电子科大--课程设计

电子科技大学通信学院电子科技大学通信学院 综合课程设计指导书综合课程设计指导书 传输专题设计 频分复用 传输专题设计 频分复用 班班 级级 通信 18 班 学学 生生 李 澳 学学 号号 12 教教 师师 饶力 刘镰斧 设计名称设计名称 传输专题设计 频分复用 传输专题设计 频分复用 设计目的设计目的 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 600 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 600 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 600 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 系统设计框图系统设计框图 A A B B 传输传输 发送端发送端 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 BA 传输 发送端 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 AB 传输所占用频带为 60kHz 108kHz BA 传输所占用频带为 108kHz 156kHz 接收端原理示意图接收端原理示意图 以 以 B 端接收为例 为方便起见 只画出了前端接收为例 为方便起见 只画出了前 3 路信号 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 60kHz156kHz 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系统具体功能实现电路 一 一 载波产生电路载波产生电路 1 晶体振荡器产生正弦信号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 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 rd ff 是 VCO 输出频率经 N 分频后得到的 即 d f o f do ffN 所以输出频率 or fN f 设计中的锁相环电路可以用集成的频率合成器 如 MC 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 则总的有 oin fM f oin fM fN 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 二 导频插入及提取导频插入及提取 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 sincos occ u tAm t atat 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 600 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 600 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 600 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 AB 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 AB 传输的滤波器的参数 单位为 kHz 中心频率通带带宽阻带带宽归一化过渡带 BPF113 853 14 35 BPF217 853 14 33 75 BPF321 853 14 33 BPF466123614 3 BPF578123612 5 BPF690123611 1 BPF7102123610 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 四六 四 二线转换二线转换 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 发射机 接收机 回波抵 消器 耦合 器 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 PUR 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 mw 0 mw 2 0 1 8 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 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 设计指标计算设计指标计算 1 音频端接口阻抗 600 标称输入输出功率为 0 1mW 因此输入电压为 0 1mW 600 0 2449 V 2 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 600Hz 20KHz 则 1 f 1c f 即 3 03 0 1020 600 3 1 第二次分别用 84kHz 96kHz 108kHz 120kHz 调制 按最高载频 120KHz 计算 即 则 3 2 1024 f 3 101202 c f 2 0 10120 1024 3 3 2 完全能够满足设计给定的归一化过渡带指标 0 0030 20 00060 01 系统总体设计框图系统总体设计框图 滤波器指标滤波器指标 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 HZ g 通带截止频率 HZ 阻带截止频率 HZ 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