通信原理綜合實驗箱,抽樣定理及其應(yīng)用實驗

一、實驗?zāi)康?br /> 1．經(jīng)過對模仿信號抽樣的實驗,深入對抽樣定理的理解；
2．經(jīng)過PAM調(diào)制實驗，使學(xué)生能深入理解脈沖幅度調(diào)制的特別點；
3．學(xué)習(xí)掌控把握PAM調(diào)制硬件完成電子回路，掌控把握調(diào)節(jié)測量試驗方法。

二、實驗儀表器具
1．PAM脈沖調(diào)幅模型塊，位號：H
2．時鐘與基帶數(shù)值發(fā)生模型塊，位號：G
3．20M雙蹤示波器1臺
4．頻率計1臺
5．小平口螺絲刀1只
6．信號連接線3根

三、實驗原理
抽樣定理告訴我們：如果對某一帶寬有限的時間連續(xù)信號（模仿信號）實行抽樣，而且抽樣速率達到一定數(shù)值時，那么按照這些抽樣值就能準(zhǔn)確地還原原信號。這就是說，若要傳輸模仿信號，不一定要傳輸模仿信號本身，可以只傳輸按抽樣定理得到的抽樣值。
通常，按照基帶信號改變脈沖參量（幅度、寬度和位置）的不一樣，把脈沖調(diào)制分為脈幅調(diào)制（PAM）、脈寬調(diào)制（PDM）和脈位調(diào)制（PPM）。雖然這三種信號在時間上全部是離散的，但受調(diào)參量是連續(xù)的，因此也全部屬于模仿調(diào)制。關(guān)于PDM和PPM，國外在上世紀(jì)70年代研究成果表明其實用性不強，而國內(nèi)根本就沒研究和使用過，所以這里我們就不做簡介。本實驗平臺僅簡介脈沖幅度調(diào)制，因為它是脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)。
抽樣定理實驗電子回路框圖，如圖1-1所示。



圖1-1 抽樣的實驗過程構(gòu)造示意圖

本實驗中需要用到以下5個功能模型塊。
1．非同步函數(shù)信號或同步正弦波發(fā)生器模型塊：它提供各種有限帶寬的時間連續(xù)的模仿信號，并經(jīng)過連線送到"PAM脈沖調(diào)幅模型塊"，作為脈沖幅度調(diào)制器的調(diào)制信號。P03/P04測量試驗點可用來調(diào)制信號的連接和測量；另外，如果實驗室配備裝備了電話單機，也可以使用用戶電話模型塊，這樣檢驗實驗效果更直接、更形象，P05/P07測量試驗點可用來語音信號的連接和測量。
2．抽樣脈沖形成電子回路模型塊：它提供有限高度，不一樣寬度和頻率的的抽樣脈沖序列，并經(jīng)過連線送到"PAM脈沖調(diào)幅模型塊"， 作為脈沖幅度調(diào)制器的抽樣脈沖。P09測量試驗點可用來抽樣脈沖的連接和測量。該模型塊提供的抽樣脈沖有同步和非同步兩種，同步的抽樣脈沖是頻率為8KHz，占空比為50%或近似50%的矩形脈沖；非同步的抽樣脈沖由555定時器產(chǎn)生，其頻率經(jīng)過W05連續(xù)可調(diào)。
3．PAM脈沖調(diào)幅模型塊：它應(yīng)用模仿開關(guān)CD4066完成脈沖幅度調(diào)制。抽樣脈沖序列為高電平時，模仿開關(guān)導(dǎo)通，有調(diào)制信號輸出；抽樣脈沖序列為低電平，模仿開關(guān)斷開，無信號輸出。因此，本模型塊完成的是自然抽樣。在32TP01測量試驗點可以測量到已調(diào)信號波動線。
調(diào)制信號和抽樣脈沖全部需要外接連線寫入。已調(diào)信號經(jīng)過PAM模仿信道（模仿實際信道的惰性）的傳輸，從32P03鉚孔輸出，它可能會產(chǎn)生波動線失真。 PAM模仿信道電子回路示意圖如圖1-2所示，32W01（R1）電位器可改變模仿信道的傳輸特性，當(dāng)R1C1=R2C2時，PAM已調(diào)信號課程課程理論上無失真。
4．接收濾波器與功放模型塊：接收濾波器是數(shù)字低通濾波器，它的作用是恢復(fù)原調(diào)制信號。數(shù)字低通濾波器的截止頻率受作業(yè)時鐘控制，它由4SW02的置位確定。鉚孔P14是接收濾波器與功放的寫入端，實驗時需用外接實驗連接線將32P03與P14連接。
5．時鐘與基帶數(shù)值發(fā)生模型塊：它提供系統(tǒng)作業(yè)時鐘和接收數(shù)字低通濾波器作業(yè)時鐘。接收數(shù)字低通濾波器截止頻率的設(shè)定由該模型塊中微型連排撥動開關(guān)4SW02置位確定。

圖1-2 PAM信道擬真電子回路示意圖

最后強調(diào)說明：實際應(yīng)用的抽樣脈沖和信號恢復(fù)與理想現(xiàn)象有一定區(qū)別。理想抽樣的抽樣脈沖應(yīng)該是沖擊脈沖序列，在實際應(yīng)用中，這是不可能完成的。因此一般是用高度有限、寬度較窄的窄脈沖代替，本實驗中提供的抽樣脈沖，是頻率為8KHz，占空比為50%或近似50%的矩形脈沖或由555定時器產(chǎn)生的頻率連續(xù)可調(diào)的脈沖。另外，實際應(yīng)用中使信號恢復(fù)的濾波器不可能是理想的。當(dāng)濾波器特性不是理想低通時，抽樣頻率不能就等于被抽樣信號頻率的2倍，否則會使信號失真。考慮到實際濾波器的特性，抽樣頻率要求選得較高。
由于PAM通信系統(tǒng)的抗干擾能力差，目前很少實用。它已被功能良好的脈沖編碼調(diào)制（PCM）所取代。

四、可調(diào)元件及測量點的作用
32P01：模仿信號寫入連接鉚孔。
32P02：抽樣脈沖信號寫入連接鉚孔。
32TP01：輸出的抽樣后信號測量試驗點。
32P03：經(jīng)擬真信道傳輸后信號的輸出連接鉚孔。
32W01：擬真信道的特性調(diào)動電位器。

五、實驗內(nèi)容及步驟
1．插入有關(guān)實驗?zāi)Ｐ蛪K：
在關(guān)閉系統(tǒng)電源的條件下，將"時鐘與基帶數(shù)值發(fā)生模型塊"、"PAM脈沖幅度調(diào)制模型塊"，插到底層基板"G、H"號的位置插頭座上（具體位置可見底層基板右下角的"實驗?zāi)Ｐ蛪K位置分布表"）。注意模型塊插頭與底層基板插頭座的防呆口一致，模型塊位號與底層基板位號的一致。
2．信號線連接：
用專用鉚孔實驗連接線將P04、32P01；P05、32P02；32P03、P14連接（注意連接鉚孔的箭頭指向，將輸出鉚孔連接寫入鉚孔）。
3．加電：
打開系統(tǒng)電源開關(guān)，底層基板的電源指示燈正常顯露。若電源指示燈顯露不正常，請立即關(guān)閉電源，查找異常原因。
4．寫入模仿信號查看：
模仿信號發(fā)生器產(chǎn)生的模仿信號送入抽樣模型塊的32P01點，用示波器在32P01處查看，調(diào)動同步正弦波電位器W04，使該點正弦信號幅度約2V（峰一峰值）。
5．取樣脈沖查看：
示波器接在32P02上，連接P05，示波器顯露8K同步的抽樣脈沖；連接P24，示波器顯露非同步的抽樣脈沖，其頻率經(jīng)過W05連續(xù)可調(diào)。
6．取樣信號查看：
示波器接在32TP01上，可查看PAM取樣信號，示波器接在32P03上，調(diào)動"PAM脈沖幅度調(diào)制"上的32W01可改變PAM信號傳輸信道的特性，PAM取樣信號波動線會發(fā)生改變。
7．取樣恢復(fù)信號查看：
PAM解調(diào)用的低通濾波器電子回路（接收端濾波放大模型塊，信號從P14寫入）共設(shè)定有二組功能數(shù)值，其截止頻率分別為3KHZ、6KHZ。按照被抽樣的信號頻率，由于模仿信號接的是2KHZ的同步正弦波，所以選用濾波器截止頻率為3KHZ。
按照下面建議自己設(shè)計實驗步驟，實行取樣恢復(fù)信號查看實驗。
(1) 在一定頻率的模仿信號（一般2KHZ）下，設(shè)定低通濾波器3KHZ截止頻率。調(diào)動不一樣的抽樣時鐘，用示波器查看各點波動線，檢驗抽樣定理，并做詳細記錄、繪圖。注意，PAM傳輸模型塊的32TP01、32P03測量試驗點波動線調(diào)動近似，即不失真為準(zhǔn)。
(2) 在一定頻率的抽樣時鐘（一般8KHZ）fs下，調(diào)動模仿信號源的頻率f（一般小于4KHZ），即保持抽樣時鐘與模仿信號間的fs>2f頻率關(guān)系，設(shè)定低通濾波器3KHZ截止頻率。用示波器查看各點波動線，檢驗PAM通信系統(tǒng)的功能，并做詳細記錄、繪圖。
8．關(guān)機拆線：
實驗結(jié)束，關(guān)閉電源，拆除信號連線，并按要求放置好實驗?zāi)Ｐ蛪K。
注：非同步函數(shù)信號在抽樣時的波動線在示波器上不容易形成平穩(wěn)的波動線，需耐心地調(diào)動；若要查看平穩(wěn)的波動線可使用同步正弦波信號和同步抽樣脈沖。

六、實驗報告要求
1.寫出實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容。
2.簡述抽樣定理及PAM實驗原理，并畫出實驗框圖。
3.寫出自行設(shè)計的實驗步驟，記錄實驗時各種測量試驗條件，所測各點的波動線、頻率、電壓（V）等各項測量試驗數(shù)值并檢驗抽樣定理。
4.說明抽樣后信號經(jīng)過PAM模仿信道傳輸及接收數(shù)字低通濾波器后，波動線將會出現(xiàn)哪些失真。
5.寫出實驗體會。