1、武漢理工大學(xué)通信原理課程設(shè)計說明書目錄摘要11Multisim介紹32時分復(fù)用原理 42.1 TDM方式72.2基本特點73總體設(shè)計思路83.1PAM編碼原理83.2PAM信號解調(diào)113.3復(fù)接分接133.4位同步原理133.5幀同步原理144電路仿真155實物制作和測試結(jié)206實驗結(jié)果分析227心得體會238參考文獻24摘要為了提高信道利用率，使多個信號沿同一信道傳輸而互相不干擾，稱多路復(fù)用。目前采用較多的是頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用。頻分多路復(fù)用用于模擬通信，例如載波通信，時分多路復(fù)用用于數(shù)字通信，例如PCM，PAM等通信。時分多路復(fù)用通信，是各路信號在同一信道上占有不同時間間隙

2、進行通信。抽樣的一個重要作用，是將時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號，其在信道上占用時間的有限性，為多路信號沿同一信道傳輸提供了條件。具體說，就是把時間分成一些均勻的時間間隙，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開，互不干擾的目的。發(fā)端分配器不僅起到抽樣的作用，同時還起到復(fù)用合路的作用。合路后的抽樣信號送到 PAM編碼器進行量化和編碼，然后將數(shù)字信碼送往信道。關(guān)鍵詞：信道利用率 PAM編碼 時分復(fù)用ABSTRACT In order to improve the channel utilization, enables multiple signal transmissio

3、n 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 di

4、gital 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 h

5、olding 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 mutua

6、l 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 uti

7、lization1Multisim介紹Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證。憑借Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為，用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”，是一個原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。 Multisim 的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查到，因此也很方便的在工程設(shè)計中使用。M

8、ultisim的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，并且其中具有較為詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、 時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，可以對被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。特點總結(jié)如下：（1） 所見即所得的設(shè)計環(huán)境； l（2） 互動式的仿真界面；（3） 元件庫包括1200多個新元器件和5

9、00多個新SPICE模塊，這些都來自于如美國模擬器件公司（Analog Devices）、凌力爾特公司（Linear Technology）和德州儀器（Texas Instruments）等業(yè)內(nèi)領(lǐng)先廠商，其中包括100多個開關(guān)模式電源模塊； （4） 動態(tài)顯示元件（如LED，七段顯示器等）； （5） 匯聚幫助（Convergence Assistant）功能，能自動調(diào)節(jié)SPICE參數(shù)，糾正仿真錯誤； （6） 數(shù)據(jù)的可視化分析功能，包括一個新的電流探針儀器和用于不同測量的靜態(tài)探點，以及對BSIM4參數(shù)的支持。2時分復(fù)用原理

10、60; 時分多路復(fù)用適用于數(shù)字信號的傳輸。由于信道的位傳輸率超過每一路信號的數(shù)據(jù)傳輸率,因此可將信道按時間分成若干片段輪換地給多個信號使用，每一時間片由復(fù)用的一個信號單獨占用,在規(guī)定的時間內(nèi),多個數(shù)字信號都可按要求傳輸?shù)竭_,從而也實現(xiàn)了一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。 圖1 兩個基帶信號時分復(fù)用原理 時分復(fù)用是建立在抽樣定理基礎(chǔ)上的，因為抽樣定理使連續(xù)的基帶信號有可能被在時間上離散出現(xiàn)的抽樣脈沖所代替。這樣，當抽樣脈沖占據(jù)較短時間時，在抽樣脈沖之間就留出了時間空隙。利用這些空隙便可以傳輸其他信號的抽樣值，因此，就可能用一條信道同時傳送若干個基帶信號,并且每一個抽樣值占用的時間越短，能夠傳輸?shù)穆?/p>

11、數(shù)也就越多。此外，時分復(fù)用通信系統(tǒng)有兩個突出的優(yōu)點，一是多路信號的匯合與分路都是數(shù)字電路，簡單、可靠；二是時分復(fù)用通信系統(tǒng)對非線性失真的要求比較低。然而，時分復(fù)用系統(tǒng)對信道中時鐘相位抖動及接收端與發(fā)送端的時鐘同步問題提出了較高的要求。所謂同步是指接收端能正確地從數(shù)據(jù)流中識別各路序號，為此必須在每幀內(nèi)加上標志信號（即幀同步信號），它可以是一組特定的碼組，也可以是特定寬度的脈沖。信道示意圖： 圖2 信道示意圖TDM就是通過在時間上交叉發(fā)送每一路信號的一部分來實現(xiàn)一條電路傳送多路信號的，電路上的每一短暫時刻只有一路信號存在，因數(shù)字信號是有限個離散值，所以TDM技術(shù)廣泛應(yīng)用于包括計算機網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的數(shù)字通

12、信系統(tǒng)，而模擬通信系統(tǒng)的傳輸一般采用FDM。LPFLPFCH1信道LPF多路選擇多路選擇LPFCH2LPFLPFCHn 圖3 多路傳輸原理框圖2.1 TDM方式目前分為以下兩種：同步時分復(fù)用系統(tǒng)（分兩類）： 1. 準同步系列PDH(用于公共電話網(wǎng)PSTN） 2. 同步系列SDH（用于光纖通信等骨干網(wǎng)絡(luò)） 統(tǒng)計(異步)時分復(fù)用系統(tǒng)（分兩類）： 1.虛電路方式（如，X.25、幀中繼、ATM） 2. 數(shù)據(jù)報方式（如TCP/IP） PSTN系統(tǒng)目前采用PDH和SDH結(jié)合的方式，在小用戶接入及交換采用PCM/PDH，核心骨干網(wǎng)絡(luò)采用S

13、DH。 目前世界上存在兩類的PDH標準： 1.基于A律壓縮的30/32路PCM系統(tǒng)（歐洲標準，用于歐洲、中國、俄羅斯等） 2.基于u律壓縮的24路PCM系統(tǒng)（美洲標準，用于北美、日本、臺灣等） 時間片劃分 ：同步(Synchronous)時分多路復(fù)用TDM,它的時間片是預(yù)先分配好的,而且是固定不變的,因此各種信號源的傳輸定時是同步的。與此相反,異步時分多路復(fù)用1DM允許動態(tài)地分配傳輸媒體的時間片。2.2基本特點1. TDM在時域上各路信號時分開的，但在頻域上各路信號時混疊在一起的，正好與FDM相反2. TDM容易用數(shù)字電路實現(xiàn)，因而也容易集成3

14、. 能抗非線性失真4. 要求產(chǎn)生準確的位，幀定時，要插入冗余比特，進行幀同步3總體設(shè)計思路A路譯碼子模塊總體框圖結(jié)構(gòu)如下：語音信號A幀同步子模塊時分解復(fù)用模塊PCM編碼及時分復(fù)用B路譯碼子模塊位同步子模塊 語音信號B圖4 電路總模塊3.1PAM編碼原理抽樣定理在通信系統(tǒng)、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。抽樣過程是模擬信號數(shù)字化的第一步，抽樣性能的優(yōu)劣關(guān)系到通信設(shè)備整個系統(tǒng)的性能指標。利用抽樣脈沖把一個連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間樣值的過程稱為抽樣，抽樣后的信號稱為脈沖調(diào)幅（PAM）信號。抽樣定理指出，一個頻帶受限信號m(t)，如果它的最高頻率為fh，則可以唯一地由頻率等于或大于2fh的樣值序列所決

15、定。在滿足抽樣定理的條件下，抽樣信號保留了原信號的全部信息。并且，從抽樣信號中可以無失真地恢復(fù)出原始信號。在抽樣定理實驗中，采用標準的8KHz抽樣頻率，并用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個信號，通過改變函數(shù)信號發(fā)生器的頻率，觀察抽樣序列和重建信號，檢驗抽樣定理的正確性。 圖5 抽樣定理框圖 PAM信號常常是由連續(xù)時間信號經(jīng)周期采樣得到的，完成這樣功能的器件稱為采樣器，如下圖所示，f(t)表示模擬信號，s(t)表示采樣脈沖，它具有周期性令其采樣周期為T，這里可以把采樣器看成一個每隔T秒閉合一次的電子開關(guān)S，開關(guān)每接通一次，便得到一個輸出取樣值。在理想情況下開關(guān)閉合時間無限短。 圖6 信號采樣在實際采樣器中

16、，設(shè)開關(guān)閉合時間為t秒(t遠小于T），fs(t)的脈沖強度等于相應(yīng)瞬時f(t)的幅值，即f(0T),f(1T),f(2T)等等，因此，理想采樣過程可以看成是一個幅值調(diào)制過程。 PAM信號形成過程如下： 圖7 語音信號輸入f=f0 圖8 抽樣脈沖信號f2f0 圖9 PAM信號 用抽樣信號與語言信號相乘，得到PAM調(diào)制信號，這一抽樣過程應(yīng)該滿足抽樣定理，才能無失真的還原出原信號。所以抽樣信號的頻率f2f0 。乘法器功能用CD4066實現(xiàn)，產(chǎn)生PAM信號 圖10 PAM信號產(chǎn)生電路圖圖11 PAM編碼圖3.2PAM信號解調(diào) 為了能準確的恢復(fù)信號f(t)，必須以超過f(t)最高頻率分量兩倍的

17、頻率對其進行采樣，實際上許多信號包含了頻率分量的全部頻譜，即從有用的頻譜到白噪聲的頻譜，要精確的恢復(fù)這些信息，要求系統(tǒng)具有無法實現(xiàn)的高采樣速率。  通過預(yù)處理輸入信號，可以很容易的克服這個困難，其方法是在采樣數(shù)據(jù)輸入之前，采取措施限制帶寬或則進行頻率濾除。前置濾波器通常稱為抗混疊保證濾波器，例如在低通濾波器情況，數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)接受到的模擬信號，其頻譜內(nèi)容不比濾波器允許的那些頻率高。所以在考慮語音信號的干擾信號的頻譜時，可以采用限制寬帶的方法，如果低通濾波器預(yù)先限制帶寬，產(chǎn)生于語音信號的噪聲的研究將得到簡化。由于各個元件之間的復(fù)雜互感而導(dǎo)致設(shè)計者要用非常復(fù)雜的計算才能完成濾波器的設(shè)計，通

18、常對波形的控制要求越復(fù)雜就意味者需要更多的運放，或者可以通過幾次實驗而最終確定下來。如果希望用最少的元件來實現(xiàn)濾波器，那么就別無選擇，只能使用傳統(tǒng)的濾波器，通過計算就可以得到了。在設(shè)計低通濾波器時主要考慮以下幾點：  1.  濾波器的拐點（中心）頻率 2. 濾波器電路的增益 3. 低通和高通濾波器的類型（Butterworth、Chebyshev、Bessel） 理想濾波電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線形相移，而在阻帶內(nèi)其幅值為0，實際中濾波器的設(shè)計往往難以在幅頻和相頻響應(yīng)都能達到理想的要求，因此只能根據(jù)實際情況設(shè)計不同

19、的濾波器來尋求最佳的效果，在這里采用二階有源低通濾波電路。 圖12 二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器的截止頻率f=1/電壓增益A0 = 1+（R2/R1） 由于時分復(fù)用信號在頻域是混疊的，故解調(diào)要采用相干解調(diào)的方式，再講信號通過低通濾波器，即可恢復(fù)出原信號。乘法器低通濾波器PAM信號 輸出 本地載波 圖13 相干解調(diào)原理框圖圖14解調(diào)電路圖圖15解調(diào)輸出波形3.3復(fù)接分接 數(shù)字復(fù)接實質(zhì)上就是對多路數(shù)字信號進行時分復(fù)用，讓不同的支路信號占用不同的時隙時間，在接收端再根據(jù)時間上的不同將信號分開，這一步驟叫分接，它是復(fù)接的逆過程。 復(fù)接方式有三種：按位復(fù)接、按字復(fù)接

20、、按幀復(fù)接。每路每次只插入1個符號的方式稱為按位復(fù)接。對于二進制碼序列，按位復(fù)接即按比特復(fù)接。這種方法是以1比特碼為單位，對每個復(fù)接支路的信號每次只復(fù)接1位碼，按位復(fù)接的最大優(yōu)點是對復(fù)接緩沖存儲器的容量要求小、簡單易行、容易實現(xiàn)。圖16 時分接復(fù)用電路 如圖所示為時分解復(fù)用電路，Y輸入端為輸入信號，X輸出端為樣脈沖信號，使用抽樣信號實現(xiàn)同步。由于時分復(fù)用信號在頻域是混疊的，故解調(diào)要采用相干解調(diào)的方式，將分離出來出來的兩路信號通過低通濾波器，即可恢復(fù)出原信號。3.4位同步原理 位同步鎖相法的基本原理和載波同步類似，在接收端利用鑒相器來比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號的相位，若兩者不一致（超前或

21、滯后），鑒相器就產(chǎn)生誤差信號去調(diào)整位同步信號的相位，直至獲取準確的位同步信號為止。 我們把采用鎖相環(huán)來提取位同步信號的方法稱為鎖相法，在數(shù)字通信中，常采用數(shù)字鎖相法提取位同步信號。它由高穩(wěn)定度的晶振、分頻器、相位比較器和控制器組成，如下圖所示：圖17數(shù)字鎖相原理框圖3.5幀同步原理 在時分復(fù)用系統(tǒng)中，為了正確的傳輸信息，必須在信息碼流中插入一定數(shù)量的幀同步碼，可以集中插入也可以分散插入。 從總體上看，本模塊可分為巴克碼識別器及同步保護兩部分。巴克碼識別器包括移位寄存器、相加器和判決器，下圖中的其余部分完成同步保護功能。圖18 幀同步原理框圖4電路仿真總體電路圖：圖19 電路

22、總圖 在輸入端輸入一個f1=2.5k,f2=1k的正弦信號，脈沖信號為8KHZ，峰峰值為5V用示波器檢測如下：圖20輸入信號f1=2.5k f2=1k 輸入信號f1與脈沖信號通過乘法器進行抽樣，用CD4066四雙向模擬開關(guān)管來實現(xiàn)乘法器功能，產(chǎn)生一路PAM信號，輸入信號f2先通過一個非門，與f1產(chǎn)生一個相位差，本電路用74LS04，再與脈沖信號通過乘法器進行抽樣得到PAM信號，所得圖形和電路圖如下所示：圖21 兩路PAM編碼圖22 CD4066部分電路接法 將產(chǎn)生的兩路PAM信號送入加法器，加法器運用LM358和電阻的運放接成同相加法器，電路圖如下:圖23 加法器電路圖仿真得到的波形如下：圖2

23、4加法器輸出端信號 將加法器輸出端的信號分成兩路，一路與脈沖信號進行相干解調(diào)，通過乘法器后輸出信號1得到波形，另一路與進過非門后的，即反相延時后的脈沖信號進行相干解調(diào)，通過長發(fā)齊后輸出信號2得到波形，通過示波器檢測波形如下所示：圖25 f1與f2相干解調(diào)的輸出波形 把通過相干解調(diào)后的解調(diào)信號通過低通濾波器恢復(fù)出原始信號，用示波器檢測得到下圖所示波形：圖26 經(jīng)低通濾波器后的輸出波形 低通濾波器電路圖如下：圖27 低通濾波器電路圖在電路的輸出端得到了f1=2.5KHz,f2=1KHz的信號，與兩路原始信號相同，完整的還原了兩路模擬信號，實現(xiàn)了兩路分時復(fù)用的功能，說明仿真成功。5實物制作和測試結(jié)制

24、作的實物正面圖：圖28 實物正面圖焊接面：圖29 實物背面圖示波器測試得到的加法器輸出端圖形：圖30 加法器輸出端波形示波器最終得到的圖形：圖31 最終輸出波形6實驗結(jié)果分析通過示波器檢測各個點的波形，與仿真結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)實物出現(xiàn)一定的失真，但大體相同，實物能完成兩路時分復(fù)用功能。調(diào)制信號與脈沖信號通過乘法器進行抽樣產(chǎn)生PAM信號，在設(shè)定脈沖信號時一定要使脈沖信號頻率滿足fs2f0的關(guān)系，f0是輸入信號頻率，才能保證不出現(xiàn)混疊，能夠無失真地恢復(fù)出原始信號，否則所得的信號會混疊，很難恢復(fù)原始信號。在設(shè)計乘法器時，我們首先用的時MC1496芯片設(shè)計模擬乘法器，在仿真是能夠很好的得到PAM 信號，但在實物調(diào)試中很難調(diào)到平衡狀態(tài)，仿真得到的PAM波形失真了，在研究一番后決定通過使用CD4066芯片，通過抽樣時鐘完成對信號的抽樣，得到PAM信號。使用CD4066仿真時，調(diào)制與解調(diào)信號都很理想，實物調(diào)試中，通過慢慢改變載波頻率和幅度，以及調(diào)節(jié)電位器成功得到PAM調(diào)制信號和解調(diào)信號。加法器部分使用運放來構(gòu)建，用LM358芯片以及電阻來組成加法器，兩個輸入端電阻R1和R2應(yīng)該相等，我們使用的時5.1K的電阻，負反饋電阻R3和平衡電阻R4都是5.1K，加法器輸出信號等于兩個輸入端信號之和。低通濾波器使用二階有源低通濾波器，放大器使用LM358來實現(xiàn)。焊接好板子之后用示波器進