简易两路时分复用.doc

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 电信1205班
指导教师： 工作单位： 信息工程学院
题 目：简易两路时分复用电路设计
初始条件：
具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。
要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、完成一个简易的两路时分复用通信电路的设计，实现两路不同模拟信号的分时传输功能。
2、在信号接收端能够完整还原出两路原始模拟信号。
3、选用相应的编码传输方式与同步方式，进行滤波器设计。
4、安装和调试整个电路，并测试出结果；
5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。
时间安排：
二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
目 录
1设计要求与意义 1
1.1 设计要求 1
1.2 意义与目标 1
2 设计原理 2
2.1 时分复用技术 2
2.2 基本设计思路 3
3 电路仿真 9
3.1仿真软件Multisim 9
3.2电路仿真 9
3.3 仿真结果 10
4 实物制作与结果 13
4.1 实物制作 13
4.2 调试结果 14
4.3 结果分析 15
5 总结与分析 16
参考文献 17

武汉理工大学《通信原理》课程设计说明书
摘要
此次课程设计要求设计简易的时分复用电路。时分复用（TDM）是信道复用技术之一，复用是指多个用户共用同一物理信道，从而提高信息传输效率的技术。时分复用电路时常是多个电路的复用，本次设计我们仅设计两路的时分复用电路，实现将两路不用的模拟信号的分时传输功能。时分多路复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路限号在时间轴上互不重叠。通过本次课设，运用通信课程的知识，实现两路时分复用电路的设计，掌握时分复用技术的功能以及原理。
关键词：PAM调制 时分复用 MC1496 滤波电路 抽样
Abstract
The curriculum design simple time-division multiplexing circuit design requirements. Time-division multiplexing (TDM) is one of channel multiplexing, reuse refers to multiple users share the same physical channel, so as to improve the efficiency of information transmission technology. Time-division multiplexing are often multiple circuit of reuse, the design we have only two time multiplex circuit, to realize the two way without time-sharing transmission function of the analog signal. Time division multiple integral parameters with time as the signal, so the number must be got the limit on the time axis overlap each other. Through this class set, using the knowledge of communication course, two lines of time-division multiplexing design of the circuit, control function and the principle of time-division multiplexing technology.
Keywords: PAM modulation time-division multiplexing MC1496 filter circuit sampling

1设计要求与意义
1.1 设计要求
设计任务：设计简易的两路时分复用电路实现对两路不同的模拟信号的传输
初始条件：具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。
1.2 意义与目标
设计意义：使用Multisim仿真软件对两路时分复用电路进行仿真，熟练使用Multisim仿真软件，并通过本次课程设计检验通信课程的学习程度，掌握关于通信原理的知识和时分复用技术的基本原理和应用。时分复用技术在实际通信系统中有很多的应用，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机限号以及振铃信号灯信令，上述的所有信号都是时间分割，按某种固定的方式排列起来成为帧结构。采用十分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立起标准。由此可看出时分复用电路技术的应用十分重要，身为电信工程专业的学生应掌握这类的专业知识，打好专业基础。同时本次课程设计还能锻炼我们的动手能力，和知识的运用能力等。2 设计原理
2.1 时分复用技术

2．2.1 时分复用基本原理
时分复用（TMD）是信道复用技术之一，复用是指多个用户共用同一物理信道，从而提高信息传输效率的技术。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。
通过学习可知，时分复用是建立在抽样定理的基础上，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。
2．2.2 时分复用的同步技术原理
通信系统能否具有有效、可靠地工作很大程度上依靠的是是否拥有良好的同步系统。同步中又可氛围载波同步、位同步、帧同步和网同步几大类型。然而在时分复用系统中所需的同步技术有时钟同步和帧同步。时分复用最后的接收端部分就是通过帧同步和位同步信号将各路信号数据分开，然后通过滤波器等电路，将时分复用的不同的模拟信号（调制信号）分离出来。
2.2 基本设计思路
通过时分复用的原理我们设计的基本电路框图如下，下面将给予电路设计框图阐述我们的设计思路和方法。电路框图如下。

滤波器
解调电路
调制电路

抽样脉冲

图1 电路原理框图
1． PAM编码（调制电路）
由时分复用技术的原理可知，时分多路复用是建立在抽样定理的基础上实现的，该技术利用的是当连续模拟信号经过抽样信号抽样后变成在时域上离线的模拟信号，由于抽样脉冲占据较短的时间，抽样脉冲之间就留出了一定的时间空隙，利用这些时间空隙课传输其他模拟信号，因此在设计两路时分复用的电路时，我们必须将两路不同的模拟信号进行抽样，因此我们要对模拟信号进行PAM编码时期在时域上离散。因此我们需要设计一个PAM调制电路，同时时分复用技术是以时间作为分割信号的参量，因此我们必须使信号在时间轴上不重合，因此两路中我们需要采用一个反相器将一路抽样信号反相后再对其中一路模拟信号进行抽样，以达到时间上不重叠的目的。
PAM编码过程是指，利用一个抽样脉冲将一个在时间上连续的时域模拟信号变为时间上离线的样值序列。上述这一过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲振幅调制信号（PAM）。下图为PAM信号产生的过程。

图2 f=1kHZ的模拟信号
根据奈圭斯特抽样定理可知，要保证抽样后的频率不产生混叠现象，则抽样脉冲的频率要大于调制信号频率的两倍，抽样脉冲fo>=2*f,因此抽样脉冲如下：

图 3 抽样脉冲信号
两路信号经乘法器相乘后，输出的是PAM信号：

图4 PAM信号
对于PAM调制电路可通过乘法器电路实现抽样，通过已经学习的知识可知，乘法器的调制电路可以使用MC1496芯片进行设计。MC146的内部逻辑结构如下所示：

图5 MC内部逻辑图
下图是PAM调制电路原理图：

图6 PAM调制电路 乘法器
2． 加法器电路
两路不同的模拟信号经过PAM编码调制电路后，输出两路相位不同的时域上离散的已抽样信号（PAM），为了实现时分复用的功能，需要将其接在一个加法器中，将两路复接在一个物理信道中传输从而实现时分复用的功能。仿真中加法器的仿真如下:

图7
而在实际电路中，采用LM358芯片制作加法器电路，电路如图4所示：

图8 加法器电路
3. 相干解调电路
通过加法器后，两路信号经过加法器复合为一个信号在信道中传输，而时分复用的技术要求我们最终在接收端时能够接收到的是与发送端相吻合的两路不同的连续的模拟信号。因此这就要求我们在接收端将复合的信号解调出来。这就需要设计一个解调电路。由于通过加法器输出的是两路复接的信号，由调制与解调的相关知识可知，该信号是PAM信号，我们不能采用包络检测法将信号解调出来，应该通过相干解调电路，给信号加以本地载波将信号完整的分离出来，然后通过低通滤波器（有源低通滤波器）电路将信号的噪声过滤后输出与发送端一致的的模拟信号。
复接信号经过两路乘法器后（加入相应载波与信号相乘），输出的是仍旧是离散的PAM信号，为了得到连续的正弦波，应该通过积分电路将进行积分运算，将离线的信号连续化。因此我们设计的低通滤波器应该包含有积分电路，同时具有滤除杂波的功能，在此我们设计的是有源二阶低通滤波器。信号通过滤波器后，PAM信号完整解调，输出与发送端一致的模拟信号。两路模拟信号通过时分复用电路正确传送到接收端。相干解调电路如下，其中包括乘法器电路低通滤波器电路。

图9 乘法器的仿真
有源二阶低通滤波器的电路原理图如下图所示：

图6 低通滤波器电路

图10 有源二阶低通滤波器
二阶有源低通滤波器的截止频率f=1/2πRC ，电压增益A0 = 1+（R2/R1）
乘法器电路的实现可以基于MC1496芯片进行设计，即设计PAM的相干解调电路，该电路部分与PAM的调制电路一致在此不作赘述。
4．电子开关CD4066
在实际电路中，由于MC1496的平衡较难实现，对于乘法电路我们使用电子开关CD4066代替。
CD4066的引脚功能如图7 所示。每个封装内部有4 个独立的模拟开关,每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子,其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时,开关导通;当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时,导通电阻为几十欧姆;模拟开关截止时,呈现很高的阻抗,可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号,可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小,典型值为-50dB。

图11 CD4066的内部逻辑与封装

3 电路仿真
3.1仿真软件Multisim
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
3.2电路仿真
通过综合仿真的电路图如下所示：

图12 初始电路仿真

最后进行实物连接的仿真图如下（采用CD4066代替乘法器电路

图13 实际电路仿真图

对于低通滤波器部分的电路，其电路图如下所示：

图14 低通滤波
3.3 仿真结果
电路输入的两路不同的模拟初始信号如下：

图15 两路模拟信号
两路模拟信号经过乘法器（PAM编码电路）输出如下：（PAM信号）

图16 PAM信号
两路调制信号进入加法器电路实现复接，加法器输出波形如下：

图17 复接信号
最后复接信号通过相干解调，滤波电路，输出两路与发送端完全相同频率的模拟信号：

图18 输出信号
综上所述，经过实际仿真可知，经过仿真电路，实现了两路不同信号的时分复用功能，电路仿真成功。
4 实物制作与结果
4.1 实物制作
按照仿真电路图设计电路连接图，并按照电路连接。实物制作如下：

图19 实物正面

图20 实物焊接面
4.2 调试结果
经过实物的调试和测量，在输入端输入的抽样脉冲都为8KHZ，两路模拟信号其中一路为1KHZ一路为500HZ。经过示波器测量得到的结果如下所示。(调试中，我们只输入一路模拟信号，另一路为0)
加法器电路的输出：

图21 复接信号
进入加法器后，进入相干解调的乘法器部分，输出如图：

图22 乘法器输出

最后经过低通滤波电路，将离散的时间信号进行积分得到时域上连续的时间信号，并将高频分量过滤，输出与输入端一致的正弦波。

图23 接收端信号

4.3 结果分析
通过调试得到的实验波形可知，连续的模拟信号经过抽样脉冲的抽样，又连续的正弦波信号变为在时间上离散的信号。两路离散信号（时间上有延迟）经过加法器实现了时分复用的功能，成功在一物理信道上传输，最后经过相干解调后分离出两路不同的模拟信号，最终传送给接收端。本次课程设计实现了简易的两路时分复用的功能。
5 总结与分析
通过本次通信原理课程设计，我们设计了简易的两路时分复用的电路，最后经过仿真，实物制作，调试与测量验证了我们设计方案的正确性。
在开始设计电路时，我认真的学习了时分复用的相关知识，也同时对通信课程第五章进行了认真的复习和深入的研究。虽然我们这次设计的是时分复用电路，但是涉及的内容有模电、高频等相关知识。因此我们找到了专业课程的一下学习资料和通过网上查询获取我们需要的电路相关信息。
在设计过程中，我们也遇到了很多问题。比如如何实现仿真过程中乘法器的功能，我们首先想到的是利用MC1496进行乘法器的设计，根据调制的原理实现PAM的编码功能，但是当我们制作出MC1496时发现，由于MC1496有较高的平衡网络的要求，在实物中较难实现和调试，因此我们不得不放弃这一方案的设计。最终我们通过查阅资料，选择了实现相对容易的CD4066芯片，模拟电子开关CD4066代替乘法器的作用。最终实验证明CD4066能够成功的替代MC1496的作用。而在实物制作时，因为焊接手法不够熟练，导致焊接时焊接面电路不够整洁美观，这也是我们要加强的一个方面。
综上，通过这一次的课程设计，我更加深入理解了时分复用技术的功能和原理，对于专业课程通信原理的知识有了新的理解。通信原理课程在现代的通信网络起到了十分重大的作用，身为电子信息专业的学生，我们应该熟练掌握并学会如何运用该专业课程的知识，为将来的学习和工作打好基础。
参考文献

[1] 《通信原理》 樊昌信,张甫翔 国防工业出版社 2001
[2] 《现代通信原理》 曹志刚 清华大学大学出版社1992
[3]《模拟电子技术基础》 康华光 高等教育出版社 2006
[4]《实用通信与电子线路的计算机仿真》 钱恭斌 电子工业出版社 2001
[5]《数据传输》 郭梯云，刘增基 人民邮电出版社1998
17

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别
女
专业、班级
电信1205班
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日