简易两路时分复用电路设计
摘要：本次课程设计的任务是完成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。随着通信网络的发展，时分复用设备的各路输入信号不再只是单路模拟信号。在通信网中往往有多次复用，由若干链路来的多路时分复用信号，再次复用，构成高次复用信号。在本课程设计中，我们只选用两次复用来完成设计。我们将要在信号接收端能够完整还原出两路原始模拟信号。并且选用相应的编码传输方式与同步方式，进行滤波器设计。
关键词：时分复用；抽样；解调；滤波
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Abstract
The course design task is to complete a simple two-way time-division multiplexing communication circuit design, implementation, analog signals of different two-way time-transfer functions. Requires us to signal the receiving end be able to complete a two-way to restore the original analog signal. Would also like to use the appropriate means of transmission and synchronization of encoding methods for filter design.
Keywords: TDM Sampling Demodulation Filter
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1 引言
1.1 Multisim简介
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。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。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。 multisim 10概述
●通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路 ●通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为 ●借助高级电路分析，理解基本设计特征
●通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试
●通过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短上市时间 直观的捕捉和功能强大的仿真
NI 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NI 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。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabⅥEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
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2 设计相关知识
2.1时分复用
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。
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。
在实际通信系统中还必须传递信令以建立通信连接，如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。上述所有信号都是时间分割，按某种固定方式排列起来，称为帧结构。采用时分复用的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。原则上是把一定路数电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术，汇合成更高速的数据信号，复接后的序列中按传输速率不同，分别成为一次群、二次群、三次群、四次群等等。
2.2 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序列，这一过程称之为抽样。
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抽样后的信号称为脉冲振幅调制（PAM）信号。下图为PAM信号产生过程。
图2.1 语言输入信号f=f0
图2.2 抽样脉冲信号f≥2f0
图2.3 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f≥2f0 。
2.3 时分解复用
时分复用的解调过程称为时分解复用。时分解复用通信，是把各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信分离出原来的模拟信号。由抽样定理可知，将时间上离散的信号变成时间上连续的信号，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。时分解复用是建立在抽样定理的基础上的,因为抽样定理连续(模拟)的基带信号由可能被在时间上离散出现的抽样脉冲所代替.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
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的。抽样脉冲占据时间一般较短,在抽样脉冲之间就留出间隙.利用这些空隙便可以传输其他信号的抽样,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,能够传输的数据也就越多.时分解复用信号在接收端只要在时间上恰当地进行分离,各个信号就能分别互相分开，互不干扰并不失真地还原出原来的模拟信号。
2.4 时分解复用中的同步技术原理
在通信系统中，同步具有相当重要的地位。通信系统能否具有有效、可靠地工作，在很大程度上依赖有无良好的同步系统。同步可分为载波同步、位同步、帧同步和网同步几大类型。他们在通信系统中都具有相当重要的作用。时分解复用通信中的同步技术包括位同步(时钟同步)和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。时分解复用的电路原理就是先通过帧同步信号和位同步信号把各路信号数据分开,然后通过相应电力和滤波器，把时分复用的调制信号不失真的分离出来。
2.4.1 位同步
位同步的目的是确定数字通信中的个码元的抽样时刻，即把每个码元加以区分，使接受端得到一连串的码元序列，这一连串的码元列代表一定的信息。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。因此，接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的的定时脉冲序列。
2.4.2 帧同步
在传输时把若干个码元组成一个个的码组，即一个个的字或句，通常称为群或帧。群同步又称帧同步。帧同步的主要任务是把字或句和码区分出来。在时分多路传输系统中，信号是以帧的方式传送。每一个帧中包含多路。接收端为了把各路信号区分开来，也需要帧同步系统。帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号，当然这必须是在位同步的前提下实现。
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2.5 低通滤波器
时分解复用后得到的信号既含有低频的语言信号，又含有高频的抽样信号。为了将原始的语言信号分离出来，我们需要将高频信号滤掉。在这里采用二阶有源低通滤波电路。
图2.4 二阶有源低通滤波器电路图
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）
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3 电路设计
3.1 抽样脉冲电路
图3.1 抽样脉冲电路
如图3.1所示，两个抽样信号的频率相等，占空比相等，分别为15Khz与10%，加入
反相器74LS04是为了对两路信号的抽样处在同一周期的不同时间段，进行时分复用。
3.2 PAM编码调制电路
这里直接采用调制信号与抽样信号直接相乘的形式来实现PAM编码。下面为PAM编码电路。
图3.2 脉冲编码电路
图中A1,A3为直接在multisim中调用的乘法器，其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。图中加法器在multisim中直接调用，实际电路中
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用功率放大器来实现加法功能，即可实现时域上的信号输出。
3.3 时分解复用电路
图3.3 时分解复用电路
如图3.3所示为时分解复用电路，A5 与A6的Y输入端为输入信号，X输出端为抽样
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 低通滤波电路
图3.4 低通滤波电路
图3.4为低通滤波电路。信号从C3输入，从C11输出，中间部分是3个二阶有源低通
滤波器的级联。C3和C11的作用是滤除直流信号，低通滤波器的截止频率f=1/2πRC = 1/（2*3.14*5000*0.01*10-6 ）= 3.18KHz
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4 电路仿真及仿真结果分析
4.1总体电路图
图4.1 总体电路图
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4.2各模块仿真结果
图4.2 原始信号f1=2.5K, f2 = 1K
图4.3 信号1与信号2的PAM编码信号
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图4.4 调制电路的输出信号
图4.5 时分复用的解调信号
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图4.6 最终解调输出信号
如图4.6所示，我们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，仿真成功。
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5 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，并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。
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6 附图
乘法器
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乘法器
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加法器
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滤波器
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7 参考文献
[1] 樊昌信,张甫翔.通信原理.北京：国防工业出版社，2001 [2] 曹志刚.现代通信原理.北京：清华大学大学出版社，1992 [3] 康华光.模拟电子技术基础。北京：高等教育出版社，2006
[4] 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，2001 [5] 郭梯云，刘增基.数据传输.北京：人民邮电出版社，1998
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