实验一脉冲振幅（PAM）调制与解调系统实验一、实验目的1.通过脉冲幅度调制与解调实验，加深理解脉冲幅度调制与解调的特点2.通过PAM系统实验，掌握PAM系统的电路组成与工作原理，建立PAM通信系统的概念。3.通过验证抽样定理实验，加深理解和掌握抽样定理。二、实验仪器一台1.JH5001通信原理综合实验系统一台2.双踪示波器3.函数信号发生器一台三、实验任务与要求1.基本实验1.1实验原理和电路说明抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。抽样定理指出，一个频带受限信号m（t），如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。通常将语音信号通过一个3400Hz低通滤波器（或通过一个300～3400Hz的带通滤波器），限制语音信号的最高频率为3400Hz，这样可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示。语音信号的频谱和语音信号抽样频谱见图1.1和图1.2所示。从语音信号抽样频谱图可知，用截止频率为fh的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m（t）。Am(t器62f,+6f+f图1.1语音信号频谱图1.2语音信号的抽样频谱实际上，设计实现的滤波器特性不可能是理想的，对限制最高频率为3400Hz的语音信号，通常采用8KHz抽样频率。这样可以留出一定的防卫带（1200Hz），参见图1.3所示。当抽样频率fs低于2倍语音信号的最高频率fh，就会出现频谱混迭现象，产生混送噪声，影响恢复出的话音质量，原理参见图1.4所示。AM实际低通滤波器0f.f,+f.2f,+fgoff+f2f,+f图1.3留出防卫带的语音信号的抽样频谱图1.4fs<2fh时语音信号的抽样频谱1
1 实验一 脉冲振幅（PAM）调制与解调系统实验 一、实验目的 1．通过脉冲幅度调制与解调实验，加深理解脉冲幅度调制与解调的特点. 2．通过PAM系统实验，掌握PAM系统的电路组成与工作原理，建立PAM通信系统的概念。 3．通过验证抽样定理实验，加深理解和掌握抽样定理。 二、实验仪器 1．JH5001 通信原理综合实验系统 一台 2．双踪示波器 一台 3．函数信号发生器 一台 三、实验任务与要求 1.基本实验 1.1 实验原理和电路说明 抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。抽样过程是模拟信号数 字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。利用抽样脉冲把一个 连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。 抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率 等于或大于2fh 的样值序列所决定。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全 部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。 通常将语音信号通过一个3400 Hz 低通滤波器（或通过一个300～3400Hz 的带通滤波 器），限制语音信号的最高频率为3400Hz，这样可以用频率大于或等于6800 Hz 的样值序列 来表示。语音信号的频谱和语音信号抽样频谱见图1.1 和图1.2 所示。从语音信号抽样频谱 图可知，用截止频率为fh 的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m(t)。 图 1.1 语音信号频谱 图 1.2 语音信号的抽样频谱 实际上，设计实现的滤波器特性不可能是理想的，对限制最高频率为3400Hz 的语音信 号，通常采用8KHz 抽样频率。这样可以留出一定的防卫带（1200Hz），参见图1.3 所示。 当抽样频率fs 低于2 倍语音信号的最高频率fh，就会出现频谱混迭现象，产生混迭噪声， 影响恢复出的话音质量，原理参见图1.4 所示。 图 1.3 留出防卫带的语音信号的抽样频谱 图 1.4 fs＜2fh 时语音信号的抽样频谱
在抽样定理实验中，采用标准的8KHz抽样频率，并用函数信号发生器产生一个频率为fh的信号来代替实际语音信号。通过改变函数信号发生器的频率fh，观察抽样序列和低通滤波器的输出信号，检验抽样定理的正确性。PAM调制与解调系统电路组成如图1.5所示。POLTDK702LCHA8K701ta1209299130-RTET31H缓冲器士an语音限带抽样CTxIT.o缓冲器A低通滤波器HTLaRCTEnTEADE潮凝爆工#图1.5PAM调制与解调系统电路原理图电路原理描述：输入信号首先经过信号选择跳线开关K701，当K701设置在N位置时（左端），输入信号来自电话接口1模块的发送话音信号：当K701设置在T位置时（右端），输入信号来自测试信号。测试信号可以选择外部测试信号或内部测试信号，由交换模块DTMF1内的跳线开关K001控制转换。当设置在1_2位置（左端）时，选择内部1KHz测试信号；当设置在2_3位置（右端）时选择外部测试信号。测试信号从J005模拟测试端口输入，抽样定理实验采用外部测试信号输入。运放U701A、U701B（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB带宽，截止频率JH为3400Hz的低通滤波器，用于限制最高的语音信号频率。信号经运放U701C缓冲输出，送到U703（CD4066）模拟开关。模拟开关U703（CD4066）通过抽样时钟完成对信号的抽样，形成抽样序列信号。信号经运放U702B（TL084）缓冲输出。运放U702A、U702C（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB带宽，截止频率JH为3400Hz的低通滤波器，用来恢复原始信号。跳线开关K702用于选择输入滤波器，当K702设置在F（左端）位置时，信号经过3400Hz的低通滤波器；当K702设置在NF（右端）位置时，信号不经过抗混迭滤波器直接送到抽样电路，其目的是为了观测混送现象。设置在交换模块内的跳线开关KQ02为抽样脉冲选择开关：设置在H（左端）位置为平项2
2 在抽样定理实验中，采用标准的8KHz 抽样频率，并用函数信号发生器产生一个频率为 fh 的信号来代替实际语音信号。通过改变函数信号发生器的频率fh，观察抽样序列和低通滤 波器的输出信号，检验抽样定理的正确性。PAM调制与解调系统电路组成如图1.5 所示。 图1.5 PAM调制与解调系统电路原理图 电路原理描述： 输入信号首先经过信号选择跳线开关K701，当K701 设置在N 位置时（左端），输入信号 来自电话接口1模块的发送话音信号；当K701 设置在T 位置时（右端），输入信号来自测试 信号。测试信号可以选择外部测试信号或内部测试信号，由交换模块DTMF1内的跳线开关K001 控制转换。当设置在1_2 位置（左端）时，选择内部1KHz 测试信号；当设置在2_3 位置（右 端）时选择外部测试信号。测试信号从J005 模拟测试端口输入，抽样定理实验采用外部测 试信号输入。 运放U701A、U701B（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB 带宽，截止频率 H f 为3400Hz 的低通滤波器，用于限制最高的语音信号频率。信号经运放U701C 缓冲输出，送到U703 （CD4066）模拟开关。 模拟开关U703（CD4066）通过抽样时钟完成对信号的抽样，形成抽样序列信号。信号经 运放U702B（TL084）缓冲输出。 运放U702A、U702C（TL084）和周边阻容器件组成一个3dB 带宽，截止频率 H f 为3400Hz 的低通滤波器，用来恢复原始信号。跳线开关K702 用于选择输入滤波器，当K702 设置在F （左端） 位置时，信号经过3400Hz 的低通滤波器；当K702 设置在NF （右端）位置时，信 号不经过抗混迭滤波器直接送到抽样电路，其目的是为了观测混迭现象。 设置在交换模块内的跳线开关KQ02 为抽样脉冲选择开关：设置在H （左端）位置为平顶
抽样，平顶抽样是通过采样保持电容来实现的，且T=Ts设置在NH（右端）为自然抽样，为便于恢复出的信号观测，此抽样脉冲略宽，只是近似自然抽样。平顶抽样有利于解调后提高输出信号的电平，但却会引入信号频谱失真Sin(ot/2)0T/2:为抽样脉冲宽度。通常在实际设备里，收端必须采用频率响应为0T/2%2）的滤波器来进行频谱校准，抵7 Sin(ot /2)消失真。这种频谱失真称为孔径失真。该电路模块各测试点安排如下：1、TP701：输入模拟信号2、TP702：经滤波器输出的模拟信号3、TP703：PAM信号4、TP704：恢复模拟信号5、TP504抽样序列1.2基本实验内容与方法步实验准备工作：将交换模块内的抽样时钟模式开关KQ02设置在NH（右端）位置，将测试信号选择开关K001设置在外部测试信号输入23（右端）位置。将PAM模块中的：K701设置在T（右）位置，K702设置在F（左）位置。TOTO1.2.1.自然抽样PAM信号产生与测量中D测试电路组成框图与信号输入/输出测量点如EO图1.6所示，请在电路框图中标明各单元电路名称和各测量点用途。实验步骤：图1.6测试电路组成框图①模拟信号产生：调整函数信号发生器为正弦波输出：频率为1000Hz、输出电平为2Vp-p的测试信号。送入电话模块1信号测试端口1005和1006（地），并用示波器观测并记录。②抽样脉冲产生与测量：用示波器测量并记录TP504（DPCM1模块）信号波形。③用示波器分别测量并记录：J005、TP701、P703信号波形，以TP701做同步。注意标明此时PAM信号的抽样点数。调整函数信号发生器为正弦波输出：频率分别为500Hz、2000HZ，输出电平为2Vp-P。分别观测并记录PAM信号的抽样点数，说明PAM信号的抽样点数与抽样脉冲的关系。F702O1.2.2自然抽样PAM解调信号的观测10$测试电路组成框图与信号输入/输出测量点如图1.7所示，请在电路框图中标明各单元电路名称和各测量点用途。实验步骤：①保持以上各开关设置不变。图1.7测试电路组成框图②调整函数信号发生器为正弦波输出：频率为1000Hz/电平为2Vp-p，以J005输入信号3
3 抽样，平顶抽样是通过采样保持电容来实现的，且τ =Ts；设置在NH （右端）为自然抽样， 为便于恢复出的信号观测，此抽样脉冲略宽，只是近似自然抽样。平顶抽样有利于解调后提 高输出信号的电平，但却会引入信号频谱失真 / 2 ( / 2) Sin ,τ 为抽样脉冲宽度。通常 在实际设备里，收端必须采用频率响应为 ( / 2) / 2 Sin 的滤波器来进行频谱校准，抵 消失真。这种频谱失真称为孔径失真。 该电路模块各测试点安排如下： 1、 TP701：输入模拟信号 2、 TP702：经滤波器输出的模拟信号 3、 TP703：PAM信号 4、 TP704：恢复模拟信号 5、 TP504：抽样序列 1.2 基本实验内容与方法步骤 实验准备工作： 将交换模块内的抽样时钟模式开关KQ02 设置在NH （右端）位置，将测试信号选择开关 K001 设置在外部测试信号输入2_3 （右端）位置。将PAM模块中的：K701设置在T（右）位 置，K702设置在F（左）位置。 1.2.1. 自然抽样 PAM 信号产生与测量 测试电路组成框图与信号输入/输出测量点如 图1.6 所示，请在电路框图中标明各单元电路名称 和各测量点用途。 实验步骤： 图1.6 测试电路组成框图 ① 模拟信号产生：调整函数信号发生器为正弦波输出：频率为1000Hz、输出电平为2Vp-p 的测试信号。送入电话模块1信号测试端口J005和J006(地)，并用示波器观测并记录。 ② 抽样脉冲产生与测量: 用示波器测量并记录TP504（DPCM1模块）信号波形。 ③ 用示波器分别测量并记录：J005、TP701、P703信号波形，以TP701做同步。注意标 明此时PAM信号的抽样点数。 ④ 调整函数信号发生器为正弦波输出：频率分别为500Hz、2000HZ，输出电平为2Vp-p。 分别观测并记录PAM信号的抽样点数，说明PAM信号的抽样点数与抽样脉冲的关系。 1.2.2 自然抽样 PAM 解调信号的观测 测试电路组成框图与信号输入/输出测量 点如图1.7所示，请在电路框图中标明各单元 电路名称和各测量点用途。 实验步骤： ① 保持以上各开关设置不变。 图1.7 测试电路组成框图 ② 调整函数信号发生器为正弦波输出：频率为1000Hz/电平为2Vp-p，以J005输入信号
做同步，观测记录TP704端点的信号波形。注意原始信号与解调信号的差异。1.2.3平顶抽样PAM信号产生与测量实验步骤：①保持以上设置不变，仅将交换模块（DTMF2）内的抽样时钟模式开关KQ02设置在H位置（左端）。②方法同1测量，请同学自拟测量方案。记录测量波形，与自然抽样测量结果做比较。1.2.4平项抽样PAM解调信号的观测实验步骤①保持以上设置不变。②调整函数信号发生器为正弦波输出：频率为1000Hz/电平为2Vp-p，以J005输入信号做同步，观测记录TP704端点的信号波形并与自然抽样解调测量结果对比分析平顶抽样的测试结果。S0D5.抽样定理的验证与观测-测试电路组成框图与信号输入/输出TEO测量点如图1.8所示，请在电路框图中标明各单元电路名称和各测量点用途。实验步骤：图1.8测试电路组成框图①将K702设置在NF（“右”不用滤波器）位置。将交换模块中的KQ02设置在NH（“右”自然抽样）位置。②按表中所列数据分别输入电平均为2Vp-p的测试信号送入信号测试端口J005和J006。③观测TP704，测试记录输入/输出信号波形，分析解释当输入信号频率不同时，测量结果变化的原因。掌握抽样定理的正确性。输入频率3005001000150020003000350040004500输出波形2.扩展实验在完成并熟悉了PAM调制与解调系统基本实验的基础上，利用EWB仿真软件，合理地选择PAM调制与解调系统单元电路，采用不同的抽样门电路，实现PAM调制与解调功能。2.1仿真电路本仿真实验仅提供了一种适合于EWB仿真的典型PAM调制与解调系统电路，并模拟了两路PAM通信系统。从而帮助实验者初步了解时分复用的通信方式。其电路组成框图如图1.9所示。分路抽样脉冲1抽样模拟信号11门1分路门1低通滤波器1A抽样脉冲1（加法器抽样子分路门2低通滤波器2模拟信号2门2:↑分路抽样脉冲1抽样脉冲2图1.9两路PAM调制与解调系统电路组成框图4
4 做同步,观测记录TP704端点的信号波形。注意原始信号与解调信号的差异。 1.2.3 平顶抽样 PAM 信号产生与测量 实验步骤： ① 保持以上设置不变，仅将交换模块（DTMF2）内的抽样时钟模式开关KQ02 设置在H 位置（左端）。 ② 方法同1 测量，请同学自拟测量方案。记录测量波形，与自然抽样测量结果做比较。 1.2.4 平顶抽样 PAM 解调信号的观测 实验步骤 ① 保持以上设置不变。 ② 调整函数信号发生器为正弦波输出：频率为1000Hz/电平为2Vp-p，以J005输入信号 做同步,观测记录TP704端点的信号波形并与自然抽样解调测量结果对比分析平顶抽样的测 试结果。 5. 抽样定理的验证与观测 测试电路组成框图与信号输入/输出 测量点如图1.8所示，请在电路框图中标明 各单元电路名称和各测量点用途。 实验步骤： 图1.8 测试电路组成框图 ① 将K702设置在NF（“右”不用滤波器）位置。将交换模块中的KQ02设置在NH（“右” 自然抽样）位置 。 ② 按表中所列数据分别输入电平均为2Vp-p的测试信号送入信号测试端口J005和J006。 ③ 观测TP704,测试记录输入/输出信号波形,分析解释当输入信号频率不同时，测量结 果变化的原因。掌握抽样定理的正确性。 输入频率 300 500 1000 1500 2000 3000 3500 4000 4500 输出波形 2.扩展实验 在完成并熟悉了PAM调制与解调系统基本实验的基础上,利用EWB仿真软件,合理地选择 PAM调制与解调系统单元电路，采用不同的抽样门电路，实现PAM调制与解调功能。 2．1 仿真电路 本仿真实验仅提供了一种适合于 EWB 仿真的典型 PAM 调制与解调系统电路，并模拟了 两路 PAM 通信系统。从而帮助实验者初步了解时分复用的通信方式。其电路组成框图如图 1.9 所示。 图 1.9 两路 PAM 调制与解调系统电路组成框图
多路时分复用PAM调制的基本原理，是利用频率、幅度相同，但在时间上互不交叉，排列应序的抽样脉冲控制抽样门，使之在规定的周期时间内输出模拟信号，从而产生PAM信号。解调时，接收端必须恢复与发送端同频同相且排列有序的分路抽样脉冲，控制分路门，其输出经低通滤波器，即实现了对PAM信号的解调。由于分路脉冲的宽度t.是很窄的，当占空比为t，/T的脉冲通过话路低通滤波器后，低通滤波器输出信号很小，这样大的衰减带来的后果是严重的，但是，若在分路门选通后加入保持电容，可使分路后的PAM信号展宽到100%的占空比，从而解决了信号幅度衰减过大的问题，但平顶抽样将引起固有的频率失真。实际的两路PAM调制与解调系统的电路原理图如图1.10所示。TP.TP312k.0hmA2k.ohm1000.0.1VVIDVTPAM3G0.1VNOV低酒oufTPEm100uFTP7140014分特脉神图1.10两路PAM调制与解调系统电路原理图图中GB1和BG2与外围RC元件构成语音限幅电路。模拟乘法器M1与M2为两路抽样门，其输出如否受抽样脉冲控制。抽样门或分路门，也可由场效应管组成的电子开关实现，其电路构成分别如图1.11和图1.12所示。两电路的区别仅分路门输出是以电容作负载，实现平顶抽样。PAMIOUT33uF模拟信号输入1.3kOhm5.1kOhm33UF抽样脉冲输入图1.11场效应管组成的电子开关抽样门电路图5
5 多路时分复用 PAM 调制的基本原理，是利用频率、幅度相同，但在时间上互不交叉，排 列应序的抽样脉冲控制抽样门，使之在规定的周期时间内输出模拟信号，从而产生 PAM 信号。 解调时，接收端必须恢复与发送端同频同相且排列有序的分路抽样脉冲，控制分路门，其输 出经低通滤波器，即实现了对 PAM 信号的解调。由于分路脉冲的宽度 s 是很窄的，当占空 比为 s Ts / 的脉冲通过话路低通滤波器后，低通滤波器输出信号很小，这样大的衰减带来的 后果是严重的，但是，若在分路门选通后加入保持电容，可使分路后的 PAM 信号展宽到 100% 的占空比，从而解决了信号幅度衰减过大的问题，但平顶抽样将引起固有的频率失真。 实际的两路 PAM 调制与解调系统的电路原理图如图 1.10 所示。 图 1.10 两路 PAM 调制与解调系统电路原理图 图中 GB1 和 BG2 与外围 RC 元件构成语音限幅电路。模拟乘法器 M1 与 M2 为两路抽样门， 其输出如否受抽样脉冲控制。 抽样门或分路门，也可由场效应管组成的电子开关实现，其电路构成分别如图 1.11 和 图 1.12 所示。两电路的区别仅分路门输出是以电容作负载，实现平顶抽样。 图 1.11 场效应管组成的电子开关抽样门电路图