通信原理綜合實(shí)驗(yàn)箱,抽樣定理及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 1．經(jīng)過(guò)對(duì)模仿信號(hào)抽樣的實(shí)驗(yàn),深入對(duì)抽樣定理的理解；
2．經(jīng)過(guò)PAM調(diào)制實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能深入理解脈沖幅度調(diào)制的特別點(diǎn)；
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(cè)量試驗(yàn)方法。

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

三、實(shí)驗(yàn)原理
抽樣定理告訴我們：如果對(duì)某一帶寬有限的時(shí)間連續(xù)信號(hào)（模仿信號(hào)）實(shí)行抽樣，而且抽樣速率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，那么按照這些抽樣值就能準(zhǔn)確地還原原信號(hào)。這就是說(shuō)，若要傳輸模仿信號(hào)，不一定要傳輸模仿信號(hào)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(hào)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(hào)在時(shí)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(guó)外在上世紀(jì)70年代研究成果表明其實(shí)用性不強(qiáng)，而國(guó)內(nèi)根本就沒(méi)研究和使用過(guò)，所以這里我們就不做簡(jiǎn)介。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)僅簡(jiǎn)介脈沖幅度調(diào)制，因?yàn)樗敲}沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)。
抽樣定理實(shí)驗(yàn)電子回路框圖，如圖1-1所示。



圖1-1 抽樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程構(gòu)造示意圖

本實(shí)驗(yàn)中需要用到以下5個(gè)功能模型塊。
1．非同步函數(shù)信號(hào)或同步正弦波發(fā)生器模型塊：它提供各種有限帶寬的時(shí)間連續(xù)的模仿信號(hào)，并經(jīng)過(guò)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(hào)。P03/P04測(cè)量試驗(yàn)點(diǎn)可用來(lái)調(diào)制信號(hào)的連接和測(cè)量；另外，如果實(shí)驗(yàn)室配備裝備了電話單機(jī)，也可以使用用戶電話模型塊，這樣檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果更直接、更形象，P05/P07測(cè)量試驗(yàn)點(diǎn)可用來(lái)語(yǔ)音信號(hào)的連接和測(cè)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(guò)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(cè)量試驗(yàn)點(diǎn)可用來(lái)抽樣脈沖的連接和測(cè)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(shí)器產(chǎn)生，其頻率經(jīng)過(guò)W05連續(xù)可調(diào)。
3．PAM脈沖調(diào)幅模型塊：它應(yīng)用模仿開(kāi)關(guān)CD4066完成脈沖幅度調(diào)制。抽樣脈沖序列為高電平時(shí)，模仿開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，有調(diào)制信號(hào)輸出；抽樣脈沖序列為低電平，模仿開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，無(wú)信號(hào)輸出。因此，本模型塊完成的是自然抽樣。在32TP01測(cè)量試驗(yàn)點(diǎn)可以測(cè)量到已調(diào)信號(hào)波動(dòng)線。
調(diào)制信號(hào)和抽樣脈沖全部需要外接連線寫(xiě)入。已調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)PAM模仿信道（模仿實(shí)際信道的惰性）的傳輸，從32P03鉚孔輸出，它可能會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)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(shí)，PAM已調(diào)信號(hào)課程課程理論上無(wú)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(hào)。數(shù)字低通濾波器的截止頻率受作業(yè)時(shí)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(xiě)入端，實(shí)驗(yàn)時(shí)需用外接實(shí)驗(yàn)連接線將32P03與P14連接。
5．時(shí)鐘與基帶數(shù)值發(fā)生模型塊：它提供系統(tǒng)作業(yè)時(shí)鐘和接收數(shù)字低通濾波器作業(yè)時(shí)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(dòng)開(kāi)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(qiáng)調(diào)說(shuō)明：實(shí)際應(yīng)用的抽樣脈沖和信號(hào)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)器產(chǎn)生的頻率連續(xù)可調(diào)的脈沖。另外，實(shí)際應(yīng)用中使信號(hào)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(shí)，抽樣頻率不能就等于被抽樣信號(hào)頻率的2倍，否則會(huì)使信號(hào)失真?？紤]到實(shí)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(shí)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(cè)量點(diǎn)的作用
32P01：模仿信號(hào)寫(xiě)入連接鉚孔。
32P02：抽樣脈沖信號(hào)寫(xiě)入連接鉚孔。
32TP01：輸出的抽樣后信號(hào)測(cè)量試驗(yàn)點(diǎn)。
32P03：經(jīng)擬真信道傳輸后信號(hào)的輸出連接鉚孔。
32W01：擬真信道的特性調(diào)動(dòng)電位器。

五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟
1．插入有關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪K：
在關(guān)閉系統(tǒng)電源的條件下，將"時(shí)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(hào)的位置插頭座上（具體位置可見(jiàn)底層基板右下角的"實(shí)驗(yàn)?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(hào)與底層基板位號(hào)的一致。
2．信號(hào)線連接：
用專用鉚孔實(shí)驗(yàn)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(xiě)入鉚孔）。
3．加電：
打開(kāi)系統(tǒng)電源開(kāi)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(qǐng)立即關(guān)閉電源，查找異常原因。
4．寫(xiě)入模仿信號(hào)查看：
模仿信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的模仿信號(hào)送入抽樣模型塊的32P01點(diǎn)，用示波器在32P01處查看，調(diào)動(dòng)同步正弦波電位器W04，使該點(diǎn)正弦信號(hào)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(guò)W05連續(xù)可調(diào)。
6．取樣信號(hào)查看：
示波器接在32TP01上，可查看PAM取樣信號(hào)，示波器接在32P03上，調(diào)動(dòng)"PAM脈沖幅度調(diào)制"上的32W01可改變PAM信號(hào)傳輸信道的特性，PAM取樣信號(hào)波動(dòng)線會(huì)發(fā)生改變。
7．取樣恢復(fù)信號(hào)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(hào)從P14寫(xiě)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(hào)頻率，由于模仿信號(hào)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(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)行取樣恢復(fù)信號(hào)查看實(shí)驗(yàn)。
(1) 在一定頻率的模仿信號(hào)（一般2KHZ）下，設(shè)定低通濾波器3KHZ截止頻率。調(diào)動(dòng)不一樣的抽樣時(shí)鐘，用示波器查看各點(diǎn)波動(dòng)線，檢驗(yàn)抽樣定理，并做詳細(xì)記錄、繪圖。注意，PAM傳輸模型塊的32TP01、32P03測(cè)量試驗(yàn)點(diǎn)波動(dòng)線調(diào)動(dòng)近似，即不失真為準(zhǔn)。
(2) 在一定頻率的抽樣時(shí)鐘（一般8KHZ）fs下，調(diào)動(dòng)模仿信號(hào)源的頻率f（一般小于4KHZ），即保持抽樣時(shí)鐘與模仿信號(hào)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(diǎn)波動(dòng)線，檢驗(yàn)PAM通信系統(tǒng)的功能，并做詳細(xì)記錄、繪圖。
8．關(guān)機(jī)拆線：
實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉電源，拆除信號(hào)連線，并按要求放置好實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪K。
注：非同步函數(shù)信號(hào)在抽樣時(shí)的波動(dòng)線在示波器上不容易形成平穩(wěn)的波動(dòng)線，需耐心地調(diào)動(dòng)；若要查看平穩(wěn)的波動(dòng)線可使用同步正弦波信號(hào)和同步抽樣脈沖。

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1.寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容。
2.簡(jiǎn)述抽樣定理及PAM實(shí)驗(yàn)原理，并畫(huà)出實(shí)驗(yàn)框圖。
3.寫(xiě)出自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)各種測(cè)量試驗(yàn)條件，所測(cè)各點(diǎn)的波動(dòng)線、頻率、電壓（V）等各項(xiàng)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)值并檢驗(yàn)抽樣定理。
4.說(shuō)明抽樣后信號(hào)經(jīng)過(guò)PAM模仿信道傳輸及接收數(shù)字低通濾波器后，波動(dòng)線將會(huì)出現(xiàn)哪些失真。
5.寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)體會(huì)。