信號(hào)與系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)

PAGEPAGE13實(shí)驗(yàn)二之項(xiàng)目一抽樣定理和PAM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過(guò)脈沖幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能加深理解脈沖幅度調(diào)制的原理。2、通過(guò)對(duì)電路組成、波形和所測(cè)數(shù)據(jù)的分析，加深理解這種調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察模擬輸入正弦波信號(hào)、抽樣時(shí)鐘的波形和脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，并注意觀察它們之間的相互關(guān)系及特點(diǎn)。2、改變模擬輸入信號(hào)或抽樣時(shí)鐘的頻率，多次觀察波形。三、實(shí)驗(yàn)器材1、信號(hào)源模塊 一塊2、①號(hào)模塊 一塊3、20M雙蹤示波器 一臺(tái)4、連接線 若干四、實(shí)驗(yàn)原理（一）基本原理1、抽樣定理1抽樣定理表明一個(gè)頻帶限制（0，f 內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)如果以T≤ 秒H 2fH的間隔對(duì)它進(jìn)行等間隔抽樣，則m(t)將被所得到的抽樣值完全確定。假定將信號(hào)和周期為T的沖激函數(shù) 相乘如圖1-1所示乘積便是均勻間隔T為T))的抽樣。若用ms(t)表示此抽樣函數(shù)，則有：m(t)m(t)s T

(t)圖1-1 抽樣與恢復(fù)假設(shè)m(t)、T

(t和ms

(t)的頻譜分別為M()、T

()Ms

()。按照頻率卷積定理，m(t)T

的傅立葉變換是M()和T

()的卷積：M() 1()s

()因?yàn)?T

2T

Tn

(n)s s T所以

()

1M)

(n)s由卷積關(guān)系，上式可寫成Ms

T()T

n

TnM)s

sms(tMs(是無(wú)窮多個(gè)間隔為ωsM(相迭加而成。這就意味著Ms()中包含M()的全部信息。1T2fH

，則M()和 ()的卷積在相鄰的周期內(nèi)存T1在重疊（亦稱混疊），因此不能由Ms(M(?？梢?jiàn)，T2fH它被稱為奈奎斯特間隔。

是抽樣的最大間隔，0fH

之間，而是限制在fL

（信號(hào)的最低頻率）與fH

（信號(hào)的最高頻率）之間（帶通型連續(xù)信號(hào)），那么，其抽樣頻率f 并不要求達(dá)到2f ，而是達(dá)到2B即可，即要求抽樣頻率為帶通信號(hào)帶寬的s H兩倍。1-2fs號(hào)的頻譜。

無(wú)混疊）fs

＜2B（有混疊）時(shí)兩種情況下沖激抽樣信FF0mmff(t)t0連續(xù)信號(hào)的頻譜f(tf(t)st0Ts1TSF()s10smms（b）高抽樣頻率時(shí)的抽樣信號(hào)及頻譜（無(wú)混疊）f(tf(t)st0Ts1TSF()s10smms（c）低抽樣頻率時(shí)的抽樣信號(hào)及頻譜（混疊）圖1-2 采用不同抽樣頻率時(shí)抽樣信號(hào)的頻譜2、脈沖振幅調(diào)制（PAM）波是由沖激脈沖組成的，則前面所說(shuō)的抽樣定理，就是脈沖增幅調(diào)制的原理。但是實(shí)際上真正的沖激脈沖串并不能付之實(shí)現(xiàn)研究窄脈沖作為脈沖載波的PAM方式，將具有實(shí)際意義。m(tm(t)TT(t)平頂抽樣圖1-3自然抽樣及平頂抽樣波形PAMm(t)變化的規(guī)律（1-3所示。3-3PAM信號(hào)常常采用保持電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，得到的脈沖為矩形脈沖。（二)電路組成話音輸入N1模擬開關(guān)S自然抽樣/平頂話音輸入N1模擬開關(guān)S自然抽樣/平頂抽樣選擇N2PAM解調(diào)抽樣脈沖LF398圖1-4脈沖振幅調(diào)制電路原理框圖E2D4E2D4+12VR9TP2-12V10uF/16V 150C11PAM-SIN4.3VR7C29104VEE104104U2LF398U3TH1TH-12VC201041 2NCV-NCNCNCOUTPUTVoNCV+LOGICLOGICREFNCCh1413121110981524OUTPUTY0Y1Y2Y3Yout3CLK-IN1PAM12141511X0X1X2X3Xout 1316VCCTH3THC31222E110 A9 BVDDINHVEEVSSGNDVEEGNDC2104OUTPUTK11PAM10uF/16VU1ACD4052R4CLK-IN211K74LS041（三）實(shí)驗(yàn)電路工作原理1、PAM調(diào)制電路

圖1-5脈沖幅度調(diào)制電路原理圖

PAMCLK如圖3-5所示，LF398是一個(gè)專用的采樣保持芯片，它具有很高的直流精度和較高的采樣速率，器件的動(dòng)態(tài)性能和保持性能可以通過(guò)合適的外接保持電容達(dá)到最佳。LF398的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-6所示；FAD30KVi。MCTR。。MREF

-+N1C1

-S +N2150LF398

。OUT。HOC圖1-6LF398的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)N1是輸入緩沖放大器，N2是高輸入阻抗射極輸出器。S為邏輯控制采樣/保持開關(guān)，當(dāng)S接通時(shí)，開始采樣；當(dāng)S斷開時(shí)，開始保持。LF398的引腳功能為：3、12腳：正負(fù)電源輸入端。1腳：Vi，模擬電壓輸入端。11腳：MCTR，邏輯控制輸入端，高電平為采樣，低電平為保持。10腳：MREF，邏輯控制電平參考端，一般接地。8腳：HOC，采樣/保持電容接入端。7腳：OUT，采樣/保持輸出端。3-5PAM-SIN輸入，進(jìn)入LF3981Vi沖放大器N1放大后送到模擬開關(guān)S，此時(shí)，將抽樣脈沖作為S的控制信號(hào)，當(dāng)LF39811MCTRN2K12、PAM解調(diào)與濾波電路解調(diào)濾波電路由集成運(yùn)放電路TL084組成。組成了一個(gè)二階有源低通濾波器，其截止頻率設(shè)計(jì)在3.4KHz左右，因?yàn)樵摓V波器有著解調(diào)的作用，因此它的質(zhì)量好壞直接影響著系統(tǒng)的工作狀態(tài)。該電路還在后續(xù)實(shí)驗(yàn)接收部分有用到。電路如圖1-7所示VCCVCCTP10IN1R810k+12VC3512E104U7AC715231R39R44C27223510uF/910k23k38k2U7B7R37R34C252226U7C8R41TP11OUTTH14TH112U7DTL084C21222C2810210k15kTL084TL0841411C82229C2210210kTL08413-12VW110KR42 R4310k 10k圖1-7PAM解調(diào)濾波電路五、測(cè)試點(diǎn)說(shuō)明1、輸入點(diǎn)參考說(shuō)明PAM-SIN：音頻信號(hào)輸入端口PAMCLK：抽樣時(shí)鐘信號(hào)輸入端口IN：PAM解調(diào)濾波電路輸入端口2、輸出點(diǎn)說(shuō)明自然抽樣輸出：自然抽樣信號(hào)輸出端口平頂抽樣輸出：平頂抽樣信號(hào)輸出端口OUT：PAM解調(diào)濾波輸出端口六、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)1、將信號(hào)源模塊、模塊1固定在主機(jī)箱上，將黑色塑封螺釘擰緊，確保電源接觸良好。2、插上電源線，打開主機(jī)箱右側(cè)的交流開關(guān)，將信號(hào)源模塊和模塊1的電源開關(guān)撥下，+5V-12V+12V（注意，此處只是驗(yàn)證通電是否成功，在實(shí)驗(yàn)中均是先連線，再打開電。3、觀測(cè)PAM自然抽樣波形同步正弦波”輸出，調(diào)節(jié)W14V左右。將信號(hào)源上S4101CLK”輸出32K時(shí)鐘。1K1源端口目標(biāo)端口源端口目標(biāo)端口連線說(shuō)明“2K同步正弦波”1:“PAM-SIN”提供被抽樣信號(hào)“CLK”1:“PAMCLK”提供抽樣時(shí)鐘* 檢查連線是否正確，檢查無(wú)誤后打開電源用示波器在“自然抽樣輸出”處觀察PAM4、觀測(cè)PAM平頂抽樣波形a) 同步正弦波”輸出，調(diào)節(jié)W14V左右。b) 將信號(hào)源上S、S、S3100000010000001000000S5100NR”輸出速率為128NRZ/（實(shí)驗(yàn)中的K1源端口源端口目標(biāo)端口連線說(shuō)明模塊“PAM-SI”提供被抽樣信號(hào)模塊“PAMCL”提供抽樣脈沖打開電源，用示波器在“平頂抽樣輸出”處觀察平頂抽樣波形。5、改變抽樣時(shí)鐘頻率，觀測(cè)自然抽樣信號(hào)，驗(yàn)證抽樣定理。6、觀測(cè)解碼后PAM波形與原信號(hào)的區(qū)別源端口目標(biāo)端口連線說(shuō)明“2K源端口目標(biāo)端口連線說(shuō)明“2K同步正弦波”1:“PAM-SIN”提供被抽樣信號(hào)“CLK”1:“PAMCLK”提供抽樣時(shí)鐘模塊1:“自然抽樣輸出”1:“IN”PAM將K1PAM-SI測(cè)“PAM-SIN”和“OUT”波形。7、將信號(hào)源產(chǎn)生的音樂(lè)信號(hào)輸入到模塊1PAM-SIIN”相PAM解調(diào)信號(hào)輸出到信號(hào)源上的“音頻信號(hào)輸入該系統(tǒng)對(duì)話音信號(hào)的傳輸質(zhì)量。七、實(shí)驗(yàn)思考題1、簡(jiǎn)述平頂抽樣和自然抽樣的原理及實(shí)現(xiàn)方法。2、在抽樣之后，調(diào)制波形中包不包含直流分量，為什么？3、造成系統(tǒng)失真的原因有哪些？4、為什么采用低通濾波器就可以完成PAM解調(diào)？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、分析電路的工作原理，敘述其工作過(guò)程。2、繪出所做實(shí)驗(yàn)的電路、儀表連接調(diào)測(cè)圖。并列出所測(cè)各點(diǎn)的波形、頻率、電壓等有關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)要分析說(shuō)明。必要時(shí)借助于計(jì)算公式及推導(dǎo)。3、對(duì)實(shí)驗(yàn)思考題加以分析，按照要求作出回答。實(shí)驗(yàn)二之項(xiàng)目二模擬信號(hào)的卷積實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理解卷積的概念及物理意義。2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法加深對(duì)卷積運(yùn)算的圖解方法及結(jié)果的理解。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察驗(yàn)證方波和三角波的互卷積。三、實(shí)驗(yàn)器材1、信號(hào)源模塊 一塊2、軟件無(wú)線電模塊 一塊3、雙蹤示波器 一臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理及電路說(shuō)明任意激勵(lì)信號(hào)的零狀態(tài)響應(yīng)。設(shè)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)為xt，沖激響應(yīng)為t，則系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)為：y(t)(t)*(t)

x(t)h(t)d對(duì)于任意兩個(gè)信號(hào)f(t)和f(t)，兩者做卷積運(yùn)算定義為：1 2f(t)

f(t)f1

(t)d=f1

(t)*f2

(t)=f2

(t)*f1

(t)表1 常用信號(hào)卷積表矩形脈沖信號(hào)與鋸齒波信號(hào)的卷積信號(hào)f(t)為鋸齒波信號(hào)，f(t)為矩形脈沖信號(hào)，如圖1-8所示。根據(jù)卷積積分的運(yùn)算1 2方法得到f(t)和f(t)的卷積積分結(jié)果y(t)，如圖1(i)所示。1 2圖1-8矩形脈沖信號(hào)與鋸齒脈沖信號(hào)的卷積積分的結(jié)果本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的卷積運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)方法在本實(shí)驗(yàn)裝置中采用了DSP時(shí)，是先通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用所編寫的相應(yīng)程序控制DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的卷積運(yùn)算，再把運(yùn)算結(jié)果通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。結(jié)果與模擬信1-9為信號(hào)卷積的流程圖。f1(t)f1(t)A/D轉(zhuǎn)換DSP號(hào)處理芯片完成卷積D/A轉(zhuǎn)換f1(t)*f2(t)f2(t)圖1-9 信號(hào)卷積的流程圖實(shí)驗(yàn)引腳說(shuō)明：ADC-IP4： 方波信號(hào)輸入DACP16： 卷積信號(hào)輸出五、實(shí)驗(yàn)步驟1、依照上文所述方法，分析并畫出方波與三角波的互卷積波形。2、實(shí)驗(yàn)連線說(shuō)明如下：源端口源端口目的端口連線說(shuō)明信號(hào)源：非同步模擬信號(hào)SDR：P4500Hz方波3、將軟件無(wú)線電模塊的S200010004、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明：觀察卷積后的波形P1，驗(yàn)證分析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)二之項(xiàng)目三方波信號(hào)的分解實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、分析典型的矩形脈沖信號(hào)，了解矩形脈沖信號(hào)諧波分量的構(gòu)成。2、觀察矩形脈沖信號(hào)通過(guò)多個(gè)數(shù)字濾波器后，分解出各諧波分量的情況。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察不同占空比方波的分解波形，記錄其幅頻特性。三、實(shí)驗(yàn)器材1、通原信號(hào)源 一塊2、軟件無(wú)線電模塊 一塊3、雙通道20M示波器 一臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理及電路說(shuō)明（一）信號(hào)的頻譜信號(hào)的時(shí)域特性和頻域特性是對(duì)信號(hào)的兩種不同的描述方式(t)(Dirichlet)條件，就可以將其展開成三角形式或指數(shù)形式的傅里葉級(jí)數(shù)。例如，對(duì)于一個(gè)周期為T的時(shí)域周期信號(hào)f(t)，可以用三角形式的傅里葉級(jí)數(shù)求出它的各次分量，在區(qū)間(t,t1 1

T內(nèi)表示為f(t)a0

(ann1

cos ntbn

sinnt)即將信號(hào)分解成直流分量及許多余弦分量和正弦分量，研究其頻譜分布情況。An5An530 A （a）

0 Ω 5 ω（c）0 t（b）圖1-10 信號(hào)的時(shí)域特性和頻域特性信號(hào)的時(shí)域特性與頻域特性之間有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系可以用圖1-10來(lái)形象地表示。其中圖(a)是信號(hào)在幅度－時(shí)間－頻率三維座標(biāo)系統(tǒng)中的圖形；圖(b)是信號(hào)在幅度－時(shí)間坐標(biāo)系統(tǒng)中的圖形即波形圖；把周期信號(hào)分解得到的各次諧波分量按頻率的高低排是信號(hào)在幅度－研究信號(hào)振幅頻譜。（二）方波信號(hào)的分解原理任何具有周期為T的波函數(shù)f(t)都可以表示為三角函數(shù)所構(gòu)成的級(jí)數(shù)之和，即：f(t)

1a (a2 0 n1

cosbn

sinnt)其中：T為角頻率。＝a0為直流分量。T 2圖1-11方波信號(hào)所謂周期性函數(shù)的傅里葉分解就是將周期性函數(shù)展開成直流分量、基波和所有ｎ階諧波的迭加。如圖所示的方法可以寫成：

h 2(0th 2f(t)h T ( t0) 2此方波為奇函數(shù)，它沒(méi)有常數(shù)項(xiàng)。數(shù)學(xué)上可以證明此方波可表示為：f(t)

4h(sint1sin3t1sin5t1sin7t) 3 5 7=4hn1

( 12n

)sin[(2n通過(guò)帶通濾波器將電信號(hào)中所包含的某一頻率成分提取出來(lái)。得到基波和3、5、?次諧波。實(shí)驗(yàn)引腳說(shuō)明：ADC_IP4：模擬信號(hào)輸入500HZ方波P16：1次諧波的波形觀測(cè)點(diǎn)P17：其他諧波的波形