抽样定理和PAM调制解调实验.

1、通信原理实验报告实验三：抽样定理和 PAM调制解调实验系 另比信息科学与工程学院专业班级：通信1003班学生姓名：揭芳073同组学生：杨亦奥成 绩：指导教师：惠龙飞（实验时间：20 12年12月7日 20 12年12月7日）华中科技大学武昌分校1'、实验目的1、通过脉冲幅度调制实验，使学生能加深理解脉冲幅度调制的原理。2、通过实验，了解了自然抽样和平顶抽样的区别3、对抽样定理的更深一步的了解4、通过对电路组成、波形和所测数据的分析，加深理解这种调制方式的优缺点。、实验内容1、观察模拟输入正弦波信号、抽样时钟的波形和脉冲幅度调制信号，并注意观察它们之间的相互关系及特点。2、改变模拟输入信

2、号或抽样时钟的频率，多次观察波形。三、实验器材1、信号源模块一块2、号模块一块3、20M双踪示波器.一-台4、连接线若干四、实验原理(一) 基本原理1、抽样定理1抽样定理表明：一个频带限制在(0, fH )内的时间连续信号 m(t)，如果以T < 秒 2fH的间隔对它进行等间隔抽样，贝Um(t)将被所得到的抽样值完全确定。假定将信号m(t)和周期为T的冲激函数:T (t)相乘，如图3-1所示。乘积便是均匀间隔为T秒的冲激序列，这些冲激序列的强度等于相应瞬时上m(t)的值，它表示对函数m(t)的抽样。若用 叫(t)表示此抽样函数，则有：ms(t)二 m(t)、T(t)图3-1抽样与恢复假设

3、m(t)、丁和ms(t)的频谱分别为 M (，)、和Ms( )。按照频率卷积定理，m(t) ： t (t)的傅立叶变换是 M ( )和r ()的卷积:因为所以由卷积关系，上式可写成该式表明，已抽样信号Ms()Ms()1I.M (，)( ' ) I2 :1M ( )二：T (，- n，s) T ILn 二:：1 00Ms( )M (- n()T n z=cdmg(t)的频谱Ms( )是无穷多个间隔为3 s的M ( )相迭加而成。这就意味着MsC J中包含M ( J的全部信息。一 1需要注意，若抽样间隔 T变得大于，则MC J和 ( J的卷积在相邻的周期内存2fHb1在重叠(亦称混叠)，因

4、此不能由MsC J恢复M( )。可见，T是抽样的最大间隔,2 fH它被称为奈奎斯特间隔。上面讨论了低通型连续信号的抽样。如果连续信号的频带不是限于 0与fH之间，而是限制在fL (信号的最低频率)与 fH (信号的最高频率)之间(带通型连续信号)，那么， 其抽样频率fs并不要求达到2fH，而是达到2B即可，即要求抽样频率为带通信号带宽的 两倍。图3-2画出抽样频率fs >2B （无混叠）和fs v 2B （有混叠）时两种情况下冲激抽样信号的频谱。4#（b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（无混叠）fs(t)-'-m 'm - s#（C） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）

5、图3-2采用不同抽样频率时抽样信号的频谱2、脉冲振幅调制（PAM所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随输入信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则前面所说的抽样定理，就是脉冲增幅调制的原理。但是实际上真正的冲激脉冲串并不能付之实现，而通常只能采用窄脉冲串来实现。因而,研究窄脉冲作为脉冲载波的 PAM方式，将具有实际意义。#m(t)I1自然抽样及平顶抽样波形PAM方式有两种：自然抽样和平顶抽样。自然抽样又称为“曲顶”抽样，已抽样信号ms(t)的脉冲“顶部”是随 m(t)变化的，即在顶部保持了m(t)变化的规律(如图 3-3所示)。平顶抽样所得的已抽样信号如图3-3所示，这里每一

6、抽样脉冲的幅度正比于瞬时抽样值，但其形状都相同。在实际中，平顶抽样的PAM信号常常采用保持电路来实现，得到的脉冲为矩形脉冲。(二) 电路组成脉冲幅度调制实验系统如图3-4所示，主要由抽样保持芯片 LF398和解调滤波电路两部分组成，电路原理图如图3-5所示。#图3-4脉冲振幅调制电路原理框图TP2PAM-SINE2-12VU2LF3 98INPUTNCVo sNC1413TH3THPAM自然抽样输出+ 12 V-12VR91 50D4_J_C2 91 04VEE.C2 01 04V-V+12CLK-INE1" OUTPUT1 0u F/1 6VNCNCNCOUTPUTCLK-INLO

7、GIC11OUTPUTLOGIC REFNCChK1 u IdJ-i,10C3 12 22111 K4.3VU3Y1Y2Y3X0X1X2X3CD4 05 2TH1Yo utXo utVDDINHVEEVSS1 6 VCCGNDVEEGNDTH1PAM平顶抽样输出C2_1 04C41 04#一。aMclk图3-5脉冲幅度调制电路原理图（三）实验电路工作原理1、PAMI调制电路如图3-5所示，LF398是一个专用的采样保持芯片，它具有很高的直流精度和较高的采样速率，器件的动态性能和保持性能可以通过合适的外接保持电容达到最佳。LF398的内部结构如图 3-6所示；OFAD图3-6 LF398 的内部

8、电路结构N1是输入缓冲放大器，N2是高输入阻抗射极输出器。S为逻辑控制采样/保持开关，当S接通时，开始采样；当S断开时，开始保持。LF398的引脚功能为：3、12脚：正负电源输入端。1脚：Vi，模拟电压输入端。11脚：MCTR逻辑控制输入端，高电平为采样，低电平为保持。10脚：MREF逻辑控制电平参考端，一般接地。8脚：HOC采样/保持电容接入端。7脚：OUT采样/保持输出端。如图3-5所示，被抽样信号从 PAM-SIN输入，进入LF398的1脚Vi端，经内部输入缓冲放大器N1放大后送到模拟开关 S,此时，将抽样脉冲作为 S的控制信号，当LF398的11脚MCTR端为高电平时开关接通，为低电平

9、时开关断开。 然后经过射极输出器 N2输出比较理想的脉冲幅度调制信号。K1为“平顶抽样”、“自然抽样”选择开关。2、PAM解调与滤波电路解调滤波电路由集成运放电路TL084组成。组成了一个二阶有源低通滤波器，其截止频率设计在3.4KHZ左右，因为该滤波器有着解调的作用，因此它的质量好坏直接影响着系统 的工作状态。该电路还在后续实验接收部分有用到。电路如图3-7 所示图3-7 PAM解调滤波电路五、测试点说明1、输入点参考说明PAM-SIN:音频信号输入端口PAMCLK抽样时钟信号输入端口IN : PAM解调滤波电路输入端口2、输出点说明自然抽样输出：自然抽样信号输出端口平顶抽样输出：平顶抽样信

10、号输出端口OUT PAM解调滤波输出端口六、实验步骤及注意事项CH1通道为同步源。1的电源开关拨下,1、将信号源模块、模块 1固定在主机箱上，双踪示波器，设置2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，将信号源模块和模块观察指示灯是否点亮，红灯为+5V电源指示灯，绿灯为-12V电源指示灯，黄色为+12V电源指示灯。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，再打开电源做实验，不要带电连线 ）。3、观测PAM自然抽样波形1）用示波器观测信号源“ 2K同步正弦波”输出，调节 W1改变输出信号幅度，使输 出信号峰-峰值在1V左右。2）将信号源上S4设为“ 1010”，使“ CLK1 ”输出3

11、2K时钟。3）将模块1上K1选到“自然”。4）关闭电源，按如下方式连线源端口目标端口连线说明信号源：“ 2K同步正弦波”模块 1: “ PAM-SIN'提供被抽样信号信号源：“ CLK1'模块 1: “ PAMCL”提供抽样时钟*检查连线是否正确，检查无误后打开电源用示波器在“自然抽样输出”处观察PAM自然抽样波形。输出的 2K同步正弦波如下图3-1，输出的PAMCLK与自然抽样输出波形如下图3-2吧图3-1 2K同步正弦波图3-2 自然抽样 PAM输出其中，CHI是32K抽样脉冲，CH2是自然抽样输出分析：1、自然抽样的抽样脉冲顶部是随原始信号变化的，即在顶部保持了原始信号变

12、 化的规律。自然抽样的方法是用抽样脉冲与原始信号相乘即可。2、PAM的波形的脉冲与 32K抽样的脉冲一样，但其包络线为原 2K同步正弦 波，由波形图看出，不含有冲激信号，其波形在一个周期内的均值为0,所以不含有直流分量。4、观测PAM平顶抽样波形a）用示波器观测信号源“ 2K同步正弦波”输出，调节 W1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在1V左右。b） 将信号源上 S1、S2、S3 依次设为“ 10000000”、“ 10000000”、“10000000”，将 S5拨为“ 1000”，使“ NRZ”输出速率为128K，抽样频率为：NRZ频率/8 （实验中的将K1设为“平顶”。关闭电源，按下

13、列方式进行连线。源端口目标端口连线说明信号源：“ 2K同步正弦波模块 1: “ PAM-SIN'提供被抽样信号信号源：“ NRZ模块 1： “PAMCLK提供抽样脉冲c）打开电源，用示波器在“平顶抽样输出”处观察平顶抽样波形。在示波器上观察到的 2K正弦波如下图3-3，和平顶抽样输出波形如下图3-4图3-3 2K同步正弦波图3-4平顶抽样输出其中，CH1是16K抽样脉冲，CH2是平顶抽样输出分析：1、平顶抽样可以由理想抽样和脉冲形成电路得到，原始信号首先与抽样脉冲相乘，形成理想抽样信号，然后让它通过一个脉冲形成电路，其输出即为所需的平顶抽样信号2、PAM平顶抽样波形脉冲对应的16K抽样

14、脉冲，但脉冲顶部不随包络变化。PAM的包络与2K同步正弦波一致。 由波形图看出，没有冲激分量，其波形在一个周期内的均 值为0,故不含直流分量。平顶抽样与自然抽样的不同之处在于抽样信号中的脉冲信号均具有相同的形状，顶部是平坦的矩形脉冲，在进行抽样的时候，自然抽样通过一个保持电路即可得到平顶抽样。设自然抽样信号为 fs( t)，评顶信号为fh( t)。平顶函数就等于自然抽样和一个 Sa相乘。fs =m (t) S (t)Fh=fs.H(t)= fs.生活实际中没有单纯的冲激脉冲，只能尽可能的接近理性脉冲，平顶脉冲采用的是窄脉冲，平顶即为直流，有直流就会产生功耗，脉冲越宽，功耗越大，对硬件的要求大。

15、5、改变抽样时钟频率 S4=“1110 (2K)”，观测自然抽样信号，验证抽样定理。图3-5 2K抽样时的自然抽样 PAM输出其中CH1是2K抽样脉冲，CH2是自然抽样输出图3-232K抽样时的自然抽样 PAM输出分析：通过32K抽样的波形图和 2K抽样的波形图可以看出。当抽样频率小于模拟信 号频率的两倍时，会引发频谱混叠现象。总结，低通信号的取样定理， 一个频带限制在 0到f内的连续信号，如果取样频率大于等于两倍的f时，可以由取样值序列无失真的重建原始信号。6、观测解码后PAM波形与原信号的区别1）步骤3的前3步不变,按如下方式连线源端口目标端口连线说明信号源：“ 2K同步正弦波”模块 1:

16、 “ PAM-SIN'提供被抽样信号信号源：“ CLK1'模块 1: “ PAMCL”提供抽样时钟模块1： “自然抽样输出”模块1: “IN”将PAM言号进行译码2）将K1设为“自然”，用“ PAM-SIN'信号做示波器的触发源，用双踪示波器对比观测“ PAM-SIN'和“ OUT 波形。2图3-6原始信号与解调信号比较其中，CH1是原始信号，CH2是解调恢复信号分析：1解调后的信号与原始信号相比有相位差，出现这个现象的原因是原始信号通过低通滤波器时，经过电容器，直流加到电容上的时候，电压会滞后，造成相位差。2解调是调制的逆过程， 从已调信号中恢复出原始信号，

17、即将原始信号通过低通滤波器, 滤除高频分量，恢复出原始信号。七、实验思考题1、简述平顶抽样和自然抽样的原理及实现方法。答：平顶抽样可以由理想抽样和脉冲形成电路得到，实行原理框图如下图（b）所示。从原理框图中可以看到，川:信号首先与-J相乘，形成理想抽样信号， 然后让它通过一个脉冲形成电路，其输出即为所需的平顶抽样信号:谊）、仍脉冲老成 电跻Mr)务(r)自然抽样即直接由原始信号与脉冲信号相乘即可。2、在抽样之后，调制波形中包不包含直流分量，为什么？答：解调滞后不包含直流分量。因为抽样时在离散点取值，使得直流分量被滤除，由波形图图分析，其波形在一个周期内均值为零，不含直流分量。3、造成系统失真的原因有哪些？答：抽样的频率引起的失真，