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通信原理综合实验箱抽样定理及其应用实验

  一、实验目的
1.通过对模拟信号抽样的实验,加深对抽样定理的理解;
2.通过PAM调制实验,使学生能加深理解脉冲幅度调制的特点;
3.学习PAM调制硬件实现电路,掌握调整测试方法。

二、实验仪器
1.PAM脉冲调幅模块,位号:H
2.时钟与基带数据发生模块,位号:G
3.20M双踪示波器1台
4.频率计1台
5.小平口螺丝刀1只
6.信号连接线3根

三、实验原理
抽样定理告诉我们:如果对某一带宽有限的时间连续信号(模拟信号)进行抽样,且抽样速率达到一定数值时,那么根据这些抽样值就能准确地还原原信号。这就是说,若要传输模拟信号,不一定要传输模拟信号本身,可以只传输按抽样定理得到的抽样值。
通常,按照基带信号改变脉冲参量(幅度、宽度和位置)的不同,把脉冲调制分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)。虽然这三种信号在时间上都是离散的,但受调参量是连续的,因此也都属于模拟调制。关于PDM和PPM,国外在上世纪70年代研究结果表明其实用性不强,而国内根本就没研究和使用过,所以这里我们就不做介绍。本实验平台仅介绍脉冲幅度调制,因为它是脉冲编码调制的基础。
抽样定理实验电路框图,如图1-1所示。

抽样的实验过程结构示意图

图1-1 抽样的实验过程结构示意图

本实验中需要用到以下5个功能模块。
1.非同步函数信号或同步正弦波发生器模块:它提供各种有限带宽的时间连续的模拟信号,并经过连线送到“PAM脉冲调幅模块”,作为脉冲幅度调制器的调制信号。P03/P04测试点可用于调制信号的连接和测量;另外,如果实验室配备了电话单机,也可以使用用户电话模块,这样验证实验效果更直接、更形象,P05/P07测试点可用于语音信号的连接和测量。
2.抽样脉冲形成电路模块:它提供有限高度,不同宽度和频率的的抽样脉冲序列,并经过连线送到“PAM脉冲调幅模块”, 作为脉冲幅度调制器的抽样脉冲。P09测试点可用于抽样脉冲的连接和测量。该模块提供的抽样脉冲有同步和非同步两种,同步的抽样脉冲是频率为8KHz,占空比为50%或近似50%的矩形脉冲;非同步的抽样脉冲由555定时器产生,其频率通过W05连续可调。
3.PAM脉冲调幅模块:它采用模拟开关CD4066实现脉冲幅度调制。抽样脉冲序列为高电平时,模拟开关导通,有调制信号输出;抽样脉冲序列为低电平,模拟开关断开,无信号输出。因此,本模块实现的是自然抽样。在32TP01测试点可以测量到已调信号波形。
调制信号和抽样脉冲都需要外接连线输入。已调信号经过PAM模拟信道(模拟实际信道的惰性)的传输,从32P03铆孔输出,它可能会产生波形失真。 PAM模拟信道电路示意图如图1-2所示,32W01(R1)电位器可改变模拟信道的传输特性,当R1C1=R2C2时,PAM已调信号理论上无失真。
4.接收滤波器与功放模块:接收滤波器是数字低通滤波器,它的作用是恢复原调制信号。数字低通滤波器的截止频率受工作时钟控制,它由4SW02的置位确定。铆孔P14是接收滤波器与功放的输入端,实验时需用外接导线将32P03与P14连接。
5.时钟与基带数据发生模块:它提供系统工作时钟和接收数字低通滤波器工作时钟。接收数字低通滤波器截止频率的设置由该模块中微型连排拨动开关4SW02置位确定。
     PAM信道仿真电路示意图            
图1-2 PAM信道仿真电路示意图

最后强调说明:实际应用的抽样脉冲和信号恢复与理想情况有一定区别。理想抽样的抽样脉冲应该是冲击脉冲序列,在实际应用中,这是不可能实现的。因此一般是用高度有限、宽度较窄的窄脉冲代替,本实验中提供的抽样脉冲,是频率为8KHz,占空比为50%或近似50%的矩形脉冲或由555定时器产生的频率连续可调的脉冲。另外,实际应用中使信号恢复的滤波器不可能是理想的。当滤波器特性不是理想低通时,抽样频率不能就等于被抽样信号频率的2倍,否则会使信号失真。考虑到实际滤波器的特性,抽样频率要求选得较高。
由于PAM通信系统的抗干扰能力差,目前很少实用。它已被性能良好的脉冲编码调制(PCM)所取代。
  
四、可调元件及测量点的作用
32P01:模拟信号输入连接铆孔。
32P02:抽样脉冲信号输入连接铆孔。
32TP01:输出的抽样后信号测试点。
32P03:经仿真信道传输后信号的输出连接铆孔。
32W01:仿真信道的特性调节电位器。

五、实验内容及步骤
1.插入有关实验模块:
在关闭系统电源的条件下,将“时钟与基带数据发生模块”、“PAM脉冲幅度调制模块”,插到底板“G、H”号的位置插座上(具体位置可见底板右下角的“实验模块位置分布表”)。注意模块插头与底板插座的防呆口一致,模块位号与底板位号的一致。
2.信号线连接:
用专用铆孔导线将P04、32P01;P05、32P02;32P03、P14连接(注意连接铆孔的箭头指向,将输出铆孔连接输入铆孔)。
3.加电:
打开系统电源开关,底板的电源指示灯正常显示。若电源指示灯显示不正常,请立即关闭电源,查找异常原因。
4.输入模拟信号观察:
模拟信号发生器产生的模拟信号送入抽样模块的32P01点,用示波器在32P01处观察,调节同步正弦波电位器W04,使该点正弦信号幅度约2V(峰一峰值)。
5.取样脉冲观察:
示波器接在32P02上,连接P05,示波器显示8K同步的抽样脉冲;连接P24,示波器显示非同步的抽样脉冲,其频率通过W05连续可调。
6.取样信号观察:
示波器接在32TP01上,可观察PAM取样信号,示波器接在32P03上,调节“PAM脉冲幅度调制”上的32W01可改变PAM信号传输信道的特性,PAM取样信号波形会发生改变。
7.取样恢复信号观察:
PAM解调用的低通滤波器电路(接收端滤波放大模块,信号从P14输入)共设有二组参数,其截止频率分别为3KHZ、6KHZ。根据被抽样的信号频率,由于模拟信号接的是2KHZ的同步正弦波,所以选择滤波器截止频率为3KHZ。
根据下面建议自己设计实验步骤,进行取样恢复信号观察实验。
(1) 在一定频率的模拟信号(一般2KHZ)下,设置低通滤波器3KHZ截止频率。调节不同的抽样时钟,用示波器观测各点波形,验证抽样定理,并做详细记录、绘图。注意,PAM传输模块的32TP01、32P03测试点波形调节近似,即不失真为准。
(2) 在一定频率的抽样时钟(一般8KHZ)fs下,调节模拟信号源的频率f(一般小于4KHZ),即保持抽样时钟与模拟信号间的fs>2f频率关系,设置低通滤波器3KHZ截止频率。用示波器观测各点波形,验证PAM通信系统的性能,并做详细记录、绘图。
8.关机拆线:
实验结束,关闭电源,拆除信号连线,并按要求放置好实验模块。
注:非同步函数信号在抽样时的波形在示波器上不容易形成稳定的波形,需耐心地调节;若要观测稳定的波形可使用同步正弦波信号和同步抽样脉冲。

六、实验报告要求
1.写出实验目的和内容。
2.简述抽样定理及PAM实验原理,并画出实验框图。
3.写出自行设计的实验步骤,记录实验时各种测试条件,所测各点的波形、频率、电压等各项测试数据并验证抽样定理。
4.说明抽样后信号经过PAM模拟信道传输及接收数字低通滤波器后,波形将会出现哪些失真。
5.写出实验体会。
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