抽样定理和脉冲调幅实验

实验二抽样定理和脉冲调幅(PAM)实验一、实验目的通过本实验，学生应达到以下要求：1、观察并了解PAM信号形成、平顶展宽、解调和滤波等过程；2、验证并理解抽样定理，掌握对频谱混叠现象的分析方法；3、观察时分多路系统中非理想信道之间的路际串话现象，分析并掌握其形成原因。二、实验内容本实验课完成以下实验内容： 采用专用集成抽样保持开关完成对输入信号的抽样； 多种抽样时隙的产生；采用低通滤波器完成对PAM信号的解调；测试出入信号频率与抽样频率之间的关系，观察频谱混叠现象，验证抽样定理；多路脉冲条幅(PAM)；观察并测试时分多路PAM信号和高频串话。三、实验原理在通信技术中为了获取最大的经济效益，就必须充分利用信道的传输能力，扩大通信容 量。因此，采取多路化制式是极为重要的通信手段。最常用的多路复用体制是频分多路复用 ( FDM) 通信系统和时分多路复用( TDM) 通信系统。频分多路技术是利用不同频率的正弦 载波对基带信号进行调制，把各路基带信号频谱搬移到不同的频段上，在同一信道上传输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，抽样后的信号好称为 脉冲调幅信号。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。抽样定理 fs2fh，才能从抽样信号中可以无失真的恢复出原信号。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。数字通信系统是以此定 理作为理论基础的。在工作设备中，抽样过程是模拟信号数字化的第一步。抽样性能的优劣 关系到整个系统的性能指标。语音信号语音信号图 2-1 单路 PCM 系统示意图作为例子，图2-1示意地画出了传输一路语音信号的PCM系统。从图中可以看出要实现对语音的PCM编码，首先就要对语音信号进行抽样,然后才能进行量化和编码。 因此，抽样过程是语音信号数字化的重要环节，也是一切模拟信号数字化的重要环节。为了让实验者形象地观察抽样过程，加深对抽样定理的理解，本实验提供了一种典型的 抽样电路。除此，本实验还模拟了两路PAM通信系统，从而帮助实验者初步了解时分多路的 通信方式。1、抽样定理抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)如果它的最高频率为fH(即卩m(t)的频谱中没有 fH以上的分量)，可以唯一地由频率等于或大于2fH的样值序列所决定。因此，对于一个最 高频率为3400Hz的语音信号m(t),可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示。抽 样频率fs和语音信号m(t)的频谱如图2-2和图2-3所示。由频谱可知，用截止频率为切 的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m(t),这就说明了抽样定理的正确性。实际上，考虑到低通滤波器特性不可能理想，对最高频率为3400Hz的语音信号，通常 采用8KHz抽样频率，这样可以留出1200Hz的防卫带，见图2-4。如果fsV2fH，就会出现 频谱混迭的现象，如图 2-5 所示。图 2-3 语言信号的抽样频谱和抽样信号的频谱在验证抽样定理的实验中，我们用单一频率fH的正弦波来代替实际的语音信号，采用 标准抽样频率fs=8KHz,改变音频信号的频率fH,分别观察不同频率时，抽样序列和低通滤波 器的输出信号，体会抽样定理的正确性。图2-5 fsV2fH时语音信号的抽样频谱验证抽样定理的实验方框如图 2-6 所示。在图 2-8 中，连接(8)和(14)，就构成了抽样 定理实验电路。抽样电路采用场效应晶体管开关电路。抽样门在抽样脉冲的控制下以每秒八 千次的速度开关。T1为结型场效应晶体管，T2为驱动三极管。当抽样脉冲没来时，驱动三 极管处于截止状态，-5V电压加在场效应晶体管栅极G,只要G极电位负于源极S的电位， 并且|UGS|UP|，则场效应晶体管处于夹断状态，输出信号为0”抽样脉冲来时，驱动三 极管导通，发射极+5V电压加到驱动二极管，使之反向偏置。从截止到导通的跳变电压经跨 接在二极管两端的电容加到场效应晶体管的G极。使栅极、源极之间的电压迅速达到场效应 晶体管导通的数值，并一直达到使源极电压等于漏极上的模拟电压。这样，抽样脉冲期间模 拟电压经场效应晶体管开关加到负载上。由于抽样电路的负载是一个电阻，因此抽样的输出 端能得到一串脉冲信号。此脉冲信号的幅度与抽样时输入信号的瞬时值成正比例，脉冲的宽 度与抽样脉冲的宽度相同。这样，脉冲信号就是脉冲调幅信号。当抽样脉冲宽度远小于抽样 周期时，电路输出的结果接近于理想抽样序列。由图 2-6可知，用一低通滤波器即可实现模 拟信号的恢复。为便于观察，解调电路由射随、低通滤波器和放大器组成，低通滤波器的截 止频率为 3400Hz。图 2-6 抽样定理实验方框图2、多路脉冲调幅（PAM信号的形成和解调）多路脉冲调幅的实验框图如图2-7 所示。在实验板上连接插孔（8）和（11）、插孔（2）-（12）（如果在插孔4输入模拟信号）或（3）-（12）（如果在插孔5 输入模拟信号）、插孔（13）和（14）就构成了多路脉冲调幅实验电路。分路抽样电路的作用是：将在时间上连续的语音信号经脉冲抽样形成时间上离散的脉冲调 幅信号。n路抽样脉冲在时间上是互不交叉、顺序排列的。各路的抽样信号在多路汇接的公 共负载上相加便形成合路的脉冲调幅信号。本实验设置了两路分路抽样电路。图 2-7 多路脉冲调幅实验框图多路脉冲调幅信号进入接收端后，由分路选通脉冲分离成 n 路，亦即还原出单路 PAM信号。发送端分路抽样与接收端分路选通是一一对应的，这是依靠它们所使用的定时脉冲的对应关系决定的。为简化实验系统，本实验的分路选通脉冲直接利用该路的分路抽样脉冲经适当延迟获得。接收端的选通电路也采用结型场效应晶体管作为开关元件,但输出负载不是电阻而是电容。采用这种类似于平顶抽样的电路是为了解决PAM解调信号的幅度问题。由于时分多路的需要，分路脉冲的宽度T s是很窄的。当占空比为T s/Ts的脉冲通过话路低通滤波器后，低通滤波器输出信号的幅度很小。这样大的衰减带来的后果是严重的。但是，在分路选通后加入保持电容，可使分路后的PAM信号展宽到100%的占空比，从而解决信号幅度衰减过大的问题。但我们知道平顶抽样将引起固有的频率失真。PAM信号在时间上是离散的，但在幅度上却是连续的。而在PCM系统里，PAM信号只有 在被量化和编码后才有传输的可能。本实验仅提供一个PAM系统的简单模式。3、多路脉冲调幅系统中的路际串话路际串话是衡量多路系统的重要指标之一。路际串话是指在同一时分多路系统中，某一 路或某几路的通话信号串扰到其它话路上去，这样就产生了同一端机中的各路通话之间的串 话。串话分可懂串话和不可懂串话,前者造成失密或影响正常通话；后者等于噪声干扰。对 路际串话必须设法防止。一个实用的通话系统必须满足对路际串话规定的指标。在一个理想的传输系统中，各路PAM信号应是严格地限制在本路时隙中的矩形脉冲。但 如果传输PAM信号的通道频带是有限的，则PAM信号就会出现“拖尾”的现象，当“拖尾” 严重，以至侵入邻路隙时，就产生了路际串话。在考虑通道频带高频端时，可将整个通道简化为图19 所示的低通网络，它的上截止 频率为：f =1/(2n RC)1 1 1图 2-9 通道的低通等效网络为了分析方便，设第一路有幅度为V的PAM脉冲，而其它路没有。当矩形脉冲通过图 2-9(a)所示的低通网络，输出波形如图2-9(b)所示。脉冲终了时，波形按R1C时间常数指 数下降。这样，就有了第一路脉冲在第二路时隙上的残存电压一一串话电压U,这种由于 信道的高频响应不够引起的路际串话就叫做高频串话。当考虑通道频带的低频端时，可将通道简化为图1一10所示的高通网络。它的下截止频 率为：f=1/(2n RC)2 2 2由于R2C2t ，所以，当脉冲通过图2-10(a)所示的高通网络后，输出波形如图2-10(b) 所示。长长的“拖尾”影响到相隔很远的时隙。若计算某一话路上的串话电压，则需要计算 前n路对这一路分别产生的串话电压，积累起来才是总的串话电压。这种由于信道的低频响 应不够而引起的路际串话就叫做低频串话。解决低频串话是一项很困难的工作。t-（b）图 2-10 通道的高频等效网络限于实验条件，本实验只模拟了高频串话的信道。 以上几部分电路所需要的定时脉冲均由图2-8 中的定时电路提供。四、实验仪器双踪同步示波器三20MHz1台直流稳压电源+5V-5V+12V1台低频信号发生器输出频率范围满足 50Hz-8KHz输出电压范围满足0-5V （峰峰值）1 台PAM 实验箱1台数字频率计测量频率范围 50Hz10MHz1 台万用表1台五、实验内容（一）、电源检查使用万用表检测试验箱的电源接入点和GND之间是否有短路现象，如果有则禁止继续实 验。在实验箱中使用了7805、7905和 7812芯片来保护实验版电子元器件，由于稳压器需要 一定的电压差，故电路板上+5V, -5V, +12V的电源需要由+7V, -7V,+14V的电源痛过稳压来 提供。三组电源的接入点请参考电路板上的印刷文字。在连接电源和实验箱之前,一定要先确认三组电源的电压极性和电压值正确,在确认完全无误之前不允许将实验箱和电源连接,另外在连接实验箱和电源时请务必关断电源开关（二）抽样和分路脉冲的形成用示波器和频率计观察并核对各脉冲信号的频率、波形及脉冲宽度,并记录相应的波形。的频率、幅度和占空比；2、在测试点(6)观察分路抽样脉冲(1-1)；记录并计算分路信号1 的频率、幅度和占空 比；3、在测试点(7)观察分路抽样脉冲(2-1)，记录并计算分路信号2 的频率、幅度和占空比；用双踪示波器同时观察测试点(7)与测试点(6)处信号，比较两者的区别，记录 两信号在时间上的间隔。(三) 验证抽样定理1、用低频信号发生器从插孔(4)输入正弦信号，fs=lKHz，幅度2VP-P，用示波器测量 输入信号的频率。2、以测试点(4)作双踪同步示波器的同步信号，观察测试点(8)抽样后形成的PAM信号。 调整示波器触发电平，使PAM信号在示波器上现示稳定。观察并记录PAM信号，计算在一个 信号周期内的抽样次数。核对抽样次数和信号频率与抽样频率的关系。3、连接(8)(14)，在(15)观察经低通滤波器和放大器的解调信号。测量并记录其频率、(四) PAM 信号的形成和解调断开实验内容(二)中的连接线，连接(8)(11)、(13)(14)、(2)(12)。1、在(4)输入正弦信号，fH=2KHz,幅度1.5Vp-p。2、以(4)作为双踪同步示波器的同步信号，在(8)观察并记录单路PAM信号4、在(15)观察经低通滤波器放大后的音频信号5、保持输入信号的幅度，改变输入正弦信号的频率(fmax3.4KHz)在(15)测量整个系统的 频率特性。六、实验报告1、整理实验数据，画出相应的曲线和波形。2、根据实验结果记录并绘制不同频率的信号(输入信号频率分别为f4KHz的音 频信号)经抽样后形成的 PAM 信号，以及 PAM 信号经低通滤波器后产生出的音频信号。分析并判断解调信号与原始信号的对应关系。3、根据实验记录，分析时分多路PAM系统中的串话现象。4、本实验在 8 和 13 得到的是哪一类抽样波形？从理论上对理想抽样，自然抽样，平顶抽 样进行对比和说明。解：在8和 13处得到的是脉冲调幅信号抽样波形。理想抽样用脉冲序列进行抽样。平顶抽 样和自然抽样是用矩形脉冲进行抽样，即抽样在一小段时间内进行，其不同之处是：自然抽 样的顶端是跟模拟波形一样的。而平顶抽样的顶端是平的。5、对实验内容（三）进行讨论。当2fsfH和2fsvfH时，低通滤波器输出的波形是什么？试总结一般规律。解：低通滤波器输出的波形与原信号波形具有一样的频率，但幅度不一样。当fs2fH时，能恢复出原信号，只是幅度改变了。6、实验内容（五）中的2,3,4项内容有什么区别？分析影响串话的主要因素。根据本事按 电路的元件数据计算信道上的截止频率。7、通过本实验还有什么收获和体会？