简易两路时分复用课设.doc

武汉理工大学通信原理课程设计说明书目录摘要11Multisim介绍32时分复用原理42.1 TDM方式72.2基本特点73总体设计思路83.1PAM编码原理83.2PAM信号解调113.3复接分接133.4位同步原理133.5帧同步原理144电路仿真155实物制作和测试结206实验结果分析227心得体会238参考文献24摘要为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰，称多路复用。目前采用较多的是频分多路复用和时分多路复用。频分多路复用用于模拟通信，例如载波通信，时分多路复用用于数字通信，例如PCM，PAM等通信。时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具体说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。发端分配器不仅起到抽样的作用，同时还起到复用合路的作用。合路后的抽样信号送到 PAM编码器进行量化和编码，然后将数字信码送往信道。关键词：信道利用率 PAM编码 时分复用ABSTRACT In order to improve the channel utilization, enables multiple signal transmission and not interfere with each other, along the same channel multiplexing. Is currently used more frequency division multiplexing and time division multiplexing. Frequency division multiplexing is used for simulating the communication, such as carrier communication, time division multiplex used in digital communication, such as PCM, PAM communication, etc. Time division multiplex communication, it is multiple signals on the same channel has different time slot to communicate. Sampling of an important role, is a continuous time signal into a discrete time signal, its limitations on the channel holding time, provides conditions for multipath signal along the same transmission channel. Specifically, is to put some time into uniform time interval, the multiple signals transmission time distribution in different time interval, separated from each other, in order to achieve the purpose of mutual interference. Start distributor not only have the effect of sampling, at the same time also play the role of reuse and road. Road PAM sampling signal of the encoder on quantization and coding, then digital code letter sent to the channel. Keywords: PAM coding time-division multiplexing channel utilization1Multisim介绍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，用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”，是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。Multisim的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，并且其中具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。特点总结如下：（1） 所见即所得的设计环境；l（2） 互动式的仿真界面；（3） 元件库包括1200多个新元器件和500多个新SPICE模块，这些都来自于如美国模拟器件公司（AnalogDevices）、凌力尔特公司（LinearTechnology）和德州仪器（TexasInstruments）等业内领先厂商，其中包括100多个开关模式电源模块；（4） 动态显示元件（如LED，七段显示器等）；（5） 汇聚帮助（ConvergenceAssistant）功能，能自动调节SPICE参数，纠正仿真错误；（6） 数据的可视化分析功能，包括一个新的电流探针仪器和用于不同测量的静态探点，以及对BSIM4参数的支持。2时分复用原理 时分多路复用适用于数字信号的传输。由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率,因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用，每一时间片由复用的一个信号单独占用,在规定的时间内,多个数字信号都可按要求传输到达,从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。 图1 两个基带信号时分复用原理 时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就可能用一条信道同时传送若干个基带信号,并且每一个抽样值占用的时间越短，能够传输的路数也就越多。此外，时分复用通信系统有两个突出的优点，一是多路信号的汇合与分路都是数字电路，简单、可靠；二是时分复用通信系统对非线性失真的要求比较低。然而，时分复用系统对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号，为此必须在每帧内加上标志信号（即帧同步信号），它可以是一组特定的码组，也可以是特定宽度的脉冲。信道示意图： 图2 信道示意图TDM就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传送多路信号的，电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在，因数字信号是有限个离散值，所以TDM技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统，而模拟通信系统的传输一般采用FDM。LPFLPFCH1信道LPF多路选择多路选择LPFCH2LPFLPFCHn 图3 多路传输原理框图2.1 TDM方式目前分为以下两种：同步时分复用系统（分两类）：1. 准同步系列PDH(用于公共电话网PSTN）2. 同步系列SDH（用于光纤通信等骨干网络）统计(异步)时分复用系统（分两类）：1.虚电路方式（如，X.25、帧中继、ATM）2.数据报方式（如TCP/IP）PSTN系统目前采用PDH和SDH结合的方式，在小用户接入及交换采用PCM/PDH，核心骨干网络采用SDH。目前世界上存在两类的PDH标准：1.基于A律压缩的30/32路PCM系统（欧洲标准，用于欧洲、中国、俄罗斯等）2.基于u律压缩的24路PCM系统（美洲标准，用于北美、日本、台湾等）时间片划分：同步(Synchronous)时分多路复用TDM,它的时间片是预先分配好的,而且是固定不变的,因此各种信号源的传输定时是同步的。与此相反,异步时分多路复用1DM允许动态地分配传输媒体的时间片。2.2基本特点1. TDM在时域上各路信号时分开的，但在频域上各路信号时混叠在一起的，正好与FDM相反2. TDM容易用数字电路实现，因而也容易集成3. 能抗非线性失真4. 要求产生准确的位，帧定时，要插入冗余比特，进行帧同步3总体设计思路A路译码子模块总体框图结构如下：语音信号A帧同步子模块时分解复用模块PCM编码及时分复用B路译码子模块位同步子模块 语音信号B图4 电路总模块3.1PAM编码原理抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。在抽样定理实验中，采用标准的8KHz抽样频率，并用函数信号发生器产生一个信号，通过改变函数信号发生器的频率，观察抽样序列和重建信号，检验抽样定理的正确性。 图5 抽样定理框图 PAM信号常常是由连续时间信号经周期采样得到的，完成这样功能的器件称为采样器，如下图所示，f(t)表示模拟信号，s(t)表示采样脉冲，它具有周期性令其采样周期为T，这里可以把采样器看成一个每隔T秒闭合一次的电子开关S，开关每接通一次，便得到一个输出取样值。在理想情况下开关闭合时间无限短。 图6 信号采样在实际采样器中，设开关闭合时间为t秒(t远小于T），fs(t)的脉冲强度等于相应瞬时f(t)的幅值，即f(0T),f(1T),f(2T)等等，因此，理想采样过程可以看成是一个幅值调制过程。 PAM信号形成过程如下： 图7 语音信号输入f=f0 图8 抽样脉冲信号f2f0 图9 PAM信号 用抽样信号与语言信号相乘，得到PAM调制信号，这一抽样过程应该满足抽样定理，才能无失真的还原出原信号。所以抽样信号的频率f2f0。乘法器功能用CD4066实现，产生PAM信号 图10 PAM信号产生电路图图11 PAM编码图3.2PAM信号解调 为了能准确的恢复信号f(t)，必须以超过f(t)最高频率分量两倍的频率对其进行采样，实际上许多信号包含了频率分量的全部频谱，即从有用的频谱到白噪声的频谱，要精确的恢复这些信息，要求系统具有无法实现的高采样速率。 通过预处理输入信号，可以很容易的克服这个困难，其方法是在采样数据输入之前，采取措施限制带宽或则进行频率滤除。前置滤波器通常称为抗混叠保证滤波器，例如在低通滤波器情况，数据采样系统接受到的模拟信号，其频谱内容不比滤波器允许的那些频率高。所以在考虑语音信号的干扰信号的频谱时，可以采用限制宽带的方法，如果低通滤波器预先限制带宽，产生于语音信号的噪声的研究将得到简化。由于各个元件之间的复杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计，通常对波形的控制要求越复杂就意味者需要更多的运放，或者可以通过几次实验而最终确定下来。如果希望用最少的元件来实现滤波器，那么就别无选择，只能使用传统的滤波器，通过计算就可以得到了。在设计低通滤波器时主要考虑以下几点：1. 滤波器的拐点（中心）频率 2.滤波器电路的增益3.低通和高通滤波器的类型（Butterworth、Chebyshev、Bessel）理想滤波电路的频响在通带内应具有一定幅值和线形相移，而在阻带内其幅值为0，实际中滤波器的设计往往难以在幅频和相频响应都能达到理想的要求，因此只能根据实际情况设计不同的滤波器来寻求最佳的效果，在这里采用二阶有源低通滤波电路。 图12 二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器的截止频率f=1/电压增益A0=1+（R2/R1） 由于时分复用信号在频域是混叠的，故解调要采用相干解调的方式，再讲信号通过低通滤波器，即可恢复出原信号。乘法器低通滤波器PAM信号 输出 本地载波 图13 相干解调原理框图图14解调电路图图15解调输出波形3.3复接分接 数字复接实质上就是对多路数字信号进行时分复用，让不同的支路信号占用不同的时隙时间，在接收端再根据时间上的不同将信号分开，这一步骤叫分接，它是复接的逆过程。复接方式有三种：按位复接、按字复接、按帧复接。每路每次只插入1个符号的方式称为按位复接。对于二进制码序列，按位复接即按比特复接。这种方法是以1比特码为单位，对每个复接支路的信号每次只复接1位码，按位复接的最大优点是对复接缓冲存储器的容量要求小、简单易行、容易实现。图16 时分接复用电路 如图所示为时分解复用电路，Y输入端为输入信号，X输出端为样脉冲信号，使用抽样信号实现同步。由于时分复用信号在频域是混叠的，故解调要采用相干解调的方式，将分离出来出来的两路信号通过低通滤波器，即可恢复出原信号。3.4位同步原理 位同步锁相法的基本原理和载波同步类似，在接收端利用鉴相器来比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获取准确的位同步信号为止。我们把采用锁相环来提取位同步信号的方法称为锁相法，在数字通信中，常采用数字锁相法提取位同步信号。它由高稳定度的晶振、分频器、相位比较器和控制器组成，如下图所示：图17数字锁相原理框图3.5帧同步原理 在时分复用系统中，为了正确的传输信息，必须在信息码流中插入一定数量的帧同步码，可以集中插入也可以分散插入。从总体上看，本模块可分为巴克码识别器及同步保护两部分。巴克码识别器包括移位寄存器、相加器和判决器，下图中的其余部分完成同步保护功能。图18 帧同步原理框图4电路仿真总体电路图：图19 电路总图 在输入端输入一个f1=2.5k,f2=1k的正弦信号，脉冲信号为8KHZ，峰峰值为5V用示波器检测如下：图20输入信号f1=2.5k f2=1k 输入信号f1与脉冲信号通过乘法器进行抽样，用CD4066四双向模拟开关管来实现乘法器功能，产生一路PAM信号，输入信号f2先通过一个非门，与f1产生一个相位差，本电路用74LS04，再与脉冲信号通过乘法器进行抽样得到PAM信号，所得图形和电路图如下所示：图21 两路PAM编码图22 CD4066部分电路接法 将产生的两路PAM信号送入加法器，加法器运用LM358和电阻的运放接成同相加法器，电路图如下:图23 加法器电路图仿真得到的波形如下：图24加法器输出端信号 将加法器输出端的信号分成两路，一路与脉冲信号进行相干解调，通过乘法器后输出信号1得到波形，另一路与进过非门后的，即反相延时后的脉冲信号进行相干解调，通过长发齐后输出信号2得到波形，通过示波器检测波形如下所示：图25 f1与f2相干解调的输出波形 把通过相干解调后的解调信号通过低通滤波器恢复出原始信号，用示波器检测得到下图所示波形：图26 经低通滤波器后的输出波形 低通滤波器电路图如下：图27 低通滤波器电路图在电路的输出端得到了f1=2.5KHz,f2=1KHz的信号，与两路原始信号相同，完整的还原了两路模拟信号，实现了两路分时复用的功能，说明仿真成功。5实物制作和测试结制作的实物正面图：图28 实物正面图焊接面：图29 实物背面图示波器测试得到的加法器输出端图形：图30 加法器输出端波形示波器最终得到的图形：图31 最终输出波形6实验结果分析通过示波器检测各个点的波形，与仿真结果对比，发现实物出现一定的失真，但大体相同，实物能完成两路时分复用功能。调制信号与脉冲信号通过乘法器进行抽样产生PAM信号，在设定脉冲信号时一定要使脉冲信号频率满足fs2f0的关系，f0是输入信号频率，才能保证不出现混叠，能够无失真地恢复出原始信号，否则所得的信号会混叠，很难恢复原始信号。在设计乘法器时，我们首先用的时MC1496芯片设计模拟乘法器，在仿真是能够很好的得到PAM 信号，但在实物调试中很难调到平衡状态，仿真得到的PAM波形失真了，在研究一番后决定通过使用CD4066芯片，通过抽样时钟完成对信号的抽样，得到PAM信号。使用CD4066仿真时，调制与解调信号都很理想，实物调试中，通过慢慢改变载波频率和幅度，以及调节电位器成功得到PAM调制信号和解调信号。加法器部分使用运放来构建，用LM358芯片以及电阻来组成加法器，两个输入端电阻R1和R2应该相等，我们使用的时5.1K的电阻，负反馈电阻R3和平衡电阻R4都是5.1K，加法器输出信号等于两个输入端信号之和。低通滤波器使用二阶有源低通滤波器，放大器使用LM358来实现。焊接好板子之后用示波器进行检测得到的两路输出信号与原始信号对比，成功实现PAM调制解调，以及两路时分复用。7心得体会通过这次课程设计我对通信原理的时分复用和频分复用有了更加深入的理解并且掌握了它们的工作原理，时分复用TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的，时分多路复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠。时分多路复用适用于数字信号的传输，由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率，因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号单独占用,在规定的时间内,多个数字信号都可按要求传输到达,从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。在仿真和焊接实物图中得到时分复用的验证，在这过程中要充分发挥multisim的仿真功能，将自己设计的电路进行仿真，确定电路的正确性。焊接实物图不仅需要扎实的基本功还需要细心和耐心，否则很难完成实物的焊接。通过这次的设计，我明白只有理论知识是远远不够的，要把所学的理论知识与实践相结合起来，培养实际动手能力和独立思考的能力。通信原理课程设计是将通信原理课程上的理论知识付诸实践的课程。其目的是提高大家对所学知识的的灵活应用能力，提高我们的动手能力，同时提高自学能力。课程设计基本结束了，我的毅力和思考能力都得到了锻炼，提高了综合素质。很高兴我们有这样一个锻炼自己、提高自己的机会。8参考文献1钱恭斌 实用通信与电子线路的计算机仿真 北京 电子工业出版社 20012郭梯云，刘增基 数据传输 北京 人民邮电出版社 19983曹志刚 现代通信原理 北京 清华大学大学出版社 19924樊昌信,张甫翔 通信原理 北京 国防工业出版社 20015康华光 模拟电子技术基础 北京 高等教育出版社 20066John G.Proakis Digital Signal Processing 201323