频分复用两路通信电路的设计

1 软件基础
1.1Multisim软件简介
Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。

借助专业的高级SPICE 分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。

计算机仿真在教学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。

采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。

Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。

作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。

它的主要优势为：
（1）通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路
（2）通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为
（3）借助高级电路分析, 理解基本设计特征
（4）通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试
（5）通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间
1.2 Multisim的特点
(1)直观的图形界面
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。

(2)丰富的元器件库
Multisim大大扩充了EWB的元器件库，包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。

(3)丰富的测试仪器
除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。

尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。

(4)完备的分析手段
除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。

网络分析仪和频谱分析仪
(5)强大的仿真能力
Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。

仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。

1.3 multisim的发展
EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。

发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。

一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。

EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。

EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。

美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim 软件就是这方
面很好的一个工具。

Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics 简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

2 频分复用
2.1 频分复用的概述
频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。

频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰(条件之一)。

频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。

频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)。

频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。

若相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号产生失真。

为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率fc1, fc2, …, fcn，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔。

若基带信号是模拟信号，则调制方式可以是DSB、 AM、SSB、VSB或FM等，其中SSB方式频带利用率最高。

若基带信号是数字信号，则调制方式可以是ASK、FSK、PSK等各种数字调制。

2.2 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，因而可以用滤波器将它们分别滤出来，然后分别解调接收。

如图2-1所示。

图2-1频分复用组成框图
(1)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fm 的频率都相等。

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，为了防止邻路信号间的相互干扰，还应留有一定的保护频带，即fc(i+1)=fci +(fm+fg) ,i=1,2….n 其中: fc(i+1) 与 fci分别为第i+1 路与 i路的载频频率;fm 每一路调制信号的最高频率,本设计中为3400Hz;fg 邻路间保护带。

（2）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。

2.3频分复用的频谱结构
经过调制的各路信号，在频率位置上就被分开了。

因此，可以通过相加器将它们合并成适合信道内传输的复用信号。

图中，各路信号具有相同的fm，但它们的频谱结构可能不同。

n路单边带信号的总频带宽度为
Bn=nfm+（n-1）fg=（n-1）（fm+fg）+fm=（n-1）B1+fm
式中，B1=fm+fg为一路信号占用的带宽。

频分复用的频谱结构图如下图所示：
图1-2 频分复用频谱结构图
3 频分多路复用
3.1频分多路复用概述
频分多路复用（Frequency-division multiplexing，FDM），是一种将多路基带信号调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术。

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一种信号，这就是频分多路复用。

历史上，电话网络曾使用FDM技术在单个物理电路上传输若干条语音信道。

这样，12路语音信道被调制到载波上各自占据4KHz带宽。

这路占据60－108KHz 频段的复合信号被认为是一个组。

反过来，五个这样的信号组本身被同样的方法多路复用到一个超级组中，这个组包含60条语音信道。

进一步甚至有更高层次的多路复用，这样使得单个电路中传输几千条语音信道成为可能。

FDM也能被用于在最终调制到载波上之前合并多路信号。

在这种情况下，所载信号被认为是次载波。

立体声调频(stereo FM)传输就是这样一个例子：38KHz 次载波被用于在复合信号频率调制之前从中央左右合并信道中分离出左右不同的信号。

当频分多路复用被用于允许多路用户共享一个物理通信信道时，它又被称为频分多址(FDMA)。

FDMA是一种从不同发送器中分离无线电信号的传统方法。

在光学领域类似频分多路复用的技术被称为分波多工(wavelength division multiplexing)。

从原理分析可知，FDM比较适合于传输模拟信号，而TDM则比较适合于传输数字信号。

3.2 频分多路复用原理图
下图给出了频分多路复用的原理图。

以n路为例，模拟信号经过FDM复用过程到达同一传输介质上。

输入端输出端1 2
n
图3-1 频分多路复用原理图
3.3 频分多路复用的优点及存在的问题
（1）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。

（2）主要问题
频分多路复用中的主要问题是各路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，但信道传输中非线性所造成的串扰则无法消除。

因而在频分多路复用系统中对系统线性的要求很高。

合理选择载波频率，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。

4 设计原理
4.1 设计思想
由于设计要求是完成一个频分复用两路通信电路的设计，实现两路不同信号的频分传输功能在信号接收端能够完整还原出两路原始模拟信号，选用相应调制解调方式与同步方式，进行滤波器的设计，所以可以选择调制方式为抑制载波的单边带调制（DSB），可以利用它双边带信号的频谱不存在载波分量，所有的功率都集中在两个边带中，即调制效率为百分之百的优点来提高整个电路系统的传输效率。

调制采用抑制载波的单边带调制（DSB）方法来实现，即采用乘法器的方法，对于所使用的画图仿真软件Multisim，经查找其元件库中有乘法器与加法器，故可采用此方案，为了抑制使调制后的信号在传输中不被干扰，可在加法器后面、解调器前面加一个带通滤波器，同时，由于载波信号是高频分量，所以在最开始调制时将高频分量加入了传输的信号中，这样就导致了传输的信号中包含了高频分量，而在解调时又无法将高频分量消除，所以为了保证调制与解调相对应以及满足同步的要求，即使接收到的经过滤波的信号不被高频信号干扰，应在解调器后面需各加一个低通滤波器。

带通滤波器的中心频率即为两路信号调制时的载波频率。

4.2 设计流程图
按照以上的设计思想，可以确定以下设计流程图：
图4-1 频分两路复用系统流程图
5 各单元电路的设计与实现
（1）调制电路
调制电路较为简单，可以直接采用载波信号与各路信号相乘来实现，时域内相乘的过程便意味着频域内频谱搬移的过程，使各路信号由低频段被搬移到了高频段，从而实现调制。

调制单元电路图如下图所示：
图5-1 调制单元电路图
（2）带通滤波器（BPF）电路
加带通滤波器（BPF）电路的目的是避免两路信号发生混叠现象，所以带通滤波器电路的中心频谱即为各路信号的载波频率，而带宽选取一致，从而降低了传输错误的可能性。

带通滤波器（BPF）电路如下图所示：
图5-2 带通滤波器1
图5-3 带通滤波器2
（3）解调器单元电路
解调器单元电路的实现也较为简单，解调与调制相对应，鉴于相干解调实际上就是要在本地恢复出同频同相的载波，具有实现复杂，误码率性能较好的特点，而且市面上有售关于乘法器的芯片，所以采用相干解调的方法。

解调单元电路如下图所示：
图5-4 解调单元电路
（4）低通滤波器（LPF）电路
经解调后的信号仍然分布在高频段与低频段，而真正解调后所需的信号是原始的低频段的信号，所以必须加低通滤波器电路。

为了使滤波效果较为明显，可采用三阶低通滤波器来实现。

低通滤波电路图如下图所示：
图5-5低通滤波器（LPF）电路
6 电路原理图
将以上调制器单元电路图、加法器、带通滤波器（BPF）电路、解调器单元电路、低通滤波器（LPF）电路，最后再加上示波器便组成了此次课程设计的电路原理图-频分复用两路通信电路图。

具体电路图如下图所示：
图6-1 频分复用两路通信电路图
7 仿真与分析
（1）调制电路仿真结果图与分析
调制电路仿真结果图如下图所示：
图7-1 调制电路仿真结果图
由以上结果可知，调制电路可以实现载波信号与原信号相乘，即调制。

（2）带通滤波器电路仿真结果图与分析
调制电路仿真结果图如下图所示：
图7-2 带通滤波器电路仿真结果图
由以上结果可知，经调制后的信号再经过带通滤波器后防止了两路信号的混叠现象。

（3）解调器单元电路仿真结果图与分析
解调器单元电路仿真结果图如下图所示：
图7-3 解调器电路仿真结果图
由以上结果可知，经解调后的信号仍含有高频分量，这就意味着其后的低通滤波器是必不可少的。

（4）低通滤波器电路仿真结果图与分析
解调器单元电路仿真结果图如下图所示：
图7-4 低通滤波器电路仿真结果图
由以上结果可知，三阶低通滤波器成功的实现了对高频信号的隔离以及恢复出了原始信号，同时，恢复出了的信号既没有杂波干扰也没有产生失真，从而证明了这个系统的可行性与有效性。

8 心得体会
课程设计是培养我们综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节。

本次课程设计的题目是频分复用两路通信电路的设计，通过仔细阅读课本相关章节和借阅有关Multisim软件教程书籍，我为实际设计打好了理论基础，在此基础上，通过自己动手设计完成了课程设计要求。

通过这次课设，我更进一步理解频分多路系统的设计原理，学会了频分多路系统设计的方法和一般步骤，能够独立设计一频分复用两路通信电路，实现了把理论知识转化为实际动手能力的过程。

我还从本次课程设计中体会到了Multisim软件的强大功能，了解到它在原理图的绘制、仿真以及分析中的重要作用，为我以后进一步学习打下了良好的基础。

当然这次课程设计也暴露了我的一些问题，比如用Multisim软件绘制原理图时不够熟练，尤其是对Multisim软件中快捷键的使用不够熟练，导致绘图速度较慢。

虽然Multisim的使用方法已经明白，但仍需仔细使用与操作，当绘制好原理图后要及时进行仿真与分析，当发现错误时一步一步地发现错误并改正错误，最后才能把课程设计顺利完成。

参考文献
[1]《通信原理》主编樊昌信国防工业出版社出版 2006
[2]《通信电子线路》主编刘泉武汉理工大学出版社出版 2005
[3]《电子》主编藤井信生科学出版社出版 2005
[4]《怎样看无线电电路图》主编雷达萍人民邮电出版社出版 2005
[5]《模拟电子技术》主编江晓安西安电子科技大学出版社出版 2005
[6]《通讯电子线路》主编高如云西安电子科技大学出版社出版 2005。