試驗(yàn)4抽樣定理及其應(yīng)用試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)4抽樣定理及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)通信 1202201208030223吳鎧權(quán)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過(guò)對(duì)模擬信號(hào)抽樣的實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)抽樣定理的理解；2、通過(guò)PAM調(diào)制實(shí)驗(yàn)，加深理解脈沖幅度調(diào)制的特點(diǎn)；3、學(xué)習(xí)PAM調(diào)制硬件實(shí)現(xiàn)電路，掌握調(diào)整測(cè)試方法；二、實(shí)驗(yàn)儀器：1、 PAM脈沖調(diào)幅模塊位號(hào)：H2、 時(shí)鐘與基帶數(shù)據(jù)發(fā)生模塊位號(hào)：G3、 100M雙蹤示波器1 臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、觀測(cè)輸入模擬信號(hào)、抽樣脈沖、抽樣信號(hào)及恢復(fù)信號(hào)波形；2、改變抽樣脈沖頻率，測(cè)試其對(duì)抽樣信號(hào)及恢復(fù)信號(hào)的影響；3、測(cè)試接收濾波器特性對(duì)恢復(fù)信號(hào)的影響；四、實(shí)驗(yàn)原理：抽樣定理告訴我們：如果對(duì)某一帶寬有限的時(shí)間連續(xù)信號(hào) （模擬信號(hào)）進(jìn)行抽

2、樣，且抽 樣速率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)， 那么根據(jù)這些抽樣值就能準(zhǔn)確地還原原信號(hào)。 這就是說(shuō)，若要傳輸 模擬信號(hào)，不一定要傳輸模擬信號(hào)本身，可以只傳輸按抽樣定理得到的抽樣值。通常，按照基帶信號(hào)改變脈沖參量（幅度、寬度和位置）的不同，把脈沖調(diào)制分為脈幅 調(diào)制（PAM、脈寬調(diào)制（PDM和脈位調(diào)制（ppm。雖然這三種信號(hào)在時(shí)間上都是離散的， 但受調(diào)參量是連續(xù)的，因此也都屬于模擬調(diào)制。關(guān)于PDM和PPM國(guó)外在上世紀(jì) 70年代研究結(jié)果表明其實(shí)用性不強(qiáng)，而國(guó)內(nèi)根本就沒(méi)研究和使用過(guò)，所以這里我們就不做介紹。 本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)僅介紹脈沖幅度調(diào)制，因?yàn)樗敲}沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)。«本實(shí)驗(yàn)中需要用到以下 5個(gè)功能模塊。1

3、、 DDS信號(hào)源：它提供正弦波等信號(hào)，并經(jīng)過(guò)連線送到“PAM脈沖調(diào)幅模塊”，作為脈沖幅度調(diào)制器的調(diào)制信號(hào)。P03測(cè)試點(diǎn)可用于調(diào)制信號(hào)的連接和測(cè)量；另外，如果實(shí)驗(yàn)室配備了電話單機(jī)，也可以使用用戶電話模塊，這樣驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果更直接、更形象，P05測(cè)試點(diǎn)可用于語(yǔ)音信號(hào)的連接和測(cè)量。2、抽樣脈沖形成電路模塊：它提供有限高度，不同寬度和頻率的的抽樣脈沖序列，并經(jīng)過(guò)連線送到“ PAM脈沖調(diào)幅模塊”，作為脈沖幅度調(diào)制器的抽樣脈沖。P09測(cè)試點(diǎn)可用于抽樣脈沖的連接和測(cè)量。該模塊提供的抽樣脈沖頻率可調(diào)，占空比為50%。3、 PAM脈沖調(diào)幅模塊：PAM電路原理圖如下圖所示，它采用模擬開(kāi)關(guān)CD4066實(shí)現(xiàn)脈沖幅度調(diào)制

4、。抽樣脈沖序列為高電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，有調(diào)制信號(hào)輸出；抽樣脈沖序列為低電平，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，無(wú)信號(hào)輸出。因此，本模塊實(shí)現(xiàn)的是自然抽樣。在32TP01測(cè)試點(diǎn)可以測(cè)量到已調(diào)信號(hào)波形。調(diào)制信號(hào)和抽樣脈沖都需要外接連線輸入。已調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)PAM模擬信道（模擬實(shí)際信道的惰性）的傳輸，從 32P03鉚孔輸出，它可能會(huì)產(chǎn)生波形失真。， 32W01（ R1 ）電位器可 改變模擬信道的傳輸特性，當(dāng) R1C仁R2C2時(shí)，PAM已調(diào)信號(hào)理論上無(wú)失真。4、接收濾波器與功放模塊：接收濾波器低通帶寬有2.6KHZ和5KHZ兩種，分別由開(kāi)關(guān)K601上位和中位控制，接收濾波器的作用是恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。鉚孔P14是接收濾波器與功放

5、的輸入端，實(shí)驗(yàn)時(shí)需用外接導(dǎo)線將32P03與P14連接。5、時(shí)鐘與基帶數(shù)據(jù)發(fā)生模塊：它提供系統(tǒng)工作時(shí)鐘和接收數(shù)字低通濾波器工作時(shí)鐘。最后強(qiáng)調(diào)說(shuō)明：實(shí)際應(yīng)用的抽樣脈沖和信號(hào)恢復(fù)與理想情況有一定區(qū)別。理想抽樣的抽樣脈沖應(yīng)該是沖擊脈沖序列，在實(shí)際應(yīng)用中，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此一般是用高度有限、 寬度較窄的窄脈沖代替。另外，實(shí)際應(yīng)用中使信號(hào)恢復(fù)的濾波器不可能是理想的。當(dāng)濾波器特性不是理想低通時(shí)，抽樣頻率不能就等于被抽樣信號(hào)頻率的2倍，否則會(huì)使信號(hào)失真?？紤]到實(shí)際濾波器的特性，抽樣頻率要求選得較高。由于PAM通信系統(tǒng)的抗干擾能力差，目前很少使用。它已被性能良好的脈沖編碼調(diào)制（PCM所取代。PAM電路模塊：

6、PAM電路模塊接口定義：32P01:模擬信號(hào)輸入，通常與同步正弦波輸出P04或非同步函數(shù)信號(hào)輸出 P03連接。32P02：抽樣脈沖輸入，通常與抽樣脈沖形成電路P09連接。32TP01 :抽樣信號(hào)測(cè)量點(diǎn)。32P03：抽樣信號(hào)輸出，通常與接收濾波器與功放電路P14連接。32W01仿真信道的特性調(diào)節(jié)電位器。五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、插入有關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K在關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，按照下表放置實(shí)驗(yàn)?zāi)K：模塊名稱放置位號(hào)時(shí)鐘與基帶數(shù)據(jù)發(fā)生模塊GPAM脈沖幅度調(diào)制模塊H對(duì)應(yīng)位號(hào)可見(jiàn)底板右上角的“實(shí)驗(yàn)?zāi)K位置分布表”，注意模塊插頭與底板插座的防呆 口一致。2、信號(hào)線連接：使用專用導(dǎo)線按照下表格進(jìn)行信號(hào)線連接:源端目的端連線

7、作用P03 （底板）32P01 (H)將連續(xù)的模擬信號(hào)送入抽樣單元信號(hào)輸入端；P09 （底板）32P02 (H)將抽脈沖送入抽樣單元脈沖輸入端m32P03 (H)P14 (底板)痔抽樣后的信號(hào)送入接收濾波器及功放輸入端。3、加電打開(kāi)系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)， 底板的電源指示燈正常顯示。若電源指示燈顯示不正常，請(qǐng)立即關(guān)閉電源，查找異常原因。4、輸入模擬信號(hào)觀察將DDS言號(hào)源產(chǎn)生的三角波 （模擬信號(hào)最好用復(fù)雜信號(hào)，如三角波，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)恢復(fù)濾波器帶寬，三角波頻率選1.5KHZ較好）送入抽樣模塊的 32P01點(diǎn)，用示波器在 32P01處觀察，調(diào)節(jié)電位器 W01,使該點(diǎn)三角波信號(hào)幅度約2V （峰一峰值）。5、抽

8、樣脈沖觀察當(dāng)DDS信號(hào)源處于“ 抽樣” 狀態(tài)時(shí)（D04D03D02D01=0000），旋轉(zhuǎn)SS01可改變?nèi)?脈沖（P09）的頻率。 示波器接在32P02上，可觀察取樣脈沖波形?？紤]到 1.5KHZ三角波 有效帶寬不低于4.5KHZ（三次諧波），因此抽樣頻率要大于 9KHZ6、抽樣信號(hào)觀察示波器接在32TP01上，可觀察PAM取樣信號(hào)，示波器接在32P03上，調(diào)節(jié)“ PAM脈沖幅度調(diào)制”上的32W0何改變PAM信號(hào)傳輸信道的特性，PAM取樣信號(hào)波形會(huì)發(fā)生改變。7、取樣恢復(fù)信號(hào)觀察PAM解調(diào)用的低通濾波器電路（接收端濾波放大模塊，信號(hào)從P14輸入）設(shè)有兩組參數(shù)，其截止頻率分別為2.6KHZ、5K

9、HZ調(diào)節(jié)不同的輸入信號(hào)頻率和不同的抽樣時(shí)鐘頻率，用示波器觀測(cè)各點(diǎn)波形，驗(yàn)證抽樣定理，并做詳細(xì)記錄、繪圖。（注意，調(diào)節(jié)32W01應(yīng)使32TP01.32P03兩點(diǎn)波形相似，即以不失真為準(zhǔn)。）8、改變模擬信號(hào)和抽樣脈沖參數(shù)修改模擬信號(hào)的頻率及類型嗎，修改抽樣脈沖的頻率，重復(fù)上述操作。 可以嘗試下表所示組合，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：模擬信號(hào)抽樣脈沖恢復(fù)濾波器1K三角波10K5K1K三角波10K2. 6K1K正弦波10K5K電話語(yǔ)音信號(hào)8K5K電話語(yǔ)音信號(hào)6K5K9、關(guān)機(jī)拆線實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉電源，拆除信號(hào)連線，并按要求放置好實(shí)驗(yàn)?zāi)K。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求題目:1簡(jiǎn)述抽樣定理及 PAM實(shí)驗(yàn)原理，并畫(huà)出實(shí)驗(yàn)框圖。答：抽樣定

10、理：是通信理論中的一個(gè)重要定理，是模擬信號(hào)數(shù)字化的理論依據(jù)，包括時(shí)域抽樣定理和頻域抽樣定理兩部分。抽樣定理：設(shè)時(shí)間連續(xù)信號(hào).；：，其最高截止頻率為內(nèi)，如果心丄用時(shí)間間隔為的開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)；進(jìn)行抽樣時(shí)，則就可被樣值信號(hào)唯一地表示。在一個(gè)頻帶限制在 (OJh) 內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)，如果以小于等于2和的時(shí)間間隔對(duì)它進(jìn)行抽樣，那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復(fù)原信號(hào)?；蛘哒f(shuō)，如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)'!的頻譜中最高頻率不超過(guò) 廠，這種信號(hào)必定是個(gè)周期性的信號(hào)，當(dāng)抽樣頻率''r-時(shí)，抽樣后的信 號(hào)就包含原連續(xù)信號(hào)的全部信息，而不會(huì)有信息丟失，當(dāng)需要時(shí)，可以根據(jù)這些抽樣信號(hào)的樣本來(lái)還原原來(lái)的連續(xù)信號(hào)

11、。根據(jù)這一特性，可以完成信號(hào)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)-模轉(zhuǎn)換過(guò)程。PAM實(shí)驗(yàn)原理：如果對(duì)某一帶寬有限的時(shí)間連續(xù)信號(hào)(模擬信號(hào))進(jìn)行抽樣，且抽樣速率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，那么根據(jù)這些抽樣值就能準(zhǔn)確地還原原信號(hào)。PAM實(shí)驗(yàn)框圖：2、寫(xiě)出自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)各種測(cè)試條件，所測(cè)各點(diǎn)的波形、頻率、電壓等各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)并驗(yàn)證抽樣定理。答：實(shí)驗(yàn)步驟：1、連線：底板上的 P03與PAM脈沖幅度調(diào)制模塊的 32P01相連，底板上的 P09 與PAM脈沖幅度調(diào)制模塊的 32P02相連，PAM脈沖幅度調(diào)制模塊的 32P03與底板上的P14相 連。2、打開(kāi)電源。3、DDS信號(hào)源產(chǎn)生的三角波送入抽樣模塊，觀察波形。4、使DDS信號(hào)源處于抽樣狀態(tài)，觀察抽樣波形。 5、改變數(shù)據(jù)，驗(yàn)證抽樣定理。3、 說(shuō)明抽樣后信號(hào)經(jīng)過(guò)PAM莫擬信道傳輸及接收數(shù)字低通濾波器后，波形將會(huì)出現(xiàn)哪些失真。答：抽樣后信號(hào)經(jīng)過(guò)PAM莫擬信道傳輸及接收數(shù)字低通濾波器后，波形可能會(huì)出現(xiàn)相位失真和幅度失真。4、對(duì)上述1.5KHZ三角波抽樣，分析應(yīng)選用那種帶寬的恢復(fù)濾波器，為什么？答：應(yīng)選用帶寬為1.5KHZ的低通濾波器進(jìn)行恢復(fù)濾波，因?yàn)槌闃雍箢l譜會(huì)進(jìn)行搬移，最終只需 得到三角波的頻譜就可以，故