实验一 第二章 模拟信号数字化

第二章 模拟信号数字化

实验一 脉冲幅度调制与解调实验

一、实验目的

1、掌握抽样定理的概念。

2、理解脉冲幅度调制的原理和特点。

3、了解脉冲幅度调制波形的频谱特性。

4、了解脉冲幅度调制与解调电路的实现。

二、实验内容

1、观察音频信号、抽样脉冲及PAM 调制信号的波形，并注意它们之间的相互关系。

2、改变抽样时钟的占空比，观察PAM 调制信号及其解调信号波形的变化情况。

3、观察脉冲幅度调制波形的频谱。

三、实验仪器

1、信号源模块

2、PAM&AM 模块

3、终端模块（可选）

4、频谱分析模块（可选）

5、20M 双踪示波器 一台

6、频率计（可选） 一台

7、音频信号发生器（可选） 一台

8、立体声单放机（可选） 一台

9、立体声耳机（可选） 一副 10、连接线 若干

四、实验原理

（A ）抽样定理 1、低通抽样定理 抽样定理表明：一个频带限制在（0， ）内的时间连续信号()m t ，如果以T ≤ 秒的间隔对它进行等间隔抽样，则()m t 将被所得到的抽样值完全确定。

假定将信号()m t 和周期为T 的冲激函数()t T δ相乘，如图5-1所示。乘积便是均匀间隔为T 秒的冲激序列，这些冲激序列的强度等于相应瞬时上()m t 的值，它表示对函数()m t 的抽样。若用()m t s 表示此抽样函数，则有：

()()()s T m t m t t δ=

12H

f H f

图5-1 抽样与恢复

假设()m t 、()T t δ和()s m t 的频谱分别为()M ω、()T δω和()s M ω。按照频率卷积定理，()m t ()T t δ的傅立叶变换是()M ω和()T δω的卷积：

[]1()()()2s T M M

ωωδωπ=

*

因为 2()T T s n n T

πδδωω∞

=-∞

=-∑

T

s πω2=

所以 1()()()s T s n M M n T ωωδωω∞

=-∞

⎡

⎤

=*

-⎢⎥⎣

⎦

∑

由卷积关系，上式可写成 1()()s s n M M n T

ωωω∞

=-∞

=

-∑

该式表明，已抽样信号()m t s 的频谱()M s ω是无穷多个间隔为ωs 的()

M ω相迭加而成。

这就意味着()M s ω中包含()M ω的全部信息。

需要注意，若抽样间隔T 变得大于 ，则()

M

ω和()

T

δω的卷积在相邻的周期内存在

重叠（亦称混叠），因此不能由()M s ω恢复()

M

ω。可见， 是抽样的最大间隔，它被

称为奈奎斯特间隔。图5-2画出当抽样频率s f ≥2B 时（不混叠）及当抽样频率s f ＜2B 时（混叠）两种情况下冲激抽样信号的频谱。

(a) 连续信号的频谱

（b ） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠）

1

2H f 1

2H

T f =

（c ） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）

图5-2 采用不同抽样频率时抽样信号的频谱

2、带通抽样定理

实际中遇到的许多信号是带通信号。例如超群载波电话信号，其频率在312KHz 至552KHz 之间。若带通信号的上截止为频率H f ,下截止频率为L f ,此时并不一定需要抽样频率高于两倍上截止频率。带通抽样定理说明，此时抽样频率s f 应满足：

)1(2)1)((2N M B N

M f f f L H s +

=+

-=

其中，L H f f B -=，N f f f M L H H --=)]/([，N 为不超过）（

L H H f f f -/的最大正整数。由此可知，必有10<≤M 。由上式画出曲线。由图可知，带通信号的抽样频率在2B 至4B 间变动。

（B ）脉冲振幅调制与解调 1、脉冲振幅调制实验

所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则上述所介绍的抽样定理，就是脉冲幅度调制的原理。

图5-3 脉冲幅度调制原理框图

但是，实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，通常采用窄脉冲串来代替。本实验采用图5-3所示的原理方框图。具体的电路原理图如图5-4所示。

图5-4 脉冲幅度调制电路原理图

图中，从PAM音频输入端口输入2KHz左右的正弦波信号，通过隔直电容去掉模拟信号中的直流分量，然后通过电压跟随器电路（U01）提高其带负载的能力，然后信号被送入模拟开关（U02）。由于实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，这里采用方波脉冲信号代替。具体实现方法是通过改变信号源“24位NRZ码型设置”及“BCD码分频值设置”，使得“NRZ”端输出不同占空比的近似8KHz的方波信号。该方波信号从PAM时钟输入端口输入，当方波为高电平时，模拟开关导通，正弦波通过并从调制端口输出；当方波为低电平时，模拟开关截止，输出零电平。

2、脉冲振幅解调

若要还原出原始的音频信号，则将该PAM信号通过截止频率略大于2KHz的二阶低通滤波器，滤除掉其中的高频成分即可。解调电路如图5-5所示。

图5-5 脉冲幅度调制信号解调电路原理图

五、实验步骤

1、将信号源模块、PAM&AM模块小心地固定在主机箱中，确保电源接触良好。

2、插上电源线，打开主机箱右侧的交流开关，再分别按下两个模块中的开关POWER1、

POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后打开电源做实验，不要带电连线）

3、不同占空比8KHz方波脉冲分别对2KHz正弦信号抽样实验

将信号源模块产生的正弦波（峰-峰值在2V左右，从信号输出点“模拟输出”输出）送入PAM&AM模块的信号输入点“PAM音频输入”，将信号源模块产生的8KHz 方波（从信号输出点“NRZ”输出）送入PAM&AM模块的信号输入点“PAM时钟输入”。选择不同拨码设置的NRZ码后，观察“调制输出”测试点PAM抽样信号的波形，并注意它与正弦信号及抽样脉冲三者之间的关系。