实验三_抽样定理和PAM调制解调实验

实验三抽样定理和PAM调制解调实验一、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。二、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、①号模块一块3、60M双踪示波器一台4、连接线若干四、实验原理（一）基本原理1、抽样定理抽样定理表明：一个频带限制在（0，Hf）内的时间连续信号()mt，如果以T≤Hf21秒的间隔对它进行等间隔抽样，则()mt将被所得到的抽样值完全确定。假定将信号()mt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()mt的值，它表示对函数()mt的抽样。若用()mts表示此抽样函数，则有：()()()sTmtmtt图3-1抽样与恢复假设()mt、()Tt和()smt的频谱分别为()M、()T和()sM。按照频率卷积定理，()mt()Tt的傅立叶变换是()M和()T的卷积：1()()()2sTMM因为2()TTsnnTTs2所以1()()()sTsnMMnT由卷积关系，上式可写成1()()ssnMMnT该式表明，已抽样信号()mts的频谱()Ms是无穷多个间隔为ωs的()M相迭加而成。这就意味着()Ms中包含()M的全部信息。需要注意，若抽样间隔T变得大于Hf21，则()M和()T的卷积在相邻的周期内存在重叠（亦称混叠），因此不能由()Ms恢复()M。可见，HfT21是抽样的最大间隔，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Hf之间，而是限制在Lf（信号的最低频率）与Hf（信号的最高频率）之间（带通型连续信号），那么，其抽样频率sf并不要求达到Hf2，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sf≥2B（无混叠）和sf＜2B（有混叠）时两种情况下冲激抽样信号的频谱。(a)连续信号的频谱（b）高抽样频率时的抽样信号及频谱（无混叠）（c）低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）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，0sTt()sftmmss()sF1ST1000mm()Ft()ft10tST1mmss()sF0sT()sft研究窄脉冲作为脉冲载波的PAM方式，将具有实际意义。自然抽样平顶抽样)(tm)(tT图3-3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。五．实验步骤1、将信号源模块、模块1固定在主机箱上。双踪示波器，设置CH1通道为同步源。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1的电源开关拨下，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3V左右。2）将信号源上S4设为“1010”，使“CLK1”输出32K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:“PAMCLK”提供抽样时钟*检查连线是否正确，检查无误后打开电源5）用示波器在“自然抽样输出”处观察PAM自然抽样波形。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3V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（实验中的电路，NRZ为“1”时抽样，为“0”时保持。在平顶抽样中，抽样脉冲为窄脉冲）。c)将K1设为“平顶”。关闭电源，按下列方式进行连线。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d)打开电源,用双踪示波器,同时观察模拟信号”PAM-SIN”及”平顶抽样输出”波形.5、改变抽样时钟频率”clk1”,分别取2K与4K，观测自然抽样信号，用双踪示波器同时观察模拟信号”PAM-SIN”及”自然抽样输出”波形.验证抽样定理。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:“PAM-SIN”提供被抽样信号信号源：“CLK1”模块1:“PAMCLK”提供抽样时钟模块1:“自然抽样输出”模块1:“IN”将PAM信号进行译码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。7、将信号源产生的音乐信号输入到模块1的“PAM-SIN”，“自然抽样输出”和“IN”相连，PAM解调信号输出到信号源上的“音频信号输入”，通过扬声器听语音，感性判断该系统对话音信号的传输质量。六、思考练习解答1、简述平顶抽样和自然抽样的原理及实现方法。自然抽样原理图自然采样时域和频域波形用理想低通滤波器恢复原始信号。采用平顶抽样的PAM调制信号的框图及信号的波形平顶抽样信号的恢复2、在抽样之后，调制波形中包不包含直流分量，为什么？在抽样之后已调的波形并不带有直流分量，这是由于在离散点取值，使得直流分量被滤除。3、为什么采用低通滤波器就可以完成PAM解调？低通滤波器采用的是均匀滤波，它的抽样频率fs不小于2fh，这样就不会发生混叠现象了。通过低通滤波器就可截取出这一段的波形，这样就已经可以还原波形完成PAM调制了。七、实验感悟通过脉冲幅度调制实验，我对脉冲幅度调制的原理有了更深层次的理解，在这次实验中，抽样定理起着指导性的作用，这也是对之前学过的知识进行巩固和验证通过对电路组成、波形和所测数据的分析，加深我对这种调制方式优缺点的理解。