通信報(bào)告-PAM實(shí)驗(yàn)

PAGEPAGE14實(shí)驗(yàn)一PAM實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證抽樣定理；觀察PAM信號(hào)形成的過(guò)程；了解混迭效應(yīng)產(chǎn)生的原因；學(xué)習(xí)中頻抽樣的基本方法；實(shí)驗(yàn)儀器JH5001(Ⅲ)通信原理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)20MHz雙蹤示波器一臺(tái)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)實(shí)驗(yàn)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(guò)程是模擬信號(hào)數(shù)字化的第一步，抽樣性能的優(yōu)劣關(guān)系到通信設(shè)備整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。利用抽樣脈沖把一個(gè)連續(xù)信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間樣值的過(guò)程稱(chēng)為抽樣，抽樣后的信號(hào)稱(chēng)為脈沖調(diào)幅（PAM）信號(hào)。抽樣定理指出，一個(gè)頻帶受限信號(hào)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(mǎn)足抽樣定理的條件下，抽樣信號(hào)保留了原信號(hào)的全部信息。并且，從抽樣信號(hào)中可以無(wú)失真地恢復(fù)出原始信號(hào)。通常將語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)一個(gè)3400Hz低通濾波器（或通過(guò)一個(gè)300～3400Hz的帶通濾波器），限制語(yǔ)音信號(hào)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(lái)表示。語(yǔ)音信號(hào)的頻譜和語(yǔ)音信號(hào)抽樣頻譜見(jiàn)圖3.1.1和圖3.1.2所示。從語(yǔ)音信號(hào)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(wú)失真地恢復(fù)原始信號(hào)m(t)。實(shí)際上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的濾波器特性不可能是理想的，對(duì)限制最高頻率為3400Hz的語(yǔ)音信號(hào)，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(jiàn)圖3.1.4所示。當(dāng)抽樣頻率fs低于2倍語(yǔ)音信號(hào)的最高頻率fh在抽樣定理實(shí)驗(yàn)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的8KHz抽樣頻率，并用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，通過(guò)改變函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率，觀察抽樣序列和重建信號(hào)，檢驗(yàn)抽樣定理的正確性。抽樣定理實(shí)驗(yàn)各點(diǎn)波形見(jiàn)圖3.1.5所示。圖3.1.6是通信原理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)箱所設(shè)計(jì)的抽樣定理實(shí)驗(yàn)電路組成框圖。電路原理描述：輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)信號(hào)選擇跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)K501，當(dāng)K501設(shè)置在正常位置時(shí)（左端），輸入信號(hào)來(lái)自電話(huà)接口2模塊的發(fā)送話(huà)音信號(hào)；當(dāng)K501設(shè)置在測(cè)試位置時(shí)（右端），由TP001輸入測(cè)試信號(hào)，進(jìn)行抽樣定理實(shí)驗(yàn)。運(yùn)放U701A、U701B（TL084）和周邊阻容器件組成一個(gè)3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用于限制最高的信號(hào)頻率。信號(hào)經(jīng)運(yùn)放U701C緩沖輸出，送到U703（CD4066）模擬開(kāi)關(guān)。模擬開(kāi)關(guān)U703（CD4066）通過(guò)抽樣時(shí)鐘完成對(duì)信號(hào)的抽樣，形成抽樣序列信號(hào)。信號(hào)經(jīng)運(yùn)放U702B（TL084）緩沖輸出。運(yùn)放U702A、U702C（TL084）和周邊阻容器件組成一個(gè)3dB帶寬為3400Hz的低通濾波器，用來(lái)恢復(fù)原始信號(hào)。跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)K702用于選擇輸入濾波器，當(dāng)K702設(shè)置在濾波位置時(shí)（左端），送入到抽樣電路的信號(hào)經(jīng)過(guò)3400Hz的低通濾波器；當(dāng)K702設(shè)置在直通位置時(shí)（右端），信號(hào)不經(jīng)過(guò)抗混迭濾波器直接送到抽樣電路，其目的是為了觀測(cè)混迭現(xiàn)象。設(shè)置在復(fù)接解復(fù)接模塊內(nèi)的跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)KB04為抽樣脈沖選擇開(kāi)關(guān)：設(shè)置在左端為平頂抽樣，平頂抽樣是通過(guò)采樣保持電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且τ=Ts；設(shè)置在右端為自然抽樣，為便于恢復(fù)出的信號(hào)觀測(cè)，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(hào)的電平，但卻會(huì)引入信號(hào)頻譜失真，τ為抽樣脈沖寬度。通常在實(shí)際設(shè)備里，收端必須采用頻率響應(yīng)為的濾波器來(lái)進(jìn)行頻譜校準(zhǔn)，這種頻譜失真稱(chēng)為孔徑失真。實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析自然抽樣脈沖序列測(cè)量準(zhǔn)備工作：由于PAM實(shí)驗(yàn)用的抽樣信號(hào)由復(fù)接解復(fù)接模塊提供，因此首先用10針排線(xiàn)連接排針插槽JK501和JKB01，以獲取抽樣信號(hào)；將復(fù)接解復(fù)接模塊中的KB04設(shè)置在右端（自然抽樣狀態(tài)）；將ADPCM模塊的輸入信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)K501設(shè)置在右端以輸入測(cè)試信號(hào)。將低通濾波器選擇開(kāi)關(guān)K702設(shè)置在F位置（濾波），調(diào)整函數(shù)信號(hào)發(fā)生器正弦波輸出頻率為1000Hz、輸出電平為2Vp-p的測(cè)試信號(hào)送入信號(hào)PCM/PAM模塊的測(cè)試端口TP001和接地端。PAM脈沖抽樣序列觀察；用示波器同時(shí)觀測(cè)正弦波輸入信號(hào)（TP701）和抽樣脈沖序列信號(hào)（TP703），觀測(cè)時(shí)以TP701做同步。測(cè)量抽樣脈沖序列信號(hào)與正弦波輸入信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，記錄測(cè)量波形。PAM脈沖抽樣序列重建信號(hào)觀測(cè)；TP704為重建信號(hào)輸出測(cè)試點(diǎn)。保持測(cè)試信號(hào)不變，用示波器同時(shí)觀測(cè)重建信號(hào)輸出測(cè)試點(diǎn)和正弦波輸入信號(hào)，觀測(cè)時(shí)以TP701輸入信號(hào)做同步，記錄測(cè)量波形。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄和分析：圖1輸入信號(hào)和抽樣脈沖序列信號(hào)圖2輸入信號(hào)和脈沖抽樣序列重建信號(hào)分析：觀察圖1，可見(jiàn)此時(shí)的輸入信號(hào)頻率為，抽樣信號(hào)為固定頻率，易得知，，因此不會(huì)出現(xiàn)頻譜混疊情況。故可以通過(guò)加一個(gè)低通濾波還原出調(diào)制信號(hào)，如圖2中所示，重建信號(hào)頻率也為1kHz，。另外，觀察這兩幅圖還可以看出，經(jīng)過(guò)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(hào)與原信號(hào)相比幅度上略有變大，這是可以通過(guò)運(yùn)放調(diào)整的；而且，重建的信號(hào)與原信號(hào)相比有明顯的延時(shí)，這是因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的參數(shù)并不是理想化的，系統(tǒng)傳遞必定會(huì)有部分延時(shí)。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(cè)量準(zhǔn)備工作：與自然抽樣脈沖序列測(cè)量準(zhǔn)備工作不同之處是將復(fù)接解復(fù)接模塊內(nèi)的抽樣時(shí)鐘模式開(kāi)關(guān)KB04設(shè)置在左端進(jìn)行平頂抽樣。PAM平頂抽樣序列觀察；方法同上，記錄測(cè)量波形，與自然抽樣測(cè)量結(jié)果做比較。平頂抽樣重建信號(hào)觀測(cè)；方法同上，與自然抽樣測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析平頂抽樣的測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄和分析：圖3輸入信號(hào)和平頂脈沖抽樣圖4輸入信號(hào)和平頂脈沖抽樣重建信號(hào)分析：觀察圖3，平頂抽樣的波形在非抽樣時(shí)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(gè)明顯的不同。觀察圖4，可見(jiàn)重建信號(hào)相較于原信號(hào)有較為明顯的變大，而且和自然抽樣相同，重建信號(hào)相對(duì)于原信號(hào)都有都有一定的延時(shí)。平頂抽樣的波形之所以在非抽樣時(shí)間內(nèi)其幅度不為0，而是一個(gè)電壓值的保持，是因?yàn)樵贑D4066芯片的輸入端3A腳接了一個(gè)保持電容，不斷進(jìn)行充電放電，使得抽樣過(guò)程中的電壓得以維持。然而自然抽樣時(shí)2A腳直接進(jìn)接地，因此在非抽樣時(shí)間迅速回到了零電平。對(duì)于自然抽樣和平頂抽樣的重建信號(hào)幅度不同是由于：自然抽樣時(shí)，抽樣序列是m(t)和脈沖序列直接相乘所得。設(shè)脈沖寬度為，幅度為，重復(fù)周期為，則脈沖序列p(t)的傅里葉級(jí)數(shù)表示式為：由上式進(jìn)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(fù)信號(hào)得，且。而平頂抽樣的頻譜應(yīng)為理想取樣信號(hào)頻譜與的乘積。因此得到，然而，與自然抽樣不同的是，此時(shí)的不是常數(shù)，而是與有關(guān)的一個(gè)函數(shù)。對(duì)于幅度為A，寬度為的矩形取樣脈沖，有。因此，會(huì)引入信號(hào)頻譜失真，即孔徑效應(yīng)。實(shí)際使用時(shí)必須在低通濾波器后面附加一個(gè)均衡電路加以補(bǔ)償，才能夠無(wú)失真地恢復(fù)出。因此，顯然可以知道二者的重建信號(hào)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(kāi)關(guān)4066控制端的時(shí)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(gè)單元，如下：綜合兩圖可見(jiàn)，C為控制端，輸出端B的值由輸入端A的值決定。當(dāng)采用自然抽樣和平頂抽樣時(shí)，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(shí)，使用PAM_CLOCK0和PAM_CLOCK1組合PAM_CLOCK0：…… PAM_CLOCK1:……此時(shí)，PAM_CLOCK2始終保持0電平。(2)、平頂抽樣時(shí)，使用PAM_CLOCK0和PAM_CLOCK2組合PAM_CLOCK0：……PAM_CLOCK2：(高電平)……此時(shí)，PAM_CLOCK1始終保持0電平。信號(hào)混迭觀測(cè)準(zhǔn)備工作：同PAM自然抽樣實(shí)驗(yàn)；將跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)K702設(shè)置在NF（無(wú)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(cè)重建信號(hào)（TP704）輸出時(shí)域波形和頻域波形圖，記錄測(cè)量波形，分析解釋測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄和分析：（1）（2）圖53kHz輸出時(shí)域和頻域波形圖分析：由于此時(shí)的輸入信號(hào)的頻率為3kHz，低于抽樣頻率8kHz的一半，因此幾乎無(wú)失真地經(jīng)過(guò)末級(jí)的低通濾波恢復(fù)出原始信號(hào)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(shí)際低通濾波器—335811（正弦波在頻域上是脈沖信號(hào)。上圖中5kHz是—3kHz的頻率經(jīng)過(guò)8kHz抽樣頻譜搬遷后得到的）因此，過(guò)濾的頻率成分并不完全干凈，會(huì)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(shí)際符合理論。（1）（2）（3）（4）圖64kHz輸出時(shí)域和頻域波形圖分析：此時(shí)輸入信號(hào)為4kHz，已經(jīng)達(dá)到了輸入信號(hào)頻率的臨界值。相當(dāng)于下圖：實(shí)際低通濾波器48雖然從上圖中只能看到一個(gè)單一的頻率4kHz，但是，實(shí)際中使用的低通濾波器并不是理想低通的，而且輸入信號(hào)也不是嚴(yán)格帶限的，這時(shí)候取樣信號(hào)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(shí)際抽樣的信號(hào)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(zhǔn)確的8kHz。在圖6中截取了不同時(shí)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(shí)域和頻域波形圖分析： 簡(jiǎn)單地畫(huà)出抽樣后的頻譜圖如下：實(shí)際低通濾波器-62682kHz處的信號(hào)是-6kHz處的信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后頻譜搬遷得到的。因此從分析中可以看出，2kHz信號(hào)可以完整地通過(guò)低通濾波器，而6kHz只能通過(guò)一部分。此時(shí)觀察圖7,，時(shí)域上可以看到清晰的2kHz的重建信號(hào)，從頻域上看，則是明顯的2kHz和較大的6kHz信號(hào)能量。所以，實(shí)際和理論相匹配。此時(shí)觀察到的是2kHz和6kHz的混疊。圖88kHz輸出時(shí)域和頻域波形圖分析：此時(shí)輸入信號(hào)是8kHz，而抽樣信號(hào)頻率也是8kHz，而末端低通濾波器的頻率是4kHz左右，因此無(wú)論怎樣經(jīng)過(guò)頻譜的搬遷，8kHz都無(wú)法經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出信號(hào)。實(shí)際低通濾波器08從圖8中也可以觀察出，時(shí)域圖上是十分毛躁的信號(hào)，而頻域圖上也無(wú)任何明顯的頻率分量，因此可以知道根本沒(méi)有準(zhǔn)確地信號(hào)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(shí)域和頻域波形圖分析：與前幾個(gè)信號(hào)類(lèi)似，10kHz的信號(hào)經(jīng)過(guò)在頻域上經(jīng)過(guò)頻譜的搬遷后可以得到2kHz、6kHz等等頻率分量，經(jīng)過(guò)實(shí)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(shí)際低通濾波器-226810總分析：跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)K702用于選擇輸入濾波器，當(dāng)K702設(shè)置在濾波位置時(shí)（左端），送入到抽樣電路的信號(hào)經(jīng)過(guò)3400Hz的低通濾波器；當(dāng)K702設(shè)置在直通位置時(shí)（右端），信號(hào)不經(jīng)過(guò)抗混迭濾波器直接送到抽樣電路，其目的是為了觀測(cè)混迭現(xiàn)象。由于正弦波在頻域上的形狀是沖激信號(hào)，而它在時(shí)域上被抽樣后，又相當(dāng)于頻域上的沖激信號(hào)被搬遷，會(huì)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(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論1、自然抽樣頻率為8kHz，非抽樣時(shí)期電平值為零。重建信號(hào)的電壓值略大于原信號(hào)。2、平頂抽樣頻率為8kHz，非抽樣時(shí)期電平值保持抽樣后的值。重建信號(hào)的電壓值大于原信號(hào)。3、抽樣頻率時(shí)，才能