频分复用设计实验报告

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28013070
学生董明明
学号2801307007
教师饶力
一、【设计名称】
传输专题设计（频分复用）
二、【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。

三、【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
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：
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。

五、【频分复用系统原理】
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f m 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
g s B B B +=∆
式中s B 为已调信号的带宽，g B 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。

六、【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f c1、f c2、… 、f cn，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f g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f g。

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：
B n=nf m+(n-1) f g=(n-1)(f m+ f g)+ f m=(n-1)B1+f m
式中B1= f m+ f g，它是一路信号占用的带宽。

七、【系统总体设计】
1、调制方式
分析系统，每路电话信号限带于300-3400Hz，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。

语音信号带宽为4kHz，十二路的信号全双工传输，就变为24路的信号传输，若采用DSB调制方式，则总带宽为4*12*2*2=192kHz，大于
系统要求的96kHz 带宽，所以我们选择SSB 单边带调制，每路信号只需要4kHz ，总带宽为4*24=96kHz ，满足系统的要求。

图4 用滤波法形成单边带信号
图5 频谱变换关系图
2、调制方式实现
用滤波法产生单边带信号时，在上、下边带间隔B ∆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:
a =
Δf f c
c
f f
∆=α
式中f ∆为滤波器的过渡带，c f 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B ∆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。

如: f ∆=600Hz ， c f =60KHz
则: 01.010
60600
3=⨯=∆=c f f α 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。

图6 2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 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 ，3210120⨯=c f ，则
2.010********
3
2=⨯⨯=α
完全能够满足设计给定的归一化过渡带指标。

3、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。

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。

调制框图及频谱搬移过程如图7 所示。

图7 频谱搬移过程
4、系统发射与接收框图
单路调制框图：
调制框图:A－B传输调制
解调框图:
系统总框图：
滤波器指标
1、低通滤波器：
每一路话音信号，都要先通过低通滤波器，各个低通滤波器的指标相同通带截止频率为3.4KHz ；阻带截止频率为4KHz
2、单边带滤波器：
12路话音信号一次调制合成4组前群时，需要用到以下3种上边带滤波器载频为12KHz：通带截止频率为12.3KHz；阻带截止频率为12KHz
载频为16KHz：通带截止频率为16.3KHz；阻带截止频率为16KHz
载频为20KHz：通带截止频率为20.3KHz；阻带截止频率为20KHz
最小的归一化值为：1.5%
4组前群二次调制时，需要用到以下4种下边带滤波器
载频为84KHz：通带截止频率为72KHz；阻带截止频率为84KHz
载频为96KHz：通带截止频率为84KHz；阻带截止频率为96KHz
载频为108KHz：通带截止频率为96KHz；阻带截止频率为108KHz
载频为120KHz：通带截止频率为108KHz；阻带截止频率为120KHz
最小的归一化值为：10%
3、带通滤波器：
一次调制时用到以下3种带通滤波器：
a. 通带截止频率：12.3KHz，15.4KHz
阻带截止频率：12 KHz，16 KHz
b. 通带截止频率：16.3 KHz，19.4 KHz
阻带截止频率：16 KHz，20 KHz
c. 通带截止频率：20.3 KHz，23.4 KHz
阻带截止频率：20 KHz，24 KHz
二次调制时用到以下4种带通滤波器：
a.通带截止频率：60.3 KHz，71.4 KHz
阻带截止频率：60 KHz，72 KHz
b.通带截止频率：72.3 KHz，83.4 KHz
阻带截止频率：72 KHz，84 KHz
c.通带截止频率：84.3 KHz，95.4 KHz
阻带截止频率：84 KHz，96 KHz
d.通带截止频率：96.3 KHz，107.4 KHz
阻带截止频率：96 KHz，108 KHz
八、【系统单元电路设计】
1.数字频率合成器
调制载波的产生，使用频率为4KHz的石英晶体正弦振荡器,产生4KHz的正弦基波。

然后再用频率合成的方法产生各路调制载波，也即采用锁相技术的方法。

于是通过改变分频器N的值，得到12K、16K、20K及其他所需频率的载波。

2.调制电路（混频器）
混频器的作用是对基带的语音信号进行调制，让其成为高频的带通信号。

混频器电路图：
3.加法电路
一次群加法器：
根据同相加法器公式：当R2=R3=R4时，
Vo=(1+Rf
R1
)
V1+V2+V3
3
所以要实现V o=V1+V2+V3，电阻的选取为：Rf=20KΩR1=10KΩ
R2=R3=R4=10KΩ
二次群加法器：
根据同相加法器公式：当R2=R3=R4=R5时，
Vo=(1+Rf
)
V1+V2+V3+V4
所以要实现V o=V1+V2+V3+V4，电阻的选取为：Rf=30KΩR1=10KΩ
R2=R3=R4=R5=10KΩ
导频加法器：
根据同相加法器公式：当R2=R3时，
Vo=(1+Rf
R1
)
V1+V2
2
所以要实现V o=V1+V2，电阻的选取为：
Rf=R1=R2=R3=10KΩ
4.四二线转换电路
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。

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,使本端发送的信号不能渗漏到本端的接收信号处而形成回波。

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。

5.放大电路
发送端
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1/64。

输入功率为0.1mw,到线路端时,只有： 0.1/64mw ＝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。

令R2=1K Ω，功率放大倍数0.0375/0.001563=24，则电压放大倍数为；
√24=4.9
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。

由于经过2次解调和一次二四转换，总电压衰
减了1/8,所以总功率就衰减了1/64。

要达到输出功率为0.1mw ，
功率放大倍数：0.1/0.0375*64＝170.7 电压放大倍数：
√170.7=13.1
根据同相放大器公式：
Vo Vi =1+R1R2
所以根据放大倍数，电阻的选取分别为： 发送端：R1=3.9K Ω R2=1K Ω 接收端：R1=12.1K Ω R2=1K Ω
6.导频插入及提取电路
调制信号m(t)中无直流分量，被调载波为asin ωc t,将它经90度相移形成插入导频（正交载波）： - acos ωc t, 其中a 是插入导频的振幅。

于是输出
信号为u o (t) =am(t) sin ωc t - acos ωc t .
载波信号
调制信号
BPF 加法器
90度相移
已调信号
收端用一个中心频率为fc 的窄带滤波器提取导频，再将它经90度相移后得到与调制载波同频同相的相干载波sin ωc t 。

解调输出为：
V （t ）= u o (t) =a*m(t) *sin ωc t
= a*m(t)*( sin ωc t)^2 *cos ωc t - a*cos ωc t* sin ωc t
窄带滤波器
接收信号
BPF
90度相移
已调信号
LPF。