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1、1 时分复用的基本原理时分多路复用建立在抽样定理基础上，因为抽样定理使连续的基带信号变成在时间上离 散的抽样脉冲，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 用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就有可能在一条信道同时传送若干个基带 信号。与频分复用相对应，频分复用时占有不同频带的多路信号合在一起在同一信道中传输， 各路频带间要有防护频带；时分复用则是占有不同时隙的多路信号合在一起在同一信道中传 输，各路时隙间要有防护时隙。本课设以 PAM 信号为例说明时分复用的实现，同样，对于 其他的脉冲及脉冲数字调制方式也是可以时分复用的。1.1 时分复用的实现时分多路复用以
2、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。由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为“同步时分复用”。我们以图1.1来说明N路信号实现PAM时分复用。图(a)时分复用系统示意图，发送端 低通滤波器(LPF )的作用是保证调制信号A + m(t)的频带是带限的，最高角频率为w，加到0mm(t)上的直流电压A的作用是使抽样出来的脉冲具有单极性。各路信号加到发送转换开关的0相应位置上，转换开关每隔T秒顺序地接通各路信号一次，亦即对N路信号顺序的分别抽样s一次。单极性的PAM信号，合成多路PAM信号是N路抽样信号的总和，如图(d)所示。在一个抽样周期T内，由各路
3、信号的一个抽样值所组成的一组脉冲叫做一帧，对于每一路信号, s一帧所占的时间称为一个路时隙，用表示。为了防止邻路抽样脉冲相互重叠或连在一起，要求在相邻脉冲间由一定的防护时隙t，所以每路占有时间为T =t +t1g或者说，对于、每一路抽样脉冲的宽度T应满足HoH的N 路 PAM 信号顺序送入信道传输，在接收端有一个与发送端转换开关在时间上严格同步 的的接收转换开关，它顺序地将各路抽样信号区分开并送到相应的低通滤波器，恢复出各路 调制信号。转换开关一般是电子开关。为了使各路信号接收准确，接收端的抽样转换开关必须与发 送端的抽样转换开关严格同步。一种简单的同步方法是安排一定的时隙，发送端周期性的送
4、出一个已知的比任何其他抽样脉冲的幅度都大的脉冲，被接收端所识别并取出，用来控制接 收端的时钟电路，达到发送与接收两方同步。图1.1是两路PAM信号时分复用的方框图，图(a)表示发送端，图(b)表示接收端。在接 收端，由线路或接收机的时分复用PAM信号经过抽样保持电路，抽样时刻由时钟控制使各 路不同，从而达到恢复各路的抽样情况。使用抽样保持电路的原因是：抽样脉冲的宽度T较窄，远小于抽样间隔TS,如果直接经 过低通滤波器，出来的功率信号将很弱，以至必须接一个高增益的放大器。抽样保持电路如 图1.1（A）所示，图上开关只在该信道要被抽样时才闭合。由于信原内组R较小，电容上的电压 只在开关闭合时隙T内
5、才随输入电压而变化。电容的负载电阻R选的足够大，以便电容电压 在开关再闭合之前一直保持这个数值。所以抽样保持电路只接受抽样时可的输入信号值，然 后将它保持到下一次抽样时刻，如图1.1（b）所示。在经一个低通滤波器起平滑作用就可恢复 输出原有的调制信号。对这个低通滤波器的要求可较低，不必如抽样保持电路那样严密。1.2 时分复用的应用当使用频分复用时占有不同频带的多路信号合在一起在同一信道中传输，各路频带间要有 防护频带；而时分复用则使占有不同时隙的多路信号合在一起在同一信道中传输，各路时隙 间要有防护时隙。时分复用器是一种利用 TDM 技术的设备，主要用于将多个低速率数据流结合为单个高 速率数据
6、流。来自多个不同源的数据被分解为各个部分（位或位组），并且这些部分以规定 的次序进行传输。这样每个输入数据流即成为输出数据流中的一个“时间片段”。必须维持好 传输顺序，从而输入数据流才可以在目的端进行重组。将高速率数据流分解为多个低速率数 据流，该过程称为解除复用技术。两个信号的时分复用波形如图 1.2 所示和时分复用输出信号帧结构如图 1.3 所示。帧同步码8位 8位 8位全零 帧同步码 8位 8位 8位全零01110010数据1数据20000000001110010数据1数据2000000001.3时分复用输出信号帧结构1.3 PAM 编码利用抽样脉冲把一个时间连续信号变为时间上离散的样值
7、序列，这一过程称之为抽样。抽样后的信号称之为脉冲调幅(PAM)信号。图1.4为PAM信号的产生过程。图1.4 PAM信号的产生其中，这里的抽样必须满足抽样定理，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f,则可以唯一地由频率等于或大于2f的样值序列所 决定。在满足这一条件HH的情况下，抽样信号保留而来原信号的全部信息，并且，从抽样信号中可以无失真的恢复出 原始信号。1.4 二阶有源滤波器本次课设中使用的是二阶有源低通滤波器，如图 1.5 所示。图 1.5 二阶有源滤波器它由两节 RC 滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之 间引入一个负反馈，在不同
8、的频段，反馈的极性不相同，当信号频率ff0时(f0为截止 频率)，电路的每级RC电路的相移趋于-90，两级RC电路的移相到-180,电路的输出电压 与输入电压的相位相反，故此时通过电容c引到集成运放同相端的反馈是负反馈，反馈信号 将起着削弱输入信号的作用，使电压放大倍数减小，所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的 幅频特性高频端迅速衰减，只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。传输函数为：“、V (s)AA(s)二 o二吩V (s)1 + (3 - A )sCR + (sCR)2iVF令 A二A称为通带增益0VFRQ二尹AVF二 -2 称为等效品质因数 2R -21广-RC称为特征角
9、频率A(s)二A 20_es 2 +n s + 2Q e上式为二节低通滤波电路传递函数的典型表达式 注：当3- A 0，即A 3时滤波电路才能稳定工作。VFVF2 电路设计2.1 系统基本方案系统由抽样脉冲电路、调制电路、解调电路及低通滤波器电路组成，各电路间的关系如 图 2.1 所示。图 2.1 系统框图2.2 PAM 电路在本次课设当中，为了在理论上验证电路的可行性以及确定性，我使用了 ewb 软件进行 电路设计和电路仿真。EWB 软件是交互图像技术有限公司在九十年代初推出的 EDA 软件，用于模拟电路和数 字电路的混合仿真，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB 具有以下突
10、出的特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电 路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（3）EWB 软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。（5）EWB 还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室 中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。采用调制信号与抽样信号直接相乘的形式来实现PAM编码。PAM电路如图2.2所示。
11、该电路直接采用调制信号与抽样信号相乘的形式实现PAM编码。图中，X端输入为抽样脉冲信号，Y端输入为调制信号。输出即为PAM编码信号。改变正弦波信号频率测试输出波形，如正弦波信号为2KHz和4KHz。其波形如图2.3所示。图2.3 4KHz和2KHz正弦波信号经80KHz方波抽样后的仿真波形图由于正弦波频率不同，经抽样信号抽样后，输出波形的周期就会不一样而由于没有其他 变化，故峰峰值等不变。图 2.4 两路抽样后的信号经叠加后的仿真波形图由图 2.4 观察到波形有些失真，这是由于在抽样脉冲没有加入时隙所致2.3 解调电路在时分复用电路设计中，我们要运用到解调电路。由两个模拟乘法器构成分路门，输入
12、 抽样脉冲序列，可实现帧同步将两路信号分离出来。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。相干解调是频谱搬移，即把在载频位置的已调信号的谱搬回到原始基带的位置，故可以 用相乘器与载波相乘来实现。相干解调时，为无失真地恢复基带信号，接收端必须提供一个 与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（相干载波），它与接收的已调信号相乘 后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。图 2.5 是解调电路，让时分复用信号与本地载波经过乘法器相乘，输出信号经滤波器滤X端输入为时分复用信号，Y端输入为本地载波信号（相干载波）。经解调电路解调后有高频波，也有低频波，要得至基
13、带信号，要经过低通滤波器滤波，从而得至信号。2.4 低通滤波器电路电路中要求较好的还原原输入信号，要采用功能较好的滤波器。这里采用了二阶有源滤波器级联方式，如图 2.4 所示。C C也0DF10 R7100uF4-7kQ11 10nF1217C9-C11=10nFR9100kQ33uF4-7kQ4.7kQ16C1310nF18也011 ORS1OPAMP 3T33uF图 2.4 低通滤波电路根据各个元件参数，由于R , R均为4.7kQ ,78故通带增益A二A =10V F而由频率公式11 = cc可得至Hf ,RCc 2兀-RR CC12 12低通滤波器的截止频率为 f =4KHzc3 总电
14、路和电路仿真3.1 电路图在此电路中设置抽样脉冲均为20KHz,输入信号的最大频率为4KHz，由f 2f可知, ch本电路满足采样定理。3.2 电路仿真在 ewb 软件中，画出电路图并且修改电路元件参数，检查电路正确性和完整性。通过软 件中的仪器对电路中的各个部分进行仿真。仿真电路图如下图表示。设计抽样脉冲频率为20KHz，正弦波信号频率为2KHz。如图3.2所示为调制信号波形图，该信号送入到乘法器的Y端。其中一个调制信号为4V图3.2调制信号图3.3所示为两乘法器的输出波形，即PAM编码输出波形。图3.3 PAM编码波形如图3.4 所示的是复接后的波形，即时分复用波形。如图 3.5 所示的即为解调后的波形。由以上波形可以看出，波形有一定的失真。导致波形失真的原因可能是在抽样过程中 时隙误差造成了时域的混叠。总结：脉幅调制(PAM)是数字通信系统最为常用的调制方式之一，脉冲振幅调制，即是 脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由脉冲激脉冲组成的，根 据抽样定理，就可以把信号复原，就是脉冲振幅调制的原理。4 心得体会通信原理课程设计心得体会，课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，通过 课程设计我们能够比较系统的了解理论知识，把理论和实践相结合，并
