频分复用专题.ppt

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1、频分复用专题设计,通信与信息工程学院 通信工程实验室,传输设计（频分复用）,图1 12路调制解调系统框图,一.设计目的 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。把理论与实践结合起来，从 而提高学生的工程实践能力和实际动手能力。,二.专题设计要求与指标 设计一个调制、解调系统，将12路语音信号调制到 电缆上进行传输。如图1所示。其传输技术指标如下： a) 语音信号频带300Hz3400Hz 。 b) 电缆传输频带60KHz156KHz 。 c) 传输中满载条件下信号功率不低于总功率的90 。 d) 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1

2、mW。,e) 语音通信接口采用4线制全双工。 f) 音频端接口阻抗600，标称输入输出功率为0.1mW。 g) 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）。 h) 系统电源：直流24V单电源。,三.设计原理 “复用”是一种将若干个彼此独立的信号合并为一 个可在同一信道上传输的复合信号的方法。比如,在 电话系统中,传输的语言信号的频谱一般在3003400 Hz内。为了使若干个这种信号能在同一信道上传输, 可以使它们的频谱调制到不同的频段,合并在一起而 不相互影响,并能在接 收端彼此分离开来。,常见的信道复用采用按频率区分或按时

3、间区分信号。 频分复用（FDM）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（TDM）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,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

4、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所示。,图2 频分复用原理框图,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

5、; 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。,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。,频分多路复用系统的优点: 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。如图3所示。,频分多路复用的特点,图3 载波通信连接示意图,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

6、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。频分复用的频谱结构如图4所示。,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。,图4 频分复用信号的频谱结构,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

7、过滤。在信道中传的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。,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。每路电话信号限带于300-3400Hz,单边带调制后其带宽与调制信号相同。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60kHz156kHz,带宽96kHz。 由于是全双工,96kHz的带宽正好可容纳24路信号,即 AB，12路,BA

8、，12路。它们在一个信道上传输, 这样就充分利用了信道资源。 调制方式 首先采用抑制载波双边带调制，即 DSB，然后再 用边带滤波器滤除上边带或下边带，得到单边带， 即 SSB。此方法称为滤波法。,通常采用滤波法。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。,由滤波器知识可知，实现滤波器的难易 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

9、渡带相对于载频的归一化值计算方法如下式:,式中： 为滤波器的过渡带。 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103。,例如： 600Hz 60KHz 则： 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。为此，在工程中往往采用多级频率搬移和多级滤波的方法，简称多级滤波法。如图6所示。 图6中 ，第一级单边带滤波器 滤出以为 载频的上边带信号或下边带信号， 以此单边带信号作为调制信号对频率为 载波,图6 多级滤波法原理图及频谱图,进行双边带

10、调制，再由第二级单边带滤 波器滤出以 为载频的单边带信号。 合理选择 便可设计出合适的单边带信号调制器。 多级调制的方法举例： 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。,按调制载波最高频率计算, ，即3 第二次用84、96 、 108 、 120KHz调制,按最高 载频120KHz计算,调制方式实现 多路载波电话分群等级,基群由12路信号构成。形成12路基群的一种方法是先将3个信号合成一个前群,然后再将4个前群合成一个基群。我们采用下面的方法来现。 二次调制方案 在发送端,将12路语音信号(每路频率4KHz),分为四组,每组的3路信号分别用1

11、2KHz,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12KHz24KHz。,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 60KH108KHz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 108KHz156KHz的频段上。 调制框图如图7所示。频谱搬移过程如图8所示。,图7 两极单边带调制的复用系统,图8 频谱搬移过程,频分多路复用基群信号频谱图,各路信号在

12、频率 位置上就被分开了。,其中 为防护带,间隔为900Hz,这样,可以使邻路 干扰电平低于-40dB以下。,AB传输调制,由图中看出,由3路信号形成前群需要一个加法器,如图9所示。将3路信号合在一起。而由四个前群形成一个基群,也需要加法器。,图9 信号相加示意图,BA传输调制,实际加法器电路如图10所示。 图10 加法器电路图,四二线器转换,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。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

13、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600。具体电路如下:,功率计算 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。在四二线转换中,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: 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。 由于每路信号总电压衰减了1/8,所以每路信号

14、总功率就衰减了1/82。 例:输入功率为0.1mw,到线路端时,只有： 0.1/82mw 0.001563mw 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 0.9/24mw0.0375mw。,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。放大倍数及放大器,由设计者计算设 计。在上述计算中,还未考虑滤波器1dB的衰耗,设计时 , 可以不考虑。同样,在接收端,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。,解调 发送端各路信号经电缆传输到收端,由收端混合 线圈接收, 经过带通滤波器滤波,相干

15、解调,低通滤波, 再经过放大器放大,得到解调信号。 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。,载波同步,接收端作相干解调，得 低通滤波器后输出差频，得 因此，要求收发端同频同相。,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,导频频率的大小由设计者决定。 只要是 4KHz的整数倍即可。但要符合信道传输要求(信道带 宽为60156KHz) 。 在不考虑噪声的情况下,导频的功率小于总功率的 10%即

16、可,也就是说导频的功率要小于0.1mw。,插入导频法 双边带信号中插入导频 插入的位置应在信号频谱为零处，导频与加在调制器的那个载波移相90后的所谓“正交载波” 。 其输出信号可表示为：,接收端乘法器输出为：,直接法和插入导频法的比较 （1）不占用导频功率; （2）防止导频和信号间的互相干扰； （3）防止信道不理想引起导频相位误差 。 插入导频法的优缺点主要表现在； （1）可以利用它作为自动增益控制； （2）多消耗一部分不带信息的功率。,总 结 通过上面的分析,传输设计主要是要解决两个方面 的问题,一个是信号的带宽,另一个是信号的功率。 在本设计中,要解决的是信号频谱的搬移,以及信号 功率搭配

17、的问题。 设计的内容 1.各种载频的产生(包括调制,解调), 电路。 2.调制器和解调器电路。,3.带通滤波器和低通滤波器,只给出相应的参数即可。 4.加法器,放大器电路,要求给出具体放大倍数。 5.四二转换器电路。 6.载频提取电路。 7.系统电路图。 8.设计说明书。,设计报告要求 1.设计思想和设计过程。 2.系统原理分析。 3. 系统的总体设计框图及技术指标（包括输入输出电平，阻抗，工作频带）。 4. 系统的单元电路设计图。电路中主要点的直流工作点，交流工作参数，元器件技术指标有参考资料。 5. 不得相互抄袭。,参考资料 1通信原理 樊昌信等 国防工业出版社。 2现代通信原理 曹志刚等 清华大学出版社。 3数字与模拟通信系统 罗新民 等译 电子工业出 版社 。 4通信电子线路解月珍 谢沅清 编著 机械工业出版社。,答疑联系方式 姓名：饶力 电话：61830299 13540622403 地点：清水河校区科B130、116、117。,