抽样定理和PAM调制解调实验Word格式文档下载.docx
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1、信号源模块一块2、①号模块一块3、20M双踪示波器一台4、连接线若干
三、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,fH)内的时间连续信号m(t,如果以T≤的间隔对它进行等间隔抽样,则m(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δT(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ms(t表示此抽样函数,则有:
1
秒2fH
ms(t=
m(tδT(t
图3-1抽样与恢复
假设m(t、δT(t和ms(t的频谱分别为M(ω、δT(ω和Ms(ω。
按照频率卷积定理,m(t
δT(t的傅立叶变换是M(ω和δT(ω的卷积:
Ms(ω=
[M(ω*δT(ω]2π
2π
因为δT=
T
ωs=
n=-∞
∑δ
∞
(ω-nωs
2πT
1⎡⎤
所以Ms(ω=⎢M(ω*∑δT(ω-nωs⎥
T⎣n=-∞⎦
由卷积关系,上式可写成
1∞
Ms(ω=∑M(ω-nωs
Tn=-∞
该式表明,已抽样信号ms(t的频谱Ms(ω是无穷多个间隔为ωs的M(ω相迭加而成。
这就意味着Ms(ω中包含M(ω的全部信息。
需要注意,若抽样间隔T变得大于
,则M(ω和δ(ω的卷积在相邻的周期内存
T2fH
是抽样的最大间隔,2fH
在重叠(亦称混叠),因此不能由Ms(ω恢复M(ω。
可见,T=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<2B(有混叠)时两种情况下冲激抽样信号的频谱。
(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,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
m(t
平顶抽样
δT(t
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。
(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
04
图3-5脉冲幅度调制电路原理图
(三)实验电路工作原理
1、PAM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;
ViMCTR
MREF
图3-6LF398的内部电路结构
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3-7PAM解调滤波电路
四、实验步骤及注意事项
1、将信号源模块、模块1固定在主机箱上,将黑色塑封螺钉拧紧,确保电源接触良好。
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4V左右。
图3-4-12K同步正弦波
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
表3-4-1PAM自然抽样连接方式
*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。
图3-4-2PAM自然抽样输出
波形分析:
这里用自然抽样脉冲对正弦波进行抽样,自然抽样的抽样脉冲顶部是随
原始信号变化而变化的。
则PAM波形的脉冲的顶部随包络变化,其在一个周期内均值为0,不含直流成分。
5、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4V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。
表3-4-2PAM平顶抽样连线方式
d打开电源,用示波器在“平顶抽样输出”处观察平顶抽样波形。
图3-4-32K同步正弦波
图3-4-4平顶抽样输出
此处是用平顶抽样得到的图形。
波形上来看,平顶抽样较自然抽样的不
同之处在于抽样脉冲的顶部都是平坦的矩形脉冲,矩形脉冲的抽样值就是其脉冲幅度,他有保持原来电平的能力,故能出现平定的波形。
在实际中,平顶抽样的PAM信号
常常采用抽样保持电路来实现,得到的脉冲为矩形脉冲。
但原理上,只要能够反映瞬时抽样值的任意脉冲形式都是可以被采用的。
这里的PAM波形顶部顶部不随包络变
化,波形与同步正弦波保持一致。
同样在一个周期内积分为0,不汗直流成分。
平顶抽样其输出信号频谱
应为:
自然抽样的网络函数为:
H(ω=∫h(te-jwtdt=τSa(ωt/2
6、改变抽样时钟频率,观测自然抽样信号,验证抽样定理。
图3-4-52K抽样时的自然抽样PAM输出
由抽样定理可知:
在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率fs.max
大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>
=2fmax,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息,一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5~10倍;
这个频率就是奈奎斯特抽样频率。
本实验中,当抽样频率为32K时,大于正弦信号的2倍,故最终能正常还原,而当抽样信号变为2K时,不满足奈奎斯特抽样频率,此时会发生波形失真,如图3-4-5所示。
7、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,按如下方式连线表3-4-3源端口信号源:
“2K同步正弦波”信号源:
“CLK1”模块1:
“自然抽样输出”原始与解调信号的比较连接方式目标端口模块1:
“PAM-SIN”模块1:
“PAMCLK”模块1:
“IN”连线说明提供被抽样信号提供抽样时钟将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。
图3-4-6原始信号与调制信号的比较波形分析:
从上图中可以清楚的看到,输入的原始波形和解调出来的波形发生了相位延时,而且幅度有所下降。
幅度减小是因为元器件中有损耗,可以通过后级放大消除。
相位延时是由于中间的滤波器导致的相位差。
将原始信号通过低通滤波器,滤除高频分量,最终出来的即可还原原始波形。
8、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。
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