的知识点走出来，从系统的角度思考问题、解决问题，这无疑是很有必要的。

........忽略此处.......
21。