频分复用系统

第 1 章传输设计 频分复用 1 1 频分复用设计原理 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 2 1 频分复用原理框图 1 2 频分复用设计指标 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 语音通信接口采用 4 线制全双工 音频端接口阻抗 600 标称输入输出功率为 0 1mW 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 系统电源 直流 24V 单电源 1 3 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 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 2 中设有 n 路基带信号 图 2 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 1 3 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 设各路的调制信号频率 fm 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 gs BBB 式中为已调信号的带宽 为防卫间隔 s B g B 1 3 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 1 4 频分多路复用的特点 1 4 1 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 1 4 2 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 2 3 所示 图 2 3 频分复用信号的频谱结构 合理选择载波频率 fc1 fc2 fcn 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 fg 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 fg 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 Bn nfm n 1 fg n 1 fm fg fm n 1 B1 fm 式中 B1 fm fg 它是一路信号占用的带宽 1 5 设计思路和过程 1 5 1 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 1 5 2 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 频分复用系统原理框图图 2 4 所示 系统发送端 发送信号的频谱包含各个信道 s t 系统接收端 图 2 4 频分复用系统原理框图 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 单边带调制后其带宽与调制3003400Hz 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 每路话音信号取作为标准频带 由题目所给 电缆传输频带 4KHz60156KHzKHz 带宽 96KHz 由于是全双工 的带宽正好可容纳路信号 即 12 路 96KHz24AB 12 路 它们在一个信道上传输 这样就充分利用了信道资源 BA 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 由于最3003400Hz 低频率为 因此允许过渡带为 实现滤波器的难易与过渡带相对于300Hz600Hz 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 为滤波器的过渡带 为载波频率 为过渡带相对于载频的归一化值 L f C f 如 则 即 刚好满足所给指标 600 L fHz 60 C fKHz 0 01 1 发送端 根据课题给出条件 采用二次调制 第一次用 调制形成前群 按最高载频计算 12KHz16KHz20KHz 3 600 3 20 10 第二次用 调制 按最高载频计算 84KHz96KHz108KHz120KHz120KHz 3 3 24 10 20 120 10 二次调制方案 在发送端 将 12 路语音信号 频率 分为四组 每组的4KHz 3 路信号分别用 的载频进行调制 取上边带 把 3 路信号12KHz16KHz20KHz 加在一起 合成一个前群 前群的频率为 1224KHzKHz 在一端 将四个前群分别用 载频进行84KHz96KHz108KHz120KHz 调制 取下边带 从而将四个前群调制到了的频带上 60108KHzKHz 在另一端 形成前群的方法相同 将四个前群分别 132KHz144KHz 的载频进行调制 取下边带 基群调制到的频156KHz168KHz108156KHzKHz 段上 调制示意图如下 图 2 5 与之相似 AB BA 原理示意图 频带示意图 图 2 5 调制示意图AB 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 2 4 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 这样经过两次调制 电压信号幅度衰减为原来信号的 再则 1 2 1 4 于二四线转换电路中 电压信号又将损失 于是发送端总的电压幅度变为 1 2 1 8 即信号功率变为原有的 音频输入信号功率为 要求传输中满载条件 1 64 0 1mW 下信号功率不低于总功率的 且电缆上信号总功率不大于 每路信号分90 1mW 的 于是有功率放大倍数 0 9 24 mWA 0 90 1 24 2464 5 Power VoltagePower A AA 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 再则 于二四线转换电路中 1 2 电压信号又损失 于是接收端总的电压幅度变为 既信号功率变为原有的 1 2 1 4 1 16 于是有功率放大倍数 A 0 9 0 143 24 16 7 Power VoltagePower A AA 因此接收端应当将信号电压放大为原信号的 7 倍 1 6 系统总体设计框图 1 系统总体设计框图 图 2 6 所示 图 2 6 系统总体设计框图 2 发送端调制框图 图 2 7 所示 图 2 7 发送端调制框图 3 接收端解调框图 图 2 8 所示 图 2 8 接收端解调框图 1 7 系统单元电路设计 1 7 1 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 2 9 所示 12 12 12 1 0 7 2 2 C RR f RR q RR 为占空比 为输出频率 根据以上公式 选取 构成频率发生qf 1 R 2 RC 器 图 2 9 产生 60KHz 方波 图 2 10 利用 4022 产生 12KHz 和 4KHz 方波 图 2 11 利用 4046 合成 64KHz 方波 1 7 2 加法器 采用同相加法器构成 123 111213 1 1 1 1 psss fpfpfp sss RRRR RRRRRR RRRRRR 因此 300 1 R 图 2 12 实现三路加法的加法器 12345 1112131415 1 1 1 1 1 1 psssss fpfpfpfpfp sssss RRRRRR RRRRRRRRRR RRRRRRRRRR 因此 150 1 R 图 2 13 实现五路加法的加法器 1 7 3 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 2 14 四二线和二丝线转换器 1 7 4 功率放大器 由可得发送端放大电路如下图 2 15 所示 1 15 f v R A R 图 2 15 发送端放大电路 由可得接收端放大电路如下图 2 16 所示 1 17 f v R A R 图 2 16 接收端放大电路 1 7 5 调制电路 图 2 17 调制电路图 balanced modulator 1 7 6 解调电路 图 2 18 解调电路图 product detector 1 7 7 系统电路总图 图 2 19 系统电路总图 1 8 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 ssbmod ch3 20 Fs 0 upper wgn 1 length t 20 qianqun2 ssbmod ch4 12 Fs 0 upper ssbmod ch5 16 Fs 0 upper ssbmod ch6 20 Fs 0 upper wgn 1 length t 20 qianqun3 ssbmod ch7 12 Fs 0 upper ssbmod ch8 16 Fs 0 upper ssbmod ch9 20 Fs 0 upper wgn 1 length t 20 qianqun4 ssbmod ch10 12 Fs 0 upper ssbmod ch11 16 Fs 0 upper ssbmo d 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 1 08 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