信號與系統(tǒng)硬件實驗

PAGEPAGE13實驗二之項目一抽樣定理和PAM調(diào)制解調(diào)實驗一、實驗?zāi)康?、通過脈沖幅度調(diào)制實驗，使學(xué)生能加深理解脈沖幅度調(diào)制的原理。2、通過對電路組成、波形和所測數(shù)據(jù)的分析，加深理解這種調(diào)制方式的優(yōu)缺點。二、實驗內(nèi)容1、觀察模擬輸入正弦波信號、抽樣時鐘的波形和脈沖幅度調(diào)制信號，并注意觀察它們之間的相互關(guān)系及特點。2、改變模擬輸入信號或抽樣時鐘的頻率，多次觀察波形。三、實驗器材1、信號源模塊 一塊2、①號模塊 一塊3、20M雙蹤示波器 一臺4、連接線 若干四、實驗原理（一）基本原理1、抽樣定理1抽樣定理表明一個頻帶限制（0，f 內(nèi)的時間連續(xù)信號如果以T≤ 秒H 2fH的間隔對它進行等間隔抽樣，則m(t)將被所得到的抽樣值完全確定。假定將信號和周期為T的沖激函數(shù) 相乘如圖1-1所示乘積便是均勻間隔T為T))的抽樣。若用ms(t)表示此抽樣函數(shù)，則有：m(t)m(t)s T

(t)圖1-1 抽樣與恢復(fù)假設(shè)m(t)、T

(t和ms

(t)的頻譜分別為M()、T

()Ms

()。按照頻率卷積定理，m(t)T

的傅立葉變換是M()和T

()的卷積：M() 1()s

()因為 T

2T

Tn

(n)s s T所以

()

1M)

(n)s由卷積關(guān)系，上式可寫成Ms

T()T

n

TnM)s

sms(tMs(是無窮多個間隔為ωsM(相迭加而成。這就意味著Ms()中包含M()的全部信息。1T2fH

，則M()和 ()的卷積在相鄰的周期內(nèi)存T1在重疊（亦稱混疊），因此不能由Ms(M(?？梢姡琓2fH它被稱為奈奎斯特間隔。

是抽樣的最大間隔，0fH

之間，而是限制在fL

（信號的最低頻率）與fH

（信號的最高頻率）之間（帶通型連續(xù)信號），那么，其抽樣頻率f 并不要求達到2f ，而是達到2B即可，即要求抽樣頻率為帶通信號帶寬的s H兩倍。1-2fs號的頻譜。

無混疊）fs

＜2B（有混疊）時兩種情況下沖激抽樣信FF0mmff(t)t0連續(xù)信號的頻譜f(tf(t)st0Ts1TSF()s10smms（b）高抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜（無混疊）f(tf(t)st0Ts1TSF()s10smms（c）低抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜（混疊）圖1-2 采用不同抽樣頻率時抽樣信號的頻譜2、脈沖振幅調(diào)制（PAM）波是由沖激脈沖組成的，則前面所說的抽樣定理，就是脈沖增幅調(diào)制的原理。但是實際上真正的沖激脈沖串并不能付之實現(xiàn)研究窄脈沖作為脈沖載波的PAM方式，將具有實際意義。m(tm(t)TT(t)平頂抽樣圖1-3自然抽樣及平頂抽樣波形PAMm(t)變化的規(guī)律（1-3所示。3-3PAM信號常常采用保持電路來實現(xiàn)，得到的脈沖為矩形脈沖。（二)電路組成話音輸入N1模擬開關(guān)S自然抽樣/平頂話音輸入N1模擬開關(guān)S自然抽樣/平頂抽樣選擇N2PAM解調(diào)抽樣脈沖LF398圖1-4脈沖振幅調(diào)制電路原理框圖E2D4E2D4+12VR9TP2-12V10uF/16V 150C11PAM-SIN4.3VR7C29104VEE104104U2LF398U3TH1TH-12VC201041 2NCV-NCNCNCOUTPUTVoNCV+LOGICLOGICREFNCCh1413121110981524OUTPUTY0Y1Y2Y3Yout3CLK-IN1PAM12141511X0X1X2X3Xout 1316VCCTH3THC31222E110 A9 BVDDINHVEEVSSGNDVEEGNDC2104OUTPUTK11PAM10uF/16VU1ACD4052R4CLK-IN211K74LS041（三）實驗電路工作原理1、PAM調(diào)制電路

圖1-5脈沖幅度調(diào)制電路原理圖

PAMCLK如圖3-5所示，LF398是一個專用的采樣保持芯片，它具有很高的直流精度和較高的采樣速率，器件的動態(tài)性能和保持性能可以通過合適的外接保持電容達到最佳。LF398的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-6所示；FAD30KVi。MCTR。。MREF

-+N1C1

-S +N2150LF398

。OUT。HOC圖1-6LF398的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)N1是輸入緩沖放大器，N2是高輸入阻抗射極輸出器。S為邏輯控制采樣/保持開關(guān)，當(dāng)S接通時，開始采樣；當(dāng)S斷開時，開始保持。LF398的引腳功能為：3、12腳：正負電源輸入端。1腳：Vi，模擬電壓輸入端。11腳：MCTR，邏輯控制輸入端，高電平為采樣，低電平為保持。10腳：MREF，邏輯控制電平參考端，一般接地。8腳：HOC，采樣/保持電容接入端。7腳：OUT，采樣/保持輸出端。3-5PAM-SIN輸入，進入LF3981Vi沖放大器N1放大后送到模擬開關(guān)S，此時，將抽樣脈沖作為S的控制信號，當(dāng)LF39811MCTRN2K12、PAM解調(diào)與濾波電路解調(diào)濾波電路由集成運放電路TL084組成。組成了一個二階有源低通濾波器，其截止頻率設(shè)計在3.4KHz左右，因為該濾波器有著解調(diào)的作用，因此它的質(zhì)量好壞直接影響著系統(tǒng)的工作狀態(tài)。該電路還在后續(xù)實驗接收部分有用到。電路如圖1-7所示VCCVCCTP10IN1R810k+12VC3512E104U7AC715231R39R44C27223510uF/910k23k38k2U7B7R37R34C252226U7C8R41TP11OUTTH14TH112U7DTL084C21222C2810210k15kTL084TL0841411C82229C2210210kTL08413-12VW110KR42 R4310k 10k圖1-7PAM解調(diào)濾波電路五、測試點說明1、輸入點參考說明PAM-SIN：音頻信號輸入端口PAMCLK：抽樣時鐘信號輸入端口IN：PAM解調(diào)濾波電路輸入端口2、輸出點說明自然抽樣輸出：自然抽樣信號輸出端口平頂抽樣輸出：平頂抽樣信號輸出端口OUT：PAM解調(diào)濾波輸出端口六、實驗步驟及注意事項1、將信號源模塊、模塊1固定在主機箱上，將黑色塑封螺釘擰緊，確保電源接觸良好。2、插上電源線，打開主機箱右側(cè)的交流開關(guān)，將信號源模塊和模塊1的電源開關(guān)撥下，+5V-12V+12V（注意，此處只是驗證通電是否成功，在實驗中均是先連線，再打開電。3、觀測PAM自然抽樣波形同步正弦波”輸出，調(diào)節(jié)W14V左右。將信號源上S4101CLK”輸出32K時鐘。1K1源端口目標端口源端口目標端口連線說明“2K同步正弦波”1:“PAM-SIN”提供被抽樣信號“CLK”1:“PAMCLK”提供抽樣時鐘* 檢查連線是否正確，檢查無誤后打開電源用示波器在“自然抽樣輸出”處觀察PAM4、觀測PAM平頂抽樣波形a) 同步正弦波”輸出，調(diào)節(jié)W14V左右。b) 將信號源上S、S、S3100000010000001000000S5100NR”輸出速率為128NRZ/（實驗中的K1源端口源端口目標端口連線說明模塊“PAM-SI”提供被抽樣信號模塊“PAMCL”提供抽樣脈沖打開電源，用示波器在“平頂抽樣輸出”處觀察平頂抽樣波形。5、改變抽樣時鐘頻率，觀測自然抽樣信號，驗證抽樣定理。6、觀測解碼后PAM波形與原信號的區(qū)別源端口目標端口連線說明“2K源端口目標端口連線說明“2K同步正弦波”1:“PAM-SIN”提供被抽樣信號“CLK”1:“PAMCLK”提供抽樣時鐘模塊1:“自然抽樣輸出”1:“IN”PAM將K1PAM-SI測“PAM-SIN”和“OUT”波形。7、將信號源產(chǎn)生的音樂信號輸入到模塊1PAM-SIIN”相PAM解調(diào)信號輸出到信號源上的“音頻信號輸入該系統(tǒng)對話音信號的傳輸質(zhì)量。七、實驗思考題1、簡述平頂抽樣和自然抽樣的原理及實現(xiàn)方法。2、在抽樣之后，調(diào)制波形中包不包含直流分量，為什么？3、造成系統(tǒng)失真的原因有哪些？4、為什么采用低通濾波器就可以完成PAM解調(diào)？八、實驗報告要求1、分析電路的工作原理，敘述其工作過程。2、繪出所做實驗的電路、儀表連接調(diào)測圖。并列出所測各點的波形、頻率、電壓等有關(guān)數(shù)據(jù)，對所測數(shù)據(jù)做簡要分析說明。必要時借助于計算公式及推導(dǎo)。3、對實驗思考題加以分析，按照要求作出回答。實驗二之項目二模擬信號的卷積實驗一、實驗?zāi)康?、理解卷積的概念及物理意義。2、通過實驗的方法加深對卷積運算的圖解方法及結(jié)果的理解。二、實驗內(nèi)容觀察驗證方波和三角波的互卷積。三、實驗器材1、信號源模塊 一塊2、軟件無線電模塊 一塊3、雙蹤示波器 一臺四、實驗原理及電路說明任意激勵信號的零狀態(tài)響應(yīng)。設(shè)系統(tǒng)的激勵信號為xt，沖激響應(yīng)為t，則系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)為：y(t)(t)*(t)

x(t)h(t)d對于任意兩個信號f(t)和f(t)，兩者做卷積運算定義為：1 2f(t)

f(t)f1

(t)d=f1

(t)*f2

(t)=f2

(t)*f1

(t)表1 常用信號卷積表矩形脈沖信號與鋸齒波信號的卷積信號f(t)為鋸齒波信號，f(t)為矩形脈沖信號，如圖1-8所示。根據(jù)卷積積分的運算1 2方法得到f(t)和f(t)的卷積積分結(jié)果y(t)，如圖1(i)所示。1 2圖1-8矩形脈沖信號與鋸齒脈沖信號的卷積積分的結(jié)果本實驗進行的卷積運算的實現(xiàn)方法在本實驗裝置中采用了DSP時，是先通過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用所編寫的相應(yīng)程序控制DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字信號的卷積運算，再把運算結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。結(jié)果與模擬信1-9為信號卷積的流程圖。f1(t)f1(t)A/D轉(zhuǎn)換DSP號處理芯片完成卷積D/A轉(zhuǎn)換f1(t)*f2(t)f2(t)圖1-9 信號卷積的流程圖實驗引腳說明：ADC-IP4： 方波信號輸入DACP16： 卷積信號輸出五、實驗步驟1、依照上文所述方法，分析并畫出方波與三角波的互卷積波形。2、實驗連線說明如下：源端口源端口目的端口連線說明信號源：非同步模擬信號SDR：P4500Hz方波3、將軟件無線電模塊的S200010004、實驗現(xiàn)象說明：觀察卷積后的波形P1，驗證分析結(jié)果。實驗二之項目三方波信號的分解實驗一、實驗?zāi)康?、分析典型的矩形脈沖信號，了解矩形脈沖信號諧波分量的構(gòu)成。2、觀察矩形脈沖信號通過多個數(shù)字濾波器后，分解出各諧波分量的情況。二、實驗內(nèi)容觀察不同占空比方波的分解波形，記錄其幅頻特性。三、實驗器材1、通原信號源 一塊2、軟件無線電模塊 一塊3、雙通道20M示波器 一臺四、實驗原理及電路說明（一）信號的頻譜信號的時域特性和頻域特性是對信號的兩種不同的描述方式(t)(Dirichlet)條件，就可以將其展開成三角形式或指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)。例如，對于一個周期為T的時域周期信號f(t)，可以用三角形式的傅里葉級數(shù)求出它的各次分量，在區(qū)間(t,t1 1

T內(nèi)表示為f(t)a0

(ann1

cos ntbn

sinnt)即將信號分解成直流分量及許多余弦分量和正弦分量，研究其頻譜分布情況。An5An530 A （a）

0 Ω 5 ω（c）0 t（b）圖1-10 信號的時域特性和頻域特性信號的時域特性與頻域特性之間有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系可以用圖1-10來形象地表示。其中圖(a)是信號在幅度－時間－頻率三維座標系統(tǒng)中的圖形；圖(b)是信號在幅度－時間坐標系統(tǒng)中的圖形即波形圖；把周期信號分解得到的各次諧波分量按頻率的高低排是信號在幅度－研究信號振幅頻譜。（二）方波信號的分解原理任何具有周期為T的波函數(shù)f(t)都可以表示為三角函數(shù)所構(gòu)成的級數(shù)之和，即：f(t)

1a (a2 0 n1

cosbn

sinnt)其中：T為角頻率。＝a0為直流分量。T 2圖1-11方波信號所謂周期性函數(shù)的傅里葉分解就是將周期性函數(shù)展開成直流分量、基波和所有ｎ階諧波的迭加。如圖所示的方法可以寫成：

h 2(0th 2f(t)h T ( t0) 2此方波為奇函數(shù)，它沒有常數(shù)項。數(shù)學(xué)上可以證明此方波可表示為：f(t)

4h(sint1sin3t1sin5t1sin7t) 3 5 7=4hn1

( 12n

)sin[(2n通過帶通濾波器將電信號中所包含的某一頻率成分提取出來。得到基波和3、5、?次諧波。實驗引腳說明：ADC_IP4：模擬信號輸入500HZ方波P16：1次諧波的波形觀測點P17：其他諧波的波形