实验-4-抽样定理及其应用实验

实验4抽样定理及其应用实验通信1202201208030223吴铠权一、实验目的：1、通过对模拟信号抽样的实验，加深对抽样定理的理解；2、通过PAM调制实验，加深理解脉冲幅度调制的特点；3、学习PAM调制硬件实现电路，掌握调整测试方法；二、实验仪器：1、PAM脉冲调幅模块位号：H2、时钟与基带数据发生模块位号：G3、100M双踪示波器1台三、实验内容：1、观测输入模拟信号、抽样脉冲、抽样信号及恢复信号波形；2、改变抽样脉冲频率,测试其对抽样信号及恢复信号的影响；3、测试接收滤波器特性对恢复信号的影响；四、实验原理：抽样定理告诉我们：如果对某一带宽有限的时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且抽样速率达到一定数值时，那么根据这些抽样值就能准确地还原原信号。这就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输按抽样定理得到的抽样值。通常，按照基带信号改变脉冲参量（幅度、宽度和位置）的不同，把脉冲调制分为脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PDM）和脉位调制（PPM）。虽然这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量是连续的，因此也都属于模拟调制。关于PDM和PPM，国外在上世纪70年代研究结果表明其实用性不强，而国内根本就没研究和使用过，所以这里我们就不做介绍。本实验平台仅介绍脉冲幅度调制，因为它是脉冲编码调制的基础。本实验中需要用到以下5个功能模块。1、DDS信号源：它提供正弦波等信号，并经过连线送到“PAM脉冲调幅模块”，作为脉冲幅度调制器的调制信号。P03测试点可用于调制信号的连接和测量；另外，如果实验室配备了电话单机，也可以使用用户电话模块，这样验证实验效果更直接、更形象，P05测试点可用于语音信号的连接和测量。2、抽样脉冲形成电路模块：它提供有限高度，不同宽度和频率的的抽样脉冲序列，并经过连线送到“PAM脉冲调幅模块”，作为脉冲幅度调制器的抽样脉冲。P09测试点可用于抽样脉冲的连接和测量。该模块提供的抽样脉冲频率可调，占空比为50%。3、PAM脉冲调幅模块：PAM电路原理图如下图所示，它采用模拟开关CD4066实现脉冲幅度调制。抽样脉冲序列为高电平时，模拟开关导通，有调制信号输出；抽样脉冲序列为低电平，模拟开关断开，无信号输出。因此，本模块实现的是自然抽样。在32TP01测试点可以测量到已调信号波形。调制信号和抽样脉冲都需要外接连线输入。已调信号经过PAM模拟信道（模拟实际信道的惰性）的传输，从32P03铆孔输出，它可能会产生波形失真。，32W01（R1）电位器可改变模拟信道的传输特性，当R1C1=R2C2时，PAM已调信号理论上无失真。4、接收滤波器与功放模块：接收滤波器低通带宽有2.6KHZ和5KHZ两种，分别由开关K601上位和中位控制，接收滤波器的作用是恢复原调制信号。铆孔P14是接收滤波器与功放的输入端，实验时需用外接导线将32P03与P14连接。5、时钟与基带数据发生模块：它提供系统工作时钟和接收数字低通滤波器工作时钟。最后强调说明：实际应用的抽样脉冲和信号恢复与理想情况有一定区别。理想抽样的抽样脉冲应该是冲击脉冲序列，在实际应用中，这是不可能实现的。因此一般是用高度有限、宽度较窄的窄脉冲代替。另外，实际应用中使信号恢复的滤波器不可能是理想的。当滤波器特性不是理想低通时，抽样频率不能就等于被抽样信号频率的2倍，否则会使信号失真。考虑到实际滤波器的特性，抽样频率要求选得较高。由于PAM通信系统的抗干扰能力差，目前很少使用。它已被性能良好的脉冲编码调制（PCM）所取代。PAM电路模块：PAM电路模块接口定义：32P01：模拟信号输入，通常与同步正弦波输出P04或非同步函数信号输出P03连接。32P02：抽样脉冲输入，通常与抽样脉冲形成电路P09连接。32TP01：抽样信号测量点。32P03：抽样信号输出，通常与接收滤波器与功放电路P14连接。32W01：仿真信道的特性调节电位器。五、实验步骤：1、插入有关实验模块在关闭系统电源的情况下，按照下表放置实验模块：对应位号可见底板右上角的“实验模块位置分布表”，注意模块插头与底板插座的防呆口一致。2、信号线连接：使用专用导线按照下表格进行信号线连接：3、加电打开系统电源开关，底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常，请立即关闭电源，查找异常原因。4、输入模拟信号观察将DDS信号源产生的三角波（模拟信号最好用复杂信号，如三角波，根据本实验平台恢复滤波器带宽，三角波频率选1.5KHZ较好）送入抽样模块的32P01点，用示波器在32P01处观察，调节电位器W01，使该点三角波信号幅度约2V（峰一峰值）。5、抽样脉冲观察当DDS信号源处于“抽样”状态时(D04D03D02D01=0000)，旋转SS01可改变取样脉冲（P09）的频率。示波器接在32P02上，可观察取样脉冲波形。考虑到1.5KHZ三角波有效带宽不低于4.5KHZ(三次谐波)，因此抽样频率要大于9KHZ。6、抽样信号观察示波器接在32TP01上，可观察PAM取样信号，示波器接在32P03上，调节“PAM脉冲幅度调制”上的32W01可改变PAM信号传输信道的特性，PAM取样信号波形会发生改变。7、取样恢复信号观察PAM解调用的低通滤波器电路（接收端滤波放大模块，信号从P14输入）设有两组参数，其截止频率分别为2.6KHZ、5KHZ。调节不同的输入信号频率和不同的抽样时钟频率，用示波器观测各点波形，验证抽样定理，并做详细记录、绘图。（注意，调节32W01应使32TP01.32P03两点波形相似，即以不失真为准。）8、改变模拟信号和抽样脉冲参数修改模拟信号的频率及类型吗，修改抽样脉冲的频率，重复上述操作。可以尝试下表所示组合，分析实验结果：9、关机拆线实验结束，关闭电源，拆除信号连线，并按要求放置好实验模块。六、实验报告要求题目：1、简述抽样定理及PAM实验原理，并画出实验框图。答：抽样定理：是通信理论中的一个重要定理，是模拟信号数字化的理论依据，包括时域抽样定理和频域抽样定理两部分。抽样定理：设时间连续信号，其最高截止频率为，如果用时间间隔为的开关信号对进行抽样时，则就可被样值信号唯一地表示。在一个频带限制在内的时间连续信号，如果以小于等于的时间间隔对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。或者说，如果一个连续信号的频谱中最高频率不超过，这种信号必定是个周期性的信号，当抽样频率时，抽样后的信号就包含原连续信号的全部信息，而不会有信息丢失，当需要时，可以根据这些抽样信号的样本来还原原来的连续信号。根据这一特性，可以完成信号的模-数转换和数-模转换过程。PAM实验原理：如果对某一带宽有限的时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且抽样速率达到一定数值时，那么根据这些抽样值就能准确地还原原信号。PAM实验框图：2、写出自行设计的实验步骤，记录实验时各种测试条件，所测各点的波形、频率、电压等各项测试数据并验证抽样定理。答：实验步骤：1、连线：底板上的P03与PAM脉冲幅度调制模块的32P01相连，底板上的P09与PAM脉冲幅度调制模块的32P02相连，PAM脉冲幅度调制模块的32P03与底板上的P14相连。2、打开电源。3、DDS信号源产生的三角波送入抽样模块，观察波形。4、使DDS信号源处于抽样状态，观察抽样波形。5、改变数据，验证抽样定理。3、说明抽样后信号经过PAM模拟信道传输及接收数字低通滤波器后，波形将会出现哪些失真。答：抽样后信号经过PAM模拟信道传输及接收数字低通滤波器后，波形可能会出现相位失真和幅度失真。4、对上述1.5KHZ三角波抽样，分析应选用那种带宽的恢复滤波器，为什么？答：应选用带宽为1.5KHZ的低通滤波器进行恢复滤波，因为抽样后频谱会进行搬移，最终只需得到三角波的频谱就可以，故带宽应为1.5KHZ。七、实验所得波形图：DDS信号源产生三角波：产生抽样信号：采样信号的恢复：八、实验心得：本次实验是PAM调制实验，验证了抽样定理。PAM是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。我在通信原理课程中已经学过了抽样定理，这次通过PAM实验验证了理论知识中学过的抽样定理，对于其中参数的意义，有了更深的了解，使我认识到各种参数对实验的影响。