通信报告-PAM实验

PAGEPAGE14实验一PAM实验一、实验目的验证抽样定理；观察PAM信号形成的过程；了解混迭效应产生的原因；学习中频抽样的基本方法；实验仪器JH5001(Ⅲ)通信原理基础实验箱一台20MHz双踪示波器一台函数信号发生器一台实验原理抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。通常将语音信号通过一个3400Hz低通滤波器（或通过一个300～3400Hz的带通滤波器），限制语音信号的最高频率为3400Hz，这样可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示。语音信号的频谱和语音信号抽样频谱见图3.1.1和图3.1.2所示。从语音信号抽样频谱图可知，用截止频率为fh的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m(t)。实际上，设计实现的滤波器特性不可能是理想的，对限制最高频率为3400Hz的语音信号，通常采用8KHz抽样频率。这样可以留出一定的防卫带（1200Hz），参见图3.1.4所示。当抽样频率fs低于2倍语音信号的最高频率fh在抽样定理实验中，采用标准的8KHz抽样频率，并用函数信号发生器产生一个信号，通过改变函数信号发生器的频率，观察抽样序列和重建信号，检验抽样定理的正确性。抽样定理实验各点波形见图3.1.5所示。图3.1.6是通信原理基础实验箱所设计的抽样定理实验电路组成框图。电路原理描述：输入信号首先经过信号选择跳线开关K501，当K501设置在正常位置时（左端），输入信号来自电话接口2模块的发送话音信号；当K501设置在测试位置时（右端），由TP001输入测试信号，进行抽样定理实验。运放U701A、U701B（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB带宽为3400Hz的低通滤波器，用于限制最高的信号频率。信号经运放U701C缓冲输出，送到U703（CD4066）模拟开关。模拟开关U703（CD4066）通过抽样时钟完成对信号的抽样，形成抽样序列信号。信号经运放U702B（TL084）缓冲输出。运放U702A、U702C（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB带宽为3400Hz的低通滤波器，用来恢复原始信号。跳线开关K702用于选择输入滤波器，当K702设置在滤波位置时（左端），送入到抽样电路的信号经过3400Hz的低通滤波器；当K702设置在直通位置时（右端），信号不经过抗混迭滤波器直接送到抽样电路，其目的是为了观测混迭现象。设置在复接解复接模块内的跳线开关KB04为抽样脉冲选择开关：设置在左端为平顶抽样，平顶抽样是通过采样保持电容来实现的，且τ=Ts；设置在右端为自然抽样，为便于恢复出的信号观测，此抽样脉冲略宽，只是近似自然抽样。平顶抽样有利于解调后提高输出信号的电平，但却会引入信号频谱失真，τ为抽样脉冲宽度。通常在实际设备里，收端必须采用频率响应为的滤波器来进行频谱校准，这种频谱失真称为孔径失真。实验过程及数据分析自然抽样脉冲序列测量准备工作：由于PAM实验用的抽样信号由复接解复接模块提供，因此首先用10针排线连接排针插槽JK501和JKB01，以获取抽样信号；将复接解复接模块中的KB04设置在右端（自然抽样状态）；将ADPCM模块的输入信号选择开关K501设置在右端以输入测试信号。将低通滤波器选择开关K702设置在F位置（滤波），调整函数信号发生器正弦波输出频率为1000Hz、输出电平为2Vp-p的测试信号送入信号PCM/PAM模块的测试端口TP001和接地端。PAM脉冲抽样序列观察；用示波器同时观测正弦波输入信号（TP701）和抽样脉冲序列信号（TP703），观测时以TP701做同步。测量抽样脉冲序列信号与正弦波输入信号的对应关系，记录测量波形。PAM脉冲抽样序列重建信号观测；TP704为重建信号输出测试点。保持测试信号不变，用示波器同时观测重建信号输出测试点和正弦波输入信号，观测时以TP701输入信号做同步，记录测量波形。实验现象记录和分析：图1输入信号和抽样脉冲序列信号图2输入信号和脉冲抽样序列重建信号分析：观察图1，可见此时的输入信号频率为，抽样信号为固定频率，易得知，，因此不会出现频谱混叠情况。故可以通过加一个低通滤波还原出调制信号，如图2中所示，重建信号频率也为1kHz，。另外，观察这两幅图还可以看出，经过自然抽样后波形的峰峰值明显变大，这主要是由内部的自然脉冲序列决定的。重建出的信号与原信号相比幅度上略有变大，这是可以通过运放调整的；而且，重建的信号与原信号相比有明显的延时，这是因为实际系统的参数并不是理想化的，系统传递必定会有部分延时。再者，从图1中可以看出抽样序列是由矩形脉冲构成的，占空比大约为1/4。平顶抽样脉冲序列测量准备工作：与自然抽样脉冲序列测量准备工作不同之处是将复接解复接模块内的抽样时钟模式开关KB04设置在左端进行平顶抽样。PAM平顶抽样序列观察；方法同上，记录测量波形，与自然抽样测量结果做比较。平顶抽样重建信号观测；方法同上，与自然抽样测量结果对比分析平顶抽样的测试结果。实验现象记录和分析：图3输入信号和平顶脉冲抽样图4输入信号和平顶脉冲抽样重建信号分析：观察图3，平顶抽样的波形在非抽样时间内其幅度不为0，从抽样后的序列波形可以近似看出原正弦波形状，可以看到这是和自然抽样后的序列波形的一个明显的不同。观察图4，可见重建信号相较于原信号有较为明显的变大，而且和自然抽样相同，重建信号相对于原信号都有都有一定的延时。平顶抽样的波形之所以在非抽样时间内其幅度不为0，而是一个电压值的保持，是因为在CD4066芯片的输入端3A脚接了一个保持电容，不断进行充电放电，使得抽样过程中的电压得以维持。然而自然抽样时2A脚直接进接地，因此在非抽样时间迅速回到了零电平。对于自然抽样和平顶抽样的重建信号幅度不同是由于：自然抽样时，抽样序列是m(t)和脉冲序列直接相乘所得。设脉冲宽度为，幅度为，重复周期为，则脉冲序列p(t)的傅里叶级数表示式为：由上式进行傅里叶变换得脉冲序列的频谱：其中，n=0处的频谱和F（w）相同，只是幅度减小倍。故用理想低通可由此恢复信号得，且。而平顶抽样的频谱应为理想取样信号频谱与的乘积。因此得到，然而，与自然抽样不同的是，此时的不是常数，而是与有关的一个函数。对于幅度为A，宽度为的矩形取样脉冲，有。因此，会引入信号频谱失真，即孔径效应。实际使用时必须在低通滤波器后面附加一个均衡电路加以补偿，才能够无失真地恢复出。因此，显然可以知道二者的重建信号幅度不同的原因了。结合PAM模块的电路图，根据平顶抽样和自然抽样的波形，试分析模拟开关4066控制端的时序图。分析：截取PAM电路图中与芯片CD4066相关的部分。再截取CD4066芯片内部的一个单元，如下：综合两图可见，C为控制端，输出端B的值由输入端A的值决定。当采用自然抽样和平顶抽样时，控制端的值不同，即PAM_CLOCK0、PAM_CLOCK1和PAM_CLOCK2的组合电平不同。具体分析和结果如下：(1)、自然抽样时，使用PAM_CLOCK0和PAM_CLOCK1组合PAM_CLOCK0：…… PAM_CLOCK1:……此时，PAM_CLOCK2始终保持0电平。(2)、平顶抽样时，使用PAM_CLOCK0和PAM_CLOCK2组合PAM_CLOCK0：……PAM_CLOCK2：(高电平)……此时，PAM_CLOCK1始终保持0电平。信号混迭观测准备工作：同PAM自然抽样实验；将跳线开关K702设置在NF（无输入滤波器）位置。分别输入3k，4k，6k，8k，10kHz的正弦波，幅度为2Vp-p，用示波器观测重建信号（TP704）输出时域波形和频域波形图，记录测量波形，分析解释测量结果。实验现象记录和分析：（1）（2）图53kHz输出时域和频域波形图分析：由于此时的输入信号的频率为3kHz，低于抽样频率8kHz的一半，因此几乎无失真地经过末级的低通滤波恢复出原始信号f(t)。但是由于使用的低通滤波器不是理想的低通滤波，如下图所示：实际低通滤波器—335811（正弦波在频域上是脉冲信号。上图中5kHz是—3kHz的频率经过8kHz抽样频谱搬迁后得到的）因此，过滤的频率成分并不完全干净，会剩下3kHz的主要频率和部分5kHz的频率分量。儿从图5的频域图上也可以明显得看到3kHz和5kHz的两种频率，波形有一定程度地失真。所以实际符合理论。（1）（2）（3）（4）图64kHz输出时域和频域波形图分析：此时输入信号为4kHz，已经达到了输入信号频率的临界值。相当于下图：实际低通滤波器48虽然从上图中只能看到一个单一的频率4kHz，但是，实际中使用的低通滤波器并不是理想低通的，而且输入信号也不是严格带限的，这时候取样信号的频谱成分可能出现某些重叠，而这些重叠就成为了混叠误差。而且，实际抽样的信号也不是理想的脉冲，而是近似脉冲的矩形波，频域实际上搬迁不是准确的8kHz。在图6中截取了不同时刻的波形，虽然波形大体上仍然是4kHz，但是幅度再不断变化。这就是混叠噪声造成的。图76kHz输出时域和频域波形图分析： 简单地画出抽样后的频谱图如下：实际低通滤波器-62682kHz处的信号是-6kHz处的信号经过抽样后频谱搬迁得到的。因此从分析中可以看出，2kHz信号可以完整地通过低通滤波器，而6kHz只能通过一部分。此时观察图7,，时域上可以看到清晰的2kHz的重建信号，从频域上看，则是明显的2kHz和较大的6kHz信号能量。所以，实际和理论相匹配。此时观察到的是2kHz和6kHz的混叠。图88kHz输出时域和频域波形图分析：此时输入信号是8kHz，而抽样信号频率也是8kHz，而末端低通滤波器的频率是4kHz左右，因此无论怎样经过频谱的搬迁，8kHz都无法经过低通滤波器输出信号。实际低通滤波器08从图8中也可以观察出，时域图上是十分毛躁的信号，而频域图上也无任何明显的频率分量，因此可以知道根本没有准确地信号从输出端输出，而只有探头和电路内部的噪声输出。图910kHz输出时域和频域波形图分析：与前几个信号类似，10kHz的信号经过在频域上经过频谱的搬迁后可以得到2kHz、6kHz等等频率分量，经过实际的低通滤波器以后，剩下低频，如FFT中所示，与下图分析一致。实际低通滤波器-226810总分析：跳线开关K702用于选择输入滤波器，当K702设置在滤波位置时（左端），送入到抽样电路的信号经过3400Hz的低通滤波器；当K702设置在直通位置时（右端），信号不经过抗混迭滤波器直接送到抽样电路，其目的是为了观测混迭现象。由于正弦波在频域上的形状是冲激信号，而它在时域上被抽样后，又相当于频域上的冲激信号被搬迁，会出现不同的频率分量。而且，由于采用的低通滤波器不是理想的低通，有部分略大于4kHz的频率也可以被输出，形成不同频率混叠的信号。实验结论1、自然抽样频率为8kHz，非抽样时期电平值为零。重建信号的电压值略大于原信号。2、平顶抽样频率为8kHz，非抽样时期电平值保持抽样后的值。重建信号的电压值大于原信号。3、抽样频率时，才能