实验一 CPLD可编程数字信号发生器实验.doc

武汉凌特电子技术有限公司 LTE-TX-02E型通信原理实验指导书
实验三 抽样定理和PAM调制解调实验

一、 实验目的
1、 通过脉冲幅度调制实验，使学生能加深理解脉冲幅度调制的原理。
2、 通过对电路组成、波形和所测数据的分析，加深理解这种调制方式的优缺点。

二、 实验内容
1、 观察模拟输入正弦波信号、抽样时钟的波形和脉冲幅度调制信号，并注意观察它们之间的相互关系及特点。
2、 改变模拟输入信号或抽样时钟的频率，多次观察波形。

三、 实验器材
1、 信号源模块 一块
2、 ①号模块 一块
3、 20M双踪示波器 一台
4、 连接线 若干

四、 实验原理
（一）基本原理
1、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，如果以T≤秒的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。
假定将信号和周期为T的冲激函数相乘，如图3-1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的值，它表示对函数的抽样。若用表示此抽样函数，则有：

图3-1 抽样与恢复
假设、和的频谱分别为、和。按照频率卷积定理，的傅立叶变换是和的卷积：

因为

所以
由卷积关系，上式可写成

该式表明，已抽样信号的频谱是无穷多个间隔为ωs的相迭加而成。这就意味着中包含的全部信息。
需要注意，若抽样间隔T变得大于，则和的卷积在相邻的周期内存在重叠（亦称混叠），因此不能由恢复。可见，是抽样的最大间隔，它被称为奈奎斯特间隔。
上面讨论了低通型连续信号的抽样。如果连续信号的频带不是限于0与之间，而是限制在（信号的最低频率）与（信号的最高频率）之间（带通型连续信号），那么，其抽样频率并不要求达到，而是达到2B即可，即要求抽样频率为带通信号带宽的两倍。
0
0

图3-2画出抽样频率≥2B（无混叠）和＜2B（有混叠）时两种情况下冲激抽样信号的频谱。
(a) 连续信号的频谱
1
0

0

（b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（无混叠）
0

1

0

（c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）
图3-2 采用不同抽样频率时抽样信号的频谱
2、脉冲振幅调制（PAM）
所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随输入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，则前面所说的抽样定理，就是脉冲增幅调制的原理。
但是实际上真正的冲激脉冲串并不能付之实现，而通常只能采用窄脉冲串来实现。因而，研究窄脉冲作为脉冲载波的PAM方式，将具有实际意义。

图3-3 自然抽样及平顶抽样波形
PAM方式有两种：自然抽样和平顶抽样。自然抽样又称为“曲顶”抽样，已抽样信号ms(t)的脉冲“顶部”是随m(t)变化的，即在顶部保持了m(t)变化的规律（如图3-3所示）。平顶抽样所得的已抽样信号如图3-3所示，这里每一抽样脉冲的幅度正比于瞬时抽样值，但其形状都相同。在实际中，平顶抽样的PAM信号常常采用保持电路来实现，得到的脉冲为矩形脉冲。
（二) 电路组成
脉冲幅度调制实验系统如图3-4所示，主要由抽样保持芯片LF398和解调滤波电路两部分组成，电路原理图如图3-5所示。

图3-4 脉冲振幅调制电路原理框图

图3-5 脉冲幅度调制电路原理图
（三）实验电路工作原理
1、 PAM调制电路
如图3-5所示，LF398是一个专用的采样保持芯片，它具有很高的直流精度和较高的采样速率，器件的动态性能和保持性能可以通过合适的外接保持电容达到最佳。
LF398的内部结构如图3-6所示；

图3-6 LF398的内部电路结构
N1是输入缓冲放大器，N2是高输入阻抗射极输出器。S为逻辑控制采样/保持开关，当S接通时，开始采样；当S断开时，开始保持。
LF398的引脚功能为：
3、12脚：正负电源输入端。
1脚：Vi，模拟电压输入端。
11脚：MCTR，逻辑控制输入端，高电平为采样，低电平为保持。
10脚：MREF，逻辑控制电平参考端，一般接地。
8脚：HOC，采样/保持电容接入端。
7脚：OUT，采样/保持输出端。
如图3-5所示，被抽样信号从PAM-SIN输入，进入LF398的1脚Vi端，经内部输入缓冲放大器N1放大后送到模拟开关S，此时，将抽样脉冲作为S的控制信号，当LF398的11脚MCTR端为高电平时开关接通，为低电平时开关断开。然后经过射极输出器N2输出比较理想的脉冲幅度调制信号。K1为“平顶抽样”、“自然抽样”选择开关。
2、PAM解调与滤波电路
解调滤波电路由集成运放电路TL084组成。组成了一个二阶有源低通滤波器，其截止频率设计在3.4KHz左右，因为该滤波器有着解调的作用，因此它的质量好坏直接影响着系统的工作状态。该电路还在后续实验接收部分有用到。电路如图3-7所示

图3-7 PAM解调滤波电路
五、 测试点说明
1、输入点参考说明
PAM-SIN：音频信号输入端口
PAMCLK：抽样时钟信号输入端口
IN：PAM解调滤波电路输入端口
2、输出点说明
自然抽样输出：自然抽样信号输出端口
平顶抽样输出：平顶抽样信号输出端口
OUT：PAM解调滤波输出端口

六、 实验步骤及注意事项
1、 将信号源模块、模块1固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，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，将信号源模块和模块1的电源开关拨下，观察指示灯是否点亮，红灯为+5V电源指示灯，绿灯为-12V电源指示灯，黄色为+12V电源指示灯。（注意，此处只是验证通电是否成功，在实验中均是先连线，再打开电源做实验，不要带电连线）。
3、 观测PAM自然抽样波形
1) 用示波器观测信号源“2K同步正弦波”输出，调节W1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在4V左右。
2) 将信号源上S4设为“1010”，使“CLK1”输出32K时钟。
3) 将模块1上K1选到“自然”。
4) 关闭电源，按如下方式连线
源端口
目标端口
连线说明
信号源：“2K同步正弦波”
模块1:“PAM-SIN”
提供被抽样信号
信号源：“CLK1”
模块1:“PAMCLK”
提供抽样时钟
* 检查连线是否正确，检查无误后打开电源
5) 用示波器在“自然抽样输出”处观察PAM自然抽样波形。
4、 观测PAM平顶抽样波形
a) 用示波器观测信号源“2K同步正弦波”输出，调节W1改变输出信号幅度，使输出信号峰-峰值在4V左右。
b) 将信号源上S1、S2、S3依次设为“10000000”、“10000000”、“10000000”，将S5拨为“1000”，使“NRZ”输出速率为128K，抽样频率为：NRZ频率/8（实验中的电路，NRZ为“1”时抽样，为“0”时保持。在平顶抽样中，抽样脉冲为窄脉冲）。
c) 将K1设为“平顶”。关闭电源，按下列方式进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：“2K同步正弦波
模块1：“PAM-SIN”
提供被抽样信号
信号源：“NRZ”
模块1：“PAMCLK”
提供抽样脉冲
d) 打开电源，用示波器在“平顶抽样输出”处观察平顶抽样波形。
5、 改变抽样时钟频率，观测自然抽样信号，验证抽样定理。
6、 观测解码后PAM波形与原信号的区别
1) 步骤3的前3步不变,按如下方式连线
源端口
目标端口
连线说明
信号源：“2K同步正弦波”
模块1:“PAM-SIN”
提供被抽样信号
信号源：“CLK1”
模块1:“PAMCLK”
提供抽样时钟
模块1:“自然抽样输出”
模块1:“IN”
将PAM信号进行译码
2) 将K1设为“自然”，用“PAM-SIN”信号做示波器的触发源，用双踪示波器对比观测“PAM-SIN”和“OUT”波形。
7、 将信号源产生的音乐信号输入到模块1的“PAM-SIN”，“自然抽样输出”和“IN”相连，PAM解调信号输出到信号源上的“音频信号输入”，通过扬声器听语音，感性判断该系统对话音信号的传输质量。

七、 实验思考题
1、 简述平顶抽样和自然抽样的原理及实现方法。
2、 在抽样之后，调制波形中包不包含直流分量，为什么？
3、 造成系统失真的原因有哪些？
4、 为什么采用低通滤波器就可以完成PAM解调？

八、 实验报告要求
1、 分析电路的工作原理，叙述其工作过程。
2、 绘出所做实验的电路、仪表连接调测图。并列出所测各点的波形、频率、电压等有关数据，对所测数据做简要分析说明。必要时借助于计算公式及推导。
3、 对实验思考题加以分析，按照要求作出回答