通信報告 PAM實驗

實驗一PAM實驗實驗目的1、驗證抽樣定理;2、觀察PAM信號形成的過程;3、了解混迭效應產(chǎn)生的原因;4、學習中頻抽樣的基本方法;1、驗證抽樣定理;2、觀察PAM信號形成的過程;3、了解混迭效應產(chǎn)生的原因;4、學習中頻抽樣的基本方法;實驗儀器1、JH5001(III)通信原理基礎實驗箱2、20MHz雙蹤示波器3、函數(shù)信號發(fā)生器1、JH5001(III)通信原理基礎實驗箱2、20MHz雙蹤示波器3、函數(shù)信號發(fā)生器三、實驗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)劣關系到通信設備整個系統(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2f的樣值序列所決定。在滿足抽樣定理的條件下，抽樣信號保留了原信號的全h部信息。并且，從抽樣信號中可以無失真地恢復出原始信號。通常將語音信號通過一個3400Hz低通濾波器(或通過一個300?3400Hz的帶通濾波器)，限制語音信號的最高頻率為3400Hz，這樣可以用頻率大于或等于6800Hz的樣值序列來表示。語音信號的頻譜和語音信號抽樣頻譜見圖3.1.1和圖3.1.2所示。從語音信號抽樣頻譜圖可知，用截止頻率為fh的理想低通濾波器可以無失真地恢復原始信號m(t)。ililm(t)0fh圖3.1.1語音信號頻譜0ff+f2f+ffhs0ff+f2f+ffhshsh圖3.1.2語音信號的抽樣頻譜0ff+f2f+ffhshsh圖3.1.3fs<2fh時語音信號的抽樣頻譜實際上，設計實現(xiàn)的濾波器特性不可能是理想的，對限制最高頻率為3400Hz的語音信號，通常采用8KHz抽樣頻率。這樣可以留出一定的防衛(wèi)帶（1200Hz），參見圖3.1.4所示。當抽樣頻率fs低于2倍語音信號的最高頻率fh，就會出現(xiàn)頻譜混迭現(xiàn)象，產(chǎn)生混迭噪聲，影響恢復出的話音質量，原理參見圖3.1.3所示。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。抽樣定理實驗各點波形見圖3.1.5所示。圖3.1.5抽樣定理實驗原理框圖圖3.1.6圖3.1.5抽樣定理實驗原理框圖圖3.1.6抽樣定理實驗電路組成框圖電路原理描述：輸入信號首先經(jīng)過信號選擇跳線開關K501，當K501設置在正常位置時（左端），輸入信號來自電話接口2模塊的發(fā)送話音信號；當K501設置在測試位置時（右端），由TP001輸入測試信號，進行抽樣定理實驗。運放U701A、U701B（TL084）和周邊阻容器件組成一個3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用于限制最高的信號頻率。信號經(jīng)運放U701C緩沖輸出，送到U703（CD4066）模擬開關。模擬開關U703（CD4066）通過抽樣時鐘完成對信號的抽樣，形成抽樣序列信號。信號經(jīng)運放U702B（TL084）緩沖輸出。運放U702A、U702C（TL084）和周邊阻容器件組成一個3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用來恢復原始信號。跳線開關K702用于選擇輸入濾波器，當K702設置在濾波位置時（左端），送入到抽樣電路的信號經(jīng)過3400Hz的低通濾波器；當K702設置在直通位置時（右端），信號不經(jīng)過抗混迭濾波器直接送到抽樣電路，其目的是為了觀測混迭現(xiàn)象。設置在復接解復接模塊內的跳線開關KB04為抽樣脈沖選擇開關：設置在左端為平頂抽樣，平頂抽樣是通過采樣保持電容來實現(xiàn)的，且T=Ts；設置在右端為自然抽樣，為便于恢復出的信號觀測，此抽樣脈沖略寬，只是近似自然抽樣。平頂抽樣有利于解調后提高輸出信號的電平，但卻會引入信號頻譜失真&皿:，T為抽樣脈沖寬度。通常在實際設備里，如/2

收端必須采用頻率響應為e和的濾波器來進行頻譜校準’這種頻譜失真稱為孔徑失真。四、實驗過程及數(shù)據(jù)分析自然抽樣脈沖序列測量（1）準備工作：由于PAM實驗用的抽樣信號由復接解復接模塊提供，因此首先用10針排線連接排針插槽JK501和JKB01，以獲取抽樣信號；將復接解復接模塊中的KB04設置在右端（自然抽樣狀態(tài)）；將ADPCM模塊的輸入信號選擇開關K501設置在右端以輸入測試信號。將低通濾波器選擇開關K702設置在F位置（濾波），調整函數(shù)信號發(fā)生器正弦波輸出頻率為1000Hz、輸出電平為2Vp-p的測試信號送入信號PCM/PAM模塊的測試端口TP001和接地端。（2）PAM脈沖抽樣序列觀察；用示波器同時觀測正弦波輸入信號（TP701）和抽樣脈沖序列信號（TP703），觀測時以TP701做同步。測量抽樣脈沖序列信號與正弦波輸入信號的對應關系，記錄測量波形。（3）PAM脈沖抽樣序列重建信號觀測；TP704為重建信號輸出測試點。保持測試信號不變，用示波器同時觀測重建信號輸出測試點和正弦波輸入信號，觀測時以TP701輸入信號做同步，記錄測量波形。實驗現(xiàn)象記錄和分析:CH2100'/MPck0.000;MEASURE1JQQ網(wǎng)Hi?CH2100'/MPck0.000;CH1峰■峰值CH2

頻本

SOOLOkrtJ?格峰值32.0V23-Mar-11蜂編3陌輸入信號和抽樣脈沖序列信號

TekJLBTHTdMPosO.DOOfbtASUFECH1頻率UPOOkht?「HI峰■峰值頌VCH2頻率

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CH1無cwiijddv'ere1''HSAjkdiiz-^isrw53-Mar-1109S03^.337Hz（）8I]SOO!

圖2輸入信號和脈沖抽樣序列重建信號分析：觀察圖1,可見此時的輸入信號頻率為fn=\kHz，抽樣信號為固定頻率f、=8kHz，易得知，f>2fn，因此不會出現(xiàn)頻譜混疊情況。故可以通過加一個低通濾波還原出調制信號，如圖2中所示，重建信號頻率也為1kHz，匕=f。另外，觀察這兩幅圖還可以看出，經(jīng)過自然抽樣后波形的峰峰值明顯變大，這主要是由內部的自然脈沖序列決定的。重建出的信號與原信號相比幅度上略有變大，這是可以通過運放調整的；而且，重建的信號與原信號相比有明顯的延時，這是因為實際系統(tǒng)的參數(shù)并不是理想化的，系統(tǒng)傳遞必定會有部分延時。再者，從圖1中可以看出抽樣序列是由矩形脈沖構成的，占空比大約為1/4。平頂抽樣脈沖序列測量（1）準備工作：與自然抽樣脈沖序列測量準備工作不同之處是將復接解復接模塊內的抽樣時鐘模式開關KB04設置在左端進行平頂抽樣。（2）PAM平頂抽樣序列觀察；方法同上，記錄測量波形，與自然抽樣測量結果做比較。（3）平頂抽樣重建信號觀測；方法同上，與自然抽樣測量結果對比分析平頂抽樣的測試結果。實驗現(xiàn)象記錄和分析：

()81ISOO!^MPg。00必BBT""1'片，i!1曲"1!'()81ISOO!^MPg。00必BBT""1'片，i!1曲"1!''/ft頻ILnVi：kJ瑚知iNrJ.；J'日Nph?333.7Hz?CH2格峰值bCASUREnil.■頻率\CH1*格峰值CH2CH2IDuOVM500JJS23-Mar-110051圖3輸入信號和平頂脈沖抽樣MPos0.000?QTric'dCH1/-41,&州931932HzM500JU!29-Mar-H09S3iJQQQkHE?CH1峰■峰值M腳CH2痂奉11.OO2kHzCH2匠峰值30皿KASURETHT=11M辛％OSl］頗酬圖4輸入信號和平頂脈沖抽樣重建信號分析:觀察圖3,平頂抽樣的波形在非抽樣時間內其幅度不為0,從抽樣后的序列波形可以近似看出原正弦波形狀，可以看到這是和自然抽樣后的序列波形的一個明顯的不同。觀察圖4,可見重建信號相較于原信號有較為明顯的變大，而且和自然抽樣相同，重建信號相對于原信號都有都有一定的延時。平頂抽樣的波形之所以在非抽樣時間內其幅度不為0,而是一個電壓值的保持,是因為在CD4066芯片的輸入端3A腳接了一個保持電容，不斷進行充電放電，使得抽樣過程中的電壓得以維持。然而自然抽樣時2A腳直接進接地，因此在非抽樣時間迅速回到了零電平。對于自然抽樣和平頂抽樣的重建信號幅度不同是由于：自然抽樣時，抽樣序列是m(t)和脈沖序列直接相乘所得。設脈沖寬度為t，幅度為A，重復周期為-，則脈沖序列p(t)的傅里葉級數(shù)表示式為：P(t)=?二Sa(n::)-ej見sJL乙sn=—s由上式進行傅里葉變換得脈沖序列的頻譜：F(①)=—P(①)*F(①)=AL尹Sa(竺上)-F(①-n①)s2兀T2ssn=—8t其中，n=0處的頻譜和F(w)相同，只是幅度減小冬倍。故用理想低通可Ts由此恢復信號得m(t)，且心)=Tm)s而平頂抽樣的頻譜F'(?)應為理想取樣信號頻譜F(①)與Q(①)的乘積。s一、1?一、因此得到F：(3)=—Q(^)F(^-n也)，S,,，一?、,,,At，….,,然而，與自然抽樣不同的是，此時的Q(①)不是常數(shù)—，而是與?有關的一個函數(shù)。①T、對于幅度為A，寬度為T的矩形取樣脈沖，有Q(O)=ATSa(或)。Sin(3T/2)因此，會引入信號頻譜失真一，即孔徑效應。實際使用時必須在低通①T/2濾波器后面附加一個均衡電路加以補償，才能夠無失真地恢復出f(t)。因此，顯然可以知道二者的重建信號幅度不同的原因了。結合PAM模塊的電路圖，根據(jù)平頂抽樣和自然抽樣的波形，試分析模擬開關4066控制端的時序圖。

分析:截取PAM電路圖中與芯片CD4066相關的部分。再截取CD4066芯片內部的一個單元，如下:PAM_CHXKUpamIclock^1AIB2A2B3A再截取CD4066芯片內部的一個單元，如下:PAM_CHXKUpamIclock^1AIB2A2B3A3B4A4B1C2C3CVCC4CGNDU7O3CD4066KU7Q2BIL084R71451綜合兩圖可見，C為控制端，輸出端B的值由輸入端A的值決定。當采用自然抽樣和平頂抽樣時，控制端的值不同，即PAM_CLOCK0、PAM_CLOCK1和PAM_CLOCK2的組合電平不同。具體分析和結果如下:(1)、自然抽樣時，使用PAM_CLOCK0和PAM_CLOCK1組合PAMCLOCK1:PAMCLOCK1:此時，PAM_CLOCK2始終保持0電平。(2)、平頂抽樣時，使用PAM_CLOCK0和PAM_CLOCK2組合PAMCLOCK0：PAMCLOCK0：(高電平)PAMCLOCK2：(高電平)此時，PAM_CLOCK1始終保持0電平。

4.信號混迭觀測（1）準備工作：同PAM自然抽樣實驗；將跳線開關K702設置在NF（無輸入濾波器）位置。分別輸入3k，4k，6k，8k，10kHz的正弦波，幅度為2Vp-p，用示波器觀測重建信號（TP704）輸出時域波形和頻域波形圖，記錄測量波形，分析解釋測量結果。實驗現(xiàn)象記錄和分析:CH14.信號混迭觀測（1）準備工作：同PAM自然抽樣實驗；將跳線開關K702設置在NF（無輸入濾波器）位置。分別輸入3k，4k，6k，8k，10kHz的正弦波，幅度為2Vp-p，用示波器觀測重建信號（TP704）輸出時域波形和頻域波形圖，記錄測量波形，分析解釋測量結果。實驗現(xiàn)象記錄和分析:CH1頻牽八A/XAA13加換H形\\\J\\\/\CH1，/\\\八/\/\/r略峰值VVVvVVt1斜CH?1.C0'/M250ju$29-Mar-110055ICH2頻率2.959kHzr-UT峰-峰值cm無Ros6250kHzMATHQT時d（1）（2）圖53kHz輸出時域和頻域波形圖分析：由于此時的輸入信號的頻率為3kHz，低于抽樣頻率8kHz的一半，因此幾乎無失真地經(jīng)過末級的低通濾波恢復出原始信號f（t）。但是由于使用的低通濾波器不是理想的低通濾波，如下圖所示：F（°）?實際低通濾波器35811w/kHz因此，過濾的頻率成分并不完全干凈，會剩下3kHz的主要頻率和部分5kHz的頻率分量。兒從圖5的頻域圖上也可以明顯得看到3kHz和5kHz的兩種頻率，波形有一定程度地失真。所以實際符合理論。4.111111^7'(1)750.0kHz?[]8118D098]SL■■■!!(3)(4)圖64kHz4.111111^7'(1)750.0kHz?[]8118D098]SL■■■!!(3)(4)圖64kHz輸出時域和頻域波形圖L：H1JMHOODS23-Mar-11B330423-Mar-1109:11081180098(2)F(°)F(°)實際低通濾波器I4w/kHz雖然從上圖中只能看到一個單一的頻率4kHz，但是，實際中使用的低通濾波器并不是理想低通的，而且輸入信號也不是嚴格帶限的，這時候取樣信號的頻譜成分可能出現(xiàn)某些重疊，而這些重疊就成為了混疊誤差。而且，實際抽樣的信號也不是理想的脈沖，而是近似脈沖的矩形波，頻域實際上搬遷不是準確的8kHz。在圖6中截取了不同時刻的波形，雖然波形大體上仍然是4kHz，但是幅度再不斷變化。這就是混疊噪聲造成的。

典118如場M05頃23-Mar-1103:15CH2<一頗帕z.nijoi^kHz圖7典118如場M05頃23-Mar-1103:15CH2<一頗帕z.nijoi^kHz圖76kHz輸出時域和頻域波形圖簡單地畫出抽樣后的頻譜圖如下:F?):實際低通濾波器2kHz處的信號是-6kHZ處的信號經(jīng)過抽樣后頻譜搬遷得到的。因此從分析中可以看出，2kHz信號可以完整地通過低通濾波器，而6kHz只能通過一部分。此時觀察圖7,，時域上可以看到清晰的2kHz的重建信號，從頻域上看，則是明顯的2kHz和較大的6kHz信號能量。所以，實際和理論相匹配。此時觀察到的是2kHz和6kHz的混疊。8.052HHZ?號「心Flattop^31130098081180098MSOjOjjsCHIJ圖88kHz輸出時域和頻域波形圖

分析:8.052HHZ?號「心Flattop^31130098081180098MSOjOjjsCHIJ圖88kHz輸出時域和頻域波形圖此時輸入信號是8kHz，而抽樣信號頻率也是8kHz，而末端低通濾波器的頻率是4kHz左右，因此無論怎樣經(jīng)過頻譜的搬遷，8kHz都無法經(jīng)過低通濾波器輸出信號。從圖8中也可以觀察出，時域圖上是十分毛躁的信號，而頻域圖上也無任何明顯的頻率分量，因此可以知道根本沒有準確地信號從輸出端輸出，而只有探頭和電路內部的噪聲輸出。圖923-Mar-110323061180098FFT縮放圖923-Mar-110323061180098FFT縮放Filattop1.33337kHz10kHz輸出時域和頻域波形圖分析:與前幾個信號類似，10kHz的信號經(jīng)過在頻域上經(jīng)過頻譜