通信報告-PAM實驗

PAGEPAGE14實驗一PAM實驗一、實驗目的驗證抽樣定理；觀察PAM信號形成的過程；了解混迭效應產(chǎn)生的原因；學習中頻抽樣的基本方法；實驗儀器JH5001(Ⅲ)通信原理基礎實驗箱一臺20MHz雙蹤示波器一臺函數(shù)信號發(fā)生器一臺實驗原理抽樣定理在通信系統(tǒng)、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。抽樣過程是模擬信號數(shù)字化的第一步，抽樣性能的優(yōu)劣關(guān)系到通信設備整個系統(tǒng)的性能指標。利用抽樣脈沖把一個連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間樣值的過程稱為抽樣，抽樣后的信號稱為脈沖調(diào)幅（PAM）信號。抽樣定理指出，一個頻帶受限信號m(t)，如果它的最高頻率為fh，則可以唯一地由頻率等于或大于2fh的樣值序列所決定。在滿足抽樣定理的條件下，抽樣信號保留了原信號的全部信息。并且，從抽樣信號中可以無失真地恢復出原始信號。通常將語音信號通過一個3400Hz低通濾波器（或通過一個300～3400Hz的帶通濾波器），限制語音信號的最高頻率為3400Hz，這樣可以用頻率大于或等于6800Hz的樣值序列來表示。語音信號的頻譜和語音信號抽樣頻譜見圖3.1.1和圖3.1.2所示。從語音信號抽樣頻譜圖可知，用截止頻率為fh的理想低通濾波器可以無失真地恢復原始信號m(t)。實際上，設計實現(xiàn)的濾波器特性不可能是理想的，對限制最高頻率為3400Hz的語音信號，通常采用8KHz抽樣頻率。這樣可以留出一定的防衛(wèi)帶（1200Hz），參見圖3.1.4所示。當抽樣頻率fs低于2倍語音信號的最高頻率fh在抽樣定理實驗中，采用標準的8KHz抽樣頻率，并用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個信號，通過改變函數(shù)信號發(fā)生器的頻率，觀察抽樣序列和重建信號，檢驗抽樣定理的正確性。抽樣定理實驗各點波形見圖3.1.5所示。圖3.1.6是通信原理基礎實驗箱所設計的抽樣定理實驗電路組成框圖。電路原理描述：輸入信號首先經(jīng)過信號選擇跳線開關(guān)K501，當K501設置在正常位置時（左端），輸入信號來自電話接口2模塊的發(fā)送話音信號；當K501設置在測試位置時（右端），由TP001輸入測試信號，進行抽樣定理實驗。運放U701A、U701B（TL084）和周邊阻容器件組成一個3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用于限制最高的信號頻率。信號經(jīng)運放U701C緩沖輸出，送到U703（CD4066）模擬開關(guān)。模擬開關(guān)U703（CD4066）通過抽樣時鐘完成對信號的抽樣，形成抽樣序列信號。信號經(jīng)運放U702B（TL084）緩沖輸出。運放U702A、U702C（TL084）和周邊阻容器件組成一個3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用來恢復原始信號。跳線開關(guān)K702用于選擇輸入濾波器，當K702設置在濾波位置時（左端），送入到抽樣電路的信號經(jīng)過3400Hz的低通濾波器；當K702設置在直通位置時（右端），信號不經(jīng)過抗混迭濾波器直接送到抽樣電路，其目的是為了觀測混迭現(xiàn)象。設置在復接解復接模塊內(nèi)的跳線開關(guān)KB04為抽樣脈沖選擇開關(guān)：設置在左端為平頂抽樣，平頂抽樣是通過采樣保持電容來實現(xiàn)的，且τ=Ts；設置在右端為自然抽樣，為便于恢復出的信號觀測，此抽樣脈沖略寬，只是近似自然抽樣。平頂抽樣有利于解調(diào)后提高輸出信號的電平，但卻會引入信號頻譜失真，τ為抽樣脈沖寬度。通常在實際設備里，收端必須采用頻率響應為的濾波器來進行頻譜校準，這種頻譜失真稱為孔徑失真。實驗過程及數(shù)據(jù)分析自然抽樣脈沖序列測量準備工作：由于PAM實驗用的抽樣信號由復接解復接模塊提供，因此首先用10針排線連接排針插槽JK501和JKB01，以獲取抽樣信號；將復接解復接模塊中的KB04設置在右端（自然抽樣狀態(tài)）；將ADPCM模塊的輸入信號選擇開關(guān)K501設置在右端以輸入測試信號。將低通濾波器選擇開關(guān)K702設置在F位置（濾波），調(diào)整函數(shù)信號發(fā)生器正弦波輸出頻率為1000Hz、輸出電平為2Vp-p的測試信號送入信號PCM/PAM模塊的測試端口TP001和接地端。PAM脈沖抽樣序列觀察；用示波器同時觀測正弦波輸入信號（TP701）和抽樣脈沖序列信號（TP703），觀測時以TP701做同步。測量抽樣脈沖序列信號與正弦波輸入信號的對應關(guān)系，記錄測量波形。PAM脈沖抽樣序列重建信號觀測；TP704為重建信號輸出測試點。保持測試信號不變，用示波器同時觀測重建信號輸出測試點和正弦波輸入信號，觀測時以TP701輸入信號做同步，記錄測量波形。實驗現(xiàn)象記錄和分析：圖1輸入信號和抽樣脈沖序列信號圖2輸入信號和脈沖抽樣序列重建信號分析：觀察圖1，可見此時的輸入信號頻率為，抽樣信號為固定頻率，易得知，，因此不會出現(xiàn)頻譜混疊情況。故可以通過加一個低通濾波還原出調(diào)制信號，如圖2中所示，重建信號頻率也為1kHz，。另外，觀察這兩幅圖還可以看出，經(jīng)過自然抽樣后波形的峰峰值明顯變大，這主要是由內(nèi)部的自然脈沖序列決定的。重建出的信號與原信號相比幅度上略有變大，這是可以通過運放調(diào)整的；而且，重建的信號與原信號相比有明顯的延時，這是因為實際系統(tǒng)的參數(shù)并不是理想化的，系統(tǒng)傳遞必定會有部分延時。再者，從圖1中可以看出抽樣序列是由矩形脈沖構(gòu)成的，占空比大約為1/4。平頂抽樣脈沖序列測量準備工作：與自然抽樣脈沖序列測量準備工作不同之處是將復接解復接模塊內(nèi)的抽樣時鐘模式開關(guān)KB04設置在左端進行平頂抽樣。PAM平頂抽樣序列觀察；方法同上，記錄測量波形，與自然抽樣測量結(jié)果做比較。平頂抽樣重建信號觀測；方法同上，與自然抽樣測量結(jié)果對比分析平頂抽樣的測試結(jié)果。實驗現(xiàn)象記錄和分析：圖3輸入信號和平頂脈沖抽樣圖4輸入信號和平頂脈沖抽樣重建信號分析：觀察圖3，平頂抽樣的波形在非抽樣時間內(nèi)其幅度不為0，從抽樣后的序列波形可以近似看出原正弦波形狀，可以看到這是和自然抽樣后的序列波形的一個明顯的不同。觀察圖4，可見重建信號相較于原信號有較為明顯的變大，而且和自然抽樣相同，重建信號相對于原信號都有都有一定的延時。平頂抽樣的波形之所以在非抽樣時間內(nèi)其幅度不為0，而是一個電壓值的保持，是因為在CD4066芯片的輸入端3A腳接了一個保持電容，不斷進行充電放電，使得抽樣過程中的電壓得以維持。然而自然抽樣時2A腳直接進接地，因此在非抽樣時間迅速回到了零電平。對于自然抽樣和平頂抽樣的重建信號幅度不同是由于：自然抽樣時，抽樣序列是m(t)和脈沖序列直接相乘所得。設脈沖寬度為，幅度為，重復周期為，則脈沖序列p(t)的傅里葉級數(shù)表示式為：由上式進行傅里葉變換得脈沖序列的頻譜：其中，n=0處的頻譜和F（w）相同，只是幅度減小倍。故用理想低通可由此恢復信號得，且。而平頂抽樣的頻譜應為理想取樣信號頻譜與的乘積。因此得到，然而，與自然抽樣不同的是，此時的不是常數(shù)，而是與有關(guān)的一個函數(shù)。對于幅度為A，寬度為的矩形取樣脈沖，有。因此，會引入信號頻譜失真，即孔徑效應。實際使用時必須在低通濾波器后面附加一個均衡電路加以補償，才能夠無失真地恢復出。因此，顯然可以知道二者的重建信號幅度不同的原因了。結(jié)合PAM模塊的電路圖，根據(jù)平頂抽樣和自然抽樣的波形，試分析模擬開關(guān)4066控制端的時序圖。分析：截取PAM電路圖中與芯片CD4066相關(guān)的部分。再截取CD4066芯片內(nèi)部的一個單元，如下：綜合兩圖可見，C為控制端，輸出端B的值由輸入端A的值決定。當采用自然抽樣和平頂抽樣時，控制端的值不同，即PAM_CLOCK0、PAM_CLOCK1和PAM_CLOCK2的組合電平不同。具體分析和結(jié)果如下：(1)、自然抽樣時，使用PAM_CLOCK0和PAM_CLOCK1組合PAM_CLOCK0：…… PAM_CLOCK1:……此時，PAM_CLOCK2始終保持0電平。(2)、平頂抽樣時，使用PAM_CLOCK0和PAM_CLOCK2組合PAM_CLOCK0：……PAM_CLOCK2：(高電平)……此時，PAM_CLOCK1始終保持0電平。信號混迭觀測準備工作：同PAM自然抽樣實驗；將跳線開關(guān)K702設置在NF（無輸入濾波器）位置。分別輸入3k，4k，6k，8k，10kHz的正弦波，幅度為2Vp-p，用示波器觀測重建信號（TP704）輸出時域波形和頻域波形圖，記錄測量波形，分析解釋測量結(jié)果。實驗現(xiàn)象記錄和分析：（1）（2）圖53kHz輸出時域和頻域波形圖分析：由于此時的輸入信號的頻率為3kHz，低于抽樣頻率8kHz的一半，因此幾乎無失真地經(jīng)過末級的低通濾波恢復出原始信號f(t)。但是由于使用的低通濾波器不是理想的低通濾波，如下圖所示：實際低通濾波器—335811（正弦波在頻域上是脈沖信號。上圖中5kHz是—3kHz的頻率經(jīng)過8kHz抽樣頻譜搬遷后得到的）因此，過濾的頻率成分并不完全干凈，會剩下3kHz的主要頻率和部分5kHz的頻率分量。兒從圖5的頻域圖上也可以明顯得看到3kHz和5kHz的兩種頻率，波形有一定程度地失真。所以實際符合理論。（1）（2）（3）（4）圖64kHz輸出時域和頻域波形圖分析：此時輸入信號為4kHz，已經(jīng)達到了輸入信號頻率的臨界值。相當于下圖：實際低通濾波器48雖然從上圖中只能看到一個單一的頻率4kHz，但是，實際中使用的低通濾波器并不是理想低通的，而且輸入信號也不是嚴格帶限的，這時候取樣信號的頻譜成分可能出現(xiàn)某些重疊，而這些重疊就成為了混疊誤差。而且，實際抽樣的信號也不是理想的脈沖，而是近似脈沖的矩形波，頻域?qū)嶋H上搬遷不是準確的8kHz。在圖6中截取了不同時刻的波形，雖然波形大體上仍然是4kHz，但是幅度再不斷變化。這就是混疊噪聲造成的。圖76kHz輸出時域和頻域波形圖分析： 簡單地畫出抽樣后的頻譜圖如下：實際低通濾波器-62682kHz處的信號是-6kHz處的信號經(jīng)過抽樣后頻譜搬遷得到的。因此從分析中可以看出，2kHz信號可以完整地通過低通濾波器，而6kHz只能通過一部分。此時觀察圖7,，時域上可以看到清晰的2kHz的重建信號，從頻域上看，則是明顯的2kHz和較大的6kHz信號能量。所以，實際和理論相匹配。此時觀察到的是2kHz和6kHz的混疊。圖88kHz輸出時域和頻域波形圖分析：此時輸入信號是8kHz，而抽樣信號頻率也是8kHz，而末端低通濾波器的頻率是4kHz左右，因此無論怎樣經(jīng)過頻譜的搬遷，8kHz都無法經(jīng)過低通濾波器輸出信號。實際低通濾波器08從圖8中也可以觀察出，時域圖上是十分毛躁的信號，而頻域圖上也無任何明顯的頻率分量，因此可以知道根本沒有準確地信號從輸出端輸出，而只有探頭和電路內(nèi)部的噪聲輸出。圖910kHz輸出時域和頻域波形圖分析：與前幾個信號類似，10kHz的信號經(jīng)過在頻域上經(jīng)過頻譜的搬遷后可以得到2kHz、6kHz等等頻率分量，經(jīng)過實際的低通濾波器以后，剩下低頻，如FFT中所示，與下圖分析一致。實際低通濾波器-226810總分析：跳線開關(guān)K702用于選擇輸入濾波器，當K702設置在濾波位置時（左端），送入到抽樣電路的信號經(jīng)過3400Hz的低通濾波器；當K702設置在直通位置時（右端），信號不經(jīng)過抗混迭濾波器直接送到抽樣電路，其目的是為了觀測混迭現(xiàn)象。由于正弦波在頻域上的形狀是沖激信號，而它在時域上被抽樣后，又相當于頻域上的沖激信號被搬遷，會出現(xiàn)不同的頻率分量。而且，由于采用的低通濾波器不是理想的低通，有部分略大于4kHz的頻率也可以被輸出，形成不同頻率混疊的信號。實驗結(jié)論1、自然抽樣頻率為8kHz，非抽樣時期電平值為零。重建信號的電壓值略大于原信號。2、平頂抽樣頻率為8kHz，非抽樣時期電平值保持抽樣后的值。重建信號的電壓值大于原信號。3、抽樣頻率時，才能