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电子科大通信学院综合课程设计报告汇总

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2020年4月19日
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电子科技大学通信学院
《综合课程设计报告》

传输专题设计（频分复用）

班 级 级通信10班
学 生 汪辉
学 号
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。经过本专题设计，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。
四、 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。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。

1、频分复用原理
在通信系统中，信道所能提供的带宽一般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，就能够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

式中为已调信号的带宽，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,经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、SSB调制原理
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。产生单边带信号最直观的方法是让双边带信号经过一个单边带滤波器，保留所需的一个边带，滤除不要的边带，即可得到单边带信号。此方法称为滤波法。它是最简单的也是最常见的方法。边带可取上边带，也可取下边带。滤波法原理图如图4所示，图中为单边带滤波器的传递函数。

图4 用滤波法形成单边带信号

在我们的设计中，每路电话信号限带于300-3400Hz,语言信号的频谱如图5所示。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，一般每路话音信号取4KHz作为标准频带。由题目所给,电缆传输频带60KHz～156KHz,带宽96KKz。 由于是全双工,96KHz的带宽正好可容纳24路信号,即 A－B，12路,B－A，12路。它们在一个信道上传输,这样就充分利用了信道资源。
3、 多级调制原理
多级调制是指在一个复用系统内，对同一个基带信号进行两次或两次以上同一种方式的调制。 由于一次调制的方式不能达到归一化过渡带给定的指标，这时能够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。

五、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总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。（一路信号）
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。

六、 系统框图
A - B传输：

其中各个滤波器截止频率如下：(单位HZ)
LPF 4k
BPF1 12k ~ 16k
BPF2 16k ~ 20k
BPF3 20k ~ 24k
BPF4 60k ~ 72k
BPF5 72k ~ 84k
BPF6 84k ~ 96k
BPF7 96k ~ 108k

B - A 传输：

其中各个滤波器截止频率如下：(单位HZ)
LPF 4k
BPF1 12k ~ 16k
BPF2 16k ~ 20k
BPF3 20k ~ 24k
BPF4 108k~120k
BPF5 120k~132k
BPF6 132k~144k
BPF7 144k~156k
传输在信道上的频带为60k~ 156k

接收框图：以B端接收为例，为方便起见，只画出前3路信号

如上图所示,发送端插入一个导频将接收到的信号经过一个通带为60kHZ~156kHZ的BPF，再经过SSB解调器，将位于高频的信号解调到基带，第1路信号用LPF滤得，第2路到第12路用BPF滤得，每路信号再经放大即得原始信号。
BPF 60k~156k
LPF 4k
BPF1 4k ~ 8k
BPF2 8k ~ 12k
BPF3 12k ~ 16k
BPF4 16k ~ 20k
BPF5 20k ~ 24k
BPF6 24k ~ 28k
BPF7 28k ~ 32k
BPF8 32k ~ 36k
BPF9 36k ~ 40k
BPF10 40k ~ 44k
BPF11 44k ~ 48k

七、各个具体部分（基于MATLAB的simulink模块仿真）
1、产生调制载波：石英晶体是SIO2的结晶材料，具有非常稳定的物理特性。如果忽略电阻r，晶体谐振器两端呈现的阻抗为纯电阻，它有两个谐振频率点，即串联和并联谐振频率点。串联谐振频率为f1=，而并联谐振频率为f2=f1（1+c1/2*c2）。
此处采用并联型基音晶振电路，如下图：

晶体振荡器原理图
因此设定特定的电容和电感值能够产生20kHZ(能够是任意的)的参考频率。
然后采用频率合成方法产生各个载波。经过设定相应的N能够得到所需要的载波频率。

频率合成器图

2、插入导频与锁相环提取导频电路（此处窄带滤波器就相当于一个锁相环）：

插入导频发射接受原理图

导频插入电路图

3、调制电路：

SSB调制电路图

MATLAB的调制仿真框图

4、解调电路：
SSB只能采用相干解调。

SSB解调电路图

MATLAB简单解调仿真框图
5、加法器电路：

加法器原理图

实际加法器电路如图：

加法器电路图

一次群加器电路图

二次群加器电路图

MATLAB加法器仿真框图

6、 分压电路：

分压器电路图
Uo = 24 * R2 / (R1 + R2) V , Uo为分压后所需的电压
R1,R2根据需要设置; R3,R4等以此类推。

MATLAB分压器仿真框图
7、放大器电路：

集成运放原理图

MATLAB放大电路仿真框图
8、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),因此是四线,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16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15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。

四二线转换电路原理图

线圈等效原理图

四－二线转换电路图

MATLAB四二线转换仿真框图6
八、补充的SSB调制解调在MATLAB中的仿真（代码）

预先设计的滤波器：
LPF:

HSSB:

1、调制程序
function myfun()
%采用滤波法产生SSB信号
Fs=44100;%采样频率44100HZ
k1=input('k1=');%调制信号的参数k1
fc= 0;%载波频率设定为 0HZ；
Fc= ;%调制信号的频率
t=0:1/Fs:1;%采样时间
m=k1*sin(2*pi*Fc*t);%产生调制信号
subplot(2,1,1);
plot(m);
xlabel('时间t');
ylabel('调制信号m（t）');%做出调制信号的图
SDSB=m.*cos(2*pi*fc*t);%产生双边带调制信号
SSB=conv(HSSB,SDSB);%让双边带信号经过预先设计好的HSSB带通滤波器);
subplot(2,1,2);
plot(SSB);
xlabel('f');
ylabel('已调信号SSB（t）');
sound(SSB,44100);%经过声卡发送已调信号
end

2、 在没有音频线传输信号时，模拟信道噪声程序
SNR=40;%设定模拟信道信噪比
SSB1=awgn(SSB,SNR);%加入模拟信道高斯白噪声
3、 解调程序
function myfun()
%采用相干解调解调SSB信号
Fs=44100;%采样频率44100HZ
fc= 0;%载波频率设定为 0HZ；
t=0:1/Fs:1;%采样时间
SSB1=wavrecord(44101,44100);%经过声卡接收信号
subplot(3,1,1);
plot(SSB1);
xlabel('t');
ylabel('经过声卡的接收信号');%作图
S=conv(SSB1,HSSB);%让接收到的信号经过带通滤波器
subplot(3,1,2);
plot(S);
xlabel('t');
ylabel('经过带通滤波器后的接收信号');%作图
ii=1;
S1=ones(1,44101);
while ii<=44101
S1(ii)=S(ii);
ii=ii+1;
end
%经过循环截取前面的44101个数据点
S2=conv(LPF,S1.*cos(2*pi*fc*t));%解调的核心程序
subplot(3,1,3);
plot(S2);
xlabel('t');
ylabel('解调后的信号');%作图
end

九、各项指标计算

3、 音频端接口阻抗600Ω，标称输入输出功率为0.1mW。因此每一路输入电压为 (0.1mW * 600Ω) =0.2449 V
2. 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。因此总功率就衰减了1/82。 输入功率为0.1mw,到线路端时,每一路信号的功率只有：
0.1/82＝0.0015625mw
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 ：
0.9/24＝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 0.0375/ 0.0015625= 24
因此，电压放大倍数约取5倍
3.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（取最大），则
, 即3% 。
第二次用84、96 、 108 、 120KHz调制,按最高载频120KHz计算, 即
（取最小）， ，则

0.03*0.2=0.006 < 1%,完全能够满足设计给定的归一化过渡带指标。
十、心得体会
这次课程设计对我来说很重要，因为我觉得这是对自学能力的一个检验。对我的收获和感触很多，让我更加深刻的理解了频分复用系统和一些基本的通信设计电路。
在刚开始的时候，先熟悉了一下基本的原理，然后对每一个部分进行深入理解。在这之后，便没有什么真正的进展了。虽然在这之前，也查阅了很多相关的资料，但都比较乱，因此不太清楚仿真的流程和一些基本的设计思路。后来在老师的帮助下，了解了一些相关知识。之后我便买了一本MATLAB的Simulink仿真的书。随着我对这本书学习的深入，获得了一些仿真的思路和流程。这本书使我收获颇多。在做整个仿真过程中，滤波器的设计相当重要，因为它影响着实验的正确性。本实验采用的多级调制不但能够有效地减少滤波器的使用数目，而且还减小了滤波器设计的难度。由于采用的是SSB调制，因此必须采用相干解调，相干解调的频率由载频提取电路完成。在接收端，由于信号在传输中会存在不同程度的衰减，一般需要设计一个放大器电路，在试验中我采用的是集成运放。对于四二线转换电路，由于语音信号是收和发同时存在(收二线,发二线),因此是四线,而传输线是二线,这就需要进行四——二线转换，其采用的是回波对消原理。对于载波频率的产生，采用晶体振荡器和频率合成器来实现，理论上能够得到想要的任何频率。对于Simulink，它有各个模块库，用于把一系列的模块连接起来的计算机仿真。直接在命令窗口输入Simulink便可进入模块库窗口。里面大致包括了信号源模块组、输出池模块组、连续模块组、离散模块组、数学运算模块组、逻辑与位运算模块组、非线性模块组、查表模块组等等。用户还能够将自己编写的模块挂靠到整个模型库浏览器下。对于需要用到但不清楚具体在那个模块组下的的模块，只需在Enter search term 中输入相关的英文名即可，但必须注意第一个字母一般需要大写，还有这个不能近似搜索，必须输入详细的名字才能找到，当然也能够在器件栏目中挨着查找。在Simulink环境下，编辑模型的一般过程是：首先打开一个空白的编辑窗口，然后将模块库中的模块复制到编辑窗口中，并依照给定的框图连接起来，这样就能够对整个模型进行仿真。在连线时需要注意只有定义相同的信号线才能直接相连，不同定义模块之间的混用需要相应的模块进行转换后才能够实现。如在本实验中的Simulink模块和物理信号（用Simscape打开）直接相互转换的模块（PS-Simulink Converter）和(Simulink-PS converter)。对于本实验中会用到的Simscape，能够直接在命令窗口中输入Simscape或者在Simulink模块库中直接打开。该模块集包括电、磁、力、热、液等在内的基础模块库，还有更专业、集成度更高的模块集，如本实验采用的电子线路与系统模块仿真（SimElectronics）。不得不说的是该模块的功能十分强大，能够设计出任何电路，进行任何电路的仿真，且十分方便。在仿真环境的设置和启动时，最简单的方法是直接用鼠标点启动的快捷键。能够经过Solver选项选择合适的仿真算法，主要包括仿真区间的设定、仿真精度的设定、输出信号的精度处理、过零点检测和数据输入输出设置。在默认状态下，时间和输出信号都将被写入MATLAB的工作空间，分别存入tout和yout变量，在实际仿真中如果需要获得系统的状态还能够选择xout选项。在MATLAB中还能够经过绘图命令plot（tout,yout）等将其可视化，或者直接用scope（常规示波器）模块将其输出，也能够直接点击scope的界面。对于MATLAB中的模型测试与调制工具主要包括Model Advisor 和Simulink debugger。能够采用合适的命令和设置对程序进行调试。而对于调制解调模块，一般采用的是模拟乘法器来实现的。
实验中的其它的电压能够直接用分压器进行简单的实现。晶震和频率合成器是在射频电路中学习过的，理论上能够由其生成各种需要的载波和插频。
总之学习新的一个仿真技术和工具对于指导理论的学习和实际的能力帮助巨大。虽然说这次有的地方做的还不够好，但相比之下在做了之后学到的东西确实不少。这次实验让我学会了查阅一些相关的文献和书籍，掌握了一些MATLAB中的Simulink工具的仿真，而且对实际的以频分复用方式通信的系统有了更加深刻的理解。