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实验报告（一）实验日期：2020年4月26日；时间：19:00实验项目：信源编码技术实验使用仪器及装置：仪器：示波器，连接线，装置：主控&信号源模块、3号、21号模块（各一块）实验内容：一、抽样定理实验1、实验目的（1）了解抽样定理在通信系统中的重要性。（2）掌握自然抽样及平顶抽样的实现方法。（3）理解低通采样定理的原理。（4）理解实际的抽样系统。（5）理解低通滤波器的幅频特性对抽样信号恢复的影响。（6）理解低通滤波器的相频特性对抽样信号恢复的影响。（7）理解带通采样定理的原理。2、实验原理（1）实验原理框图抽样定理实验框图（2）实验框图说明抽样信号由抽样电路产生。将输入的被抽样信号与抽样脉冲相乘就可以得到自然抽样信号，自然抽样的信号经过保持电路得到平顶抽样信号。平顶抽样和自然抽样信号是通过开关S1切换输出的。抽样信号的恢复是将抽样信号经过低通滤波器，即可得到恢复的信号。这里滤波器可以选用抗混叠滤波器（8阶3.4kHz的巴特沃斯低通滤波器）或FPGA数字滤波器（有FIR、IIR两种）。反sinc滤波器不是用来恢复抽样信号的，而是用来应对孔径失真现象。3、实验步骤实验项目一抽样信号观测及抽样定理验证概述：通过不同频率的抽样时钟，从时域和频域两方面观测自然抽样和平顶抽样的输出波形，以及信号恢复的混叠情况，从而了解不同抽样方式的输出差异和联系，验证抽样定理。1、登录e-Labsim仿真系统，创建实验文件，选择实验所需模块和示波器。2、运行仿真，开启所有模块的电源开关。3、开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。调节主控模块的W1使A-out输出峰峰值为3V。4、此时实验系统初始状态为：被抽样信号MUSIC为幅度4V、频率3K+1K正弦合成波。抽样脉冲A-OUT为幅度3V、频率9KHz、占空比20%的方波。5、实验操作及波形观测。（1）调用示波器观测自然抽样前后的信号波形：设置开关S13#为“自然抽样”档位，用示波器CH1和CH2分别接MUSIC主控&信号源和抽样输出3#。（2）调用示波器观测平顶抽样前后的信号波形：设置开关S13#为“平顶抽样”档位，用示波器CH1和CH2分别接MUSIC主控&信号源和抽样输出3#。（3）调用示波器观测并对比抽样恢复后信号与被抽样信号的波形：设置开关S13#为“自然抽样”档位，用示波器观测MUSIC主控&信号源和LPF-OUT3#，以100Hz的步进减小A-OUT主控&信号源的频率，比较观测并思考在抽样脉冲频率多小的情况下恢复信号有失真。在抽样脉冲频率小于6.6khz的情况下恢复信号有失真。实验项目二滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响概述：该项目是通过改变不同抽样时钟频率，分别观测和绘制抗混叠低通滤波和fir数字滤波的幅频特性曲线，并比较抽样信号经这两种滤波器后的恢复效果，从而了解和探讨不同滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响。1、测试抗混叠低通滤波器的幅频特性曲线。（1）重新连线。（2）开电，设置主控模块，选择【信号源】→【输出波形】和【输出频率】，通过调节相应旋钮，使A-OUT主控&信号源输出频率5KHz、峰峰值为3V的正弦波。（3）此时实验系统初始状态为：抗混叠低通滤波器的输入信号为频率5KHz、幅度3V的正弦波。（4）实验操作及波形观测。用示波器观测LPF-OUT3#。以100Hz步进减小A-OUT主控&信号源输出频率，观测并记录LPF-OUT3#的频谱。记入如下表格：A-OUT频率/Hz基频幅度/V5K0…04.5K03.9K0.053.8K0.283.7K13.6K23.5K2.8A-OUT频率/Hz基频幅度/V3.4K33.3K3......3…由上述表格数据，画出模拟低通滤波器幅频特性曲线。思考：对于3.4KHz低通滤波器，为了更好的画出幅频特性曲线，我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小？答：低通滤波器的截止频率为3.4kHz，则如果选取0.68kHz的整数倍测幅频得到的曲线会更接近理论，可将信号源输入频率的步进值调整为680Hz。2、测试fir数字滤波器的幅频特性曲线。（1）按下面表格所示重新连线。（2）开电，设置主控菜单：选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。调节【信号源】，使A-out输出频率5KHz、峰峰值为3V的正弦波。（3）此时实验系统初始状态为：fir滤波器的输入信号为频率5KHz、幅度3V的正弦波。（4）实验操作及波形观测。用示波器观测译码输出3#，以100Hz的步进减小A-OUT主控&信号源的频率。观测并记录译码输出3#的频谱。记入如下表格：A_out的频率/Hz基频幅度/V5K04.1K0.0254K0.063.9K0.153.8K0.33.7K0.5A_out的频率/Hz基频幅度/V3.6K0.83.5K13.4K1.53.3K1.93.2K23.1K2.23K32.5K32K3…3由上述表格数据，画出fir低通滤波器幅频特性曲线。?思考：对于3KHz低通滤波器，为了更好的画出幅频特性曲线，我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小？答：调整信号源输入频率的步进值为600Hz,能更好的画出幅频特性曲线。3、分别利用上述两个滤波器对被抽样信号进行恢复，比较被抽样信号恢复效果。（1）按下面表格所示重新连线。（2）开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。（3）此时实验系统初始状态为：待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波，抽样时钟信号A-OUT为频率9KHz、占空比20%的方波。（4）实验操作及波形观测。对比观测不同滤波器的信号恢复效果：用示波器分别观测LPF-OUT3#和译码输出3#，以100Hz步进减小抽样时钟A-OUT的输出频率，对比观测模拟滤波器和FIR数字滤波器在不同抽样频率下信号恢复的效果。（频率步进可以根据实验需求自行设置。）思考：不同滤波器的幅频特性对抽样恢复有何影响？①模拟滤波器②数字滤波器答：模拟滤波器更逼近幅频特性的曲线，而数字滤波器可以实现相位的匹配实验项目三滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响。概述：该项目是通过改变不同抽样时钟频率，从时域和频域两方面分别观测抽样信号经fir滤波和iir滤波后的恢复失真情况，从而了解和探讨不同滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响。1、观察被抽样信号经过fir低通滤波器与iir低通滤波器后，所恢复信号的频谱。（1）按下面表格所示重新连线。（2）开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。（3）此时实验系统初始状态为：待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波，抽样时钟信号A-OUT为频率9KHz、占空比20%的方波。（4）实验波形观测。a、观测信号经fir滤波后波形恢复效果：设置主控模块菜单，选择【抽样定理】→【FIR滤波器】；设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为7.5KHz；用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形和频谱。b、观测信号经iir滤波后波形恢复效果：设置主控模块菜单，选择【抽样定理】→【IIR滤波器】；设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为7.5KHz；用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形和频谱。c、探讨被抽样信号经不同滤波器恢复的频谱和时域波形：被抽样信号与经过滤波器后恢复的信号之间的频谱是否一致？如果一致，是否就是说原始信号能够不失真的恢复出来？用示波器分别观测fir滤波恢复和iir滤波恢复情况下，译码输出3#的时域波形是否完全一致，如果波形不一致，是失真呢？还是有相位的平移呢？如果相位有平移，观测并计算相位移动时间。注：实际系统中，失真的现象不一定是错误的，实际系统中有这样的应用。分析：比较上面步骤a和b的测试波形，可以看到FIR滤波恢复输出信号的时域波形与原始被抽样信号的时域波形基本一致，略有一点点失真，而IIR滤波恢复输出信号的时域波形则出现很明显的失真。从幅度谱测试图比较可知，恢复信号中都只含有1KHz和3KHz的谱线，而时域中FIR滤波恢复波形和IIR滤波恢复波形有差别，是因为1KHz和3KHz谱线经过这两种滤波器后分别有不同的相移，导致1KHz和3KHz的相位关系与原始被抽样信号中的不同，从而在时域上表现出的波形不同。2、观测相频特性（1）重新连线。（2）开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。（3）此时系统初始实验状态为：A-OUT为频率9KHz、占空比20%的方波。（4）实验操作及波形观测。对比观测信号经fir滤波后的相频特性：设置【信号源】使A-OUT输出频率为5KHz、峰峰值为3V的正弦波；以100Hz步进减小A-OUT输出频率，用示波器对比观测A-OUT主控&信号源和译码输出3#的时域波形。相频特性测量就是改变信号的频率，测输出信号的延时（时域上观测）。记入如下表格：A-OUT的频率/Hz被抽样信号与恢复信号的相位延时/ms3.5K0.013.4K0.0253.3K0.05…二、PCM编译码实验1、实验目的（1）掌握脉冲编码调制与解调的原理。（2）掌握脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。（3）了解脉冲编码调制信号的频谱特性2、实验原理（1）实验原理框图3号模块的PCM编译码实验（2）实验框图说明图2-1中描述的是采用软件方式实现PCM编译码，并展示中间变换的过程。PCM编码过程是将音乐信号或正弦波信号，经过抗混叠滤波（其作用是滤波3.4kHz以外的频率，防止A/D转换时出现混叠的现象）。抗混滤波后的信号经A/D转换，然后做PCM编码，之后由于G.711协议规定A律的奇数位取反，μ律的所有位都取反。因此，PCM编码后的数据需要经G.711协议的变换输出。PCM译码过程是PCM编码逆向的过程，不再赘述。3、实验步骤实验项目一PCM编码规则验证概述：该项目是通过改变输入信号幅度或编码时钟，对比观测A律PCM编译码和μ律PCM编译码输入输出波形，从而了解PCM编码规则。1、登录e-Labsim仿真系统，创建实验文件，选择实验所需模块和示波器。2、进行连线。3、运行仿真，开启所有模块的电源开关。4、设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【PCM编码】→【A律编码观测实验】。调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。5、此时实验系统初始状态为：设置音频输入信号为峰峰值3V，频率1KHz正弦波；PCM编码及译码时钟CLK为64KHz；编码及译码帧同步信号FS为8KHz。6、实验操作及波形观测。（1）调用示波器，以FS为触发，观测编码输入波形。（2）调用示波器，以FS为触发观察PCM量化输出波形。（3）调用示波器，以FS为触发，观察并记录PCM编码的A律编码输出波形，填入下表中。（4）再通过主控中的模块设置，把3号模块设置为【PCM编译码】→【μ律编码观测实验】，重复步骤（1）（2）（3）。将记录μ律编码相关波形，填入下表中。A律波形μ律波形帧同步信号编码输入信号A律波形μ律波形PCM量化输出信号PCM编码输出信号（5）对比观测编码输入信号和译码输出信号。思考1：改变基带信号幅度时，波形是否变化？改变时钟信号频率时，波形是否发生变化？答：是思考2：当编码输入信号的频率大于3400Hz或小于300Hz时，分析脉冲编码调制和解调波形。答：当编码输入信号的频率大于3400Hz或者小于300Hz时，脉冲编码调制和解调波形幅度大幅减小，甚至消失。实验项目二PCM编码时序观测概述：该项目是从时序角度观测PCM编码输出波形。1、连线和主菜单设置同实验项目一。2、调用示波器观测FS信号与编码输出信号，并记录二者对应的波形。思考：为什么实验时观察到的PCM编码信号码型总是变化的？答:因为PCM编码时真正的数字编码，它将每个通道的指令数字化了，比如脉冲有1ms到2ms的变化，在PCM编码里用模数转换成1和0的数字码，再发出去。所以观察到的PCM编码信号码型总是变