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实验4 矩形脉冲信号的分解
一、实验目的
1. 分析典型的矩形脉冲信号，了解矩形脉冲信号谐波分量的构成；
2. 观察矩形脉冲信号通过多个数字滤波器后，分解出各谐波分量的情况。
二、实验原理
1. 信号的频谱与测量
信号的时域特性和频域特性是对信号的两种不同的描述方式。对于一个时域的周期信号，只要满足狄利克莱(Dirichlet)条件，就可以将其展开成三角形式或指数形式的傅里叶级数。
例如，对于一个周期为T的时域周期信号，可以用三角形式的傅里叶级数求出它的各次分量，在区间内表示为：-----（1）
即将信号分解成直流分量及许多余弦分量和正弦分量，研究其频谱分布情况。

图4-1 信号的时域特性和频域特性

信号的时域特性与频域特性之间有着密切的内在联系，这种联系可以用图4-1来形象地表示。其中图4-1(a)是信号在幅度--时间--频率三维座标系统中的图形；图4-1(b)是信号在幅度--时间座标系统中的图形即波形图；把周期信号分解得到的各次谐波分量按频率的高低排列，就可以得到频谱图。反映各频率分量幅度的频谱称为振幅频谱。图4-1(c)是信号在幅度--频率座标系统中的图形即振幅频谱图。反映各分量相位的频谱称为相位频谱。在本实验中只研究信号振幅频谱。周期信号的振幅频谱有三个性质：离散性、谐波性、收敛性。测量时利用了这些性质。从振幅频谱图上，可以直观地看出各频率分量所占的比重。测量方法有同时分析法和顺序分析法。
同时分析法的基本工作原理是利用多个滤波器，把它们的中心频率分别调到被测信号的各个频率分量上。当被测信号同时加到所有滤波器上，中心频率与信号所包含的某次谐波分量频率一致的滤波器便有输出。在被测信号发生的实际时间内可以同时测得信号所包含的各频率分量。在本实验中采用同时分析法进行频谱分析，如图4-2所示。

信号合成
信号分解

图4-2 用同时分析法进行频谱分析

其中，P801出来的是基频信号，即基波；P802出来的是二次谐波；P803的是三次谐波，依此类推。

2. 矩形脉冲信号的频谱

一个幅度为E，脉冲宽度为τ，重复周期为T的矩形脉冲信号，如图4-3所示。
图4-3 周期性矩形脉冲信号
其傅里叶级数为：
----（2）
该信号第次谐波的振幅为：
----（3）

由上式可见第次谐波的振幅与、、有关。

3. 信号的分解提取

进行信号分解和提取是滤波系统的一项基本任务。当我们仅对信号的某些分量感兴趣时，可以利用选频滤波器，提取其中有用的部分，而将其它部分滤去。
目前DSP数字信号处理系统构成的数字滤波器已基本取代了传统的模拟滤波器，数字滤波器与模拟滤波器相比具有许多优点。用DSP构成的数字滤波器具有灵活性高、精度高和稳定性高，体积小、性能高，便于实现等优点。因此在这里我们选用了数字滤波器来实现信号的分解。
在数字滤波器模块上，选用了有8路输出的D/A转换器TLV5608（U502），因此设计了8个滤波器（一个低通、六个带通、一个高通）将复杂信号分解提取某几次谐波。
分解输出的8路信号可以用示波器观察，测量点分别是
TP801、TP802、TP803、TP804、 TP805、TP806、TP807 、TP808。

三、实验内容
（一）、开关设置和线路连接
1．J701:“方波” P702----P101
2．按SW101，数码管SMG101上显示数字“5”。
(二)、实验步骤

1、 输入的矩形脉冲信号:=4KHZ V=4V，
改变信号的脉宽，测量不同 时信号频谱中各分量的大小。

2、示波器可分别在TP801、TP802、TP803、TP804、TP805、

TP806、TP807和TP808上观测信号各次谐波的波形。
根据表4-1、表4-2中给定的数值进行实验，并记录实验获得的数据填入表中。
注意：在调节输入信号的参数值（频率、幅度等）时，需在P702与P101连接后，用示波器在TP101上观测调节。S704按钮为占空比选择按钮，每按下一次可以选择不同的占空比输出。

3、/T=1/2：的数值按要求调整，测得的信号频谱中

各分量的大小，其数据按表的要求记录

电压峰峰值的理论值的算法：按公式（3）求出
电压有效值的算法：峰值乘以根号2分之一（峰值乘以0.707）

表4-1 的矩形脉冲信号的频谱
，T= 250 ，， 125 ，
谐波频率
1f
2f
3f
4 f
5 f
6 f
7 f
8f 以上

理论值
电压有效值
1.8
0
-0.6
0
0.36
0
-.26

电压峰峰值
51
0
-1.7
0
0.31.02
0
-.726
.46

测量值
电压有效值

电压峰峰值
1.6
0.6
0.9
0
0.3
0
.22
.46

4、 ：矩形脉冲信号的脉冲幅度和频率不变，的数值按要求调整，测得的信号频谱中各分量的大小，其数据按表的要求记录。
表4-2 的矩形脉冲信号的频谱
，T= 250 ，，62.5 ，
谐波频率
1f
2f
3f
4 f
5 f
6 f
7 f
8 f 以上

理论值
电压有效值
1.27
0.9
0.42
0
.254
0.3
0.18

电压峰峰值
3.6
2.55
1.2
0
0.72
0.85
0.51

测量值
电压有效值

电压峰峰值
1
0.8
0.6
0
0.2
.28
0.2
0.8

注意4个跳线器K801、K802、K803、K804应放在左边位置。4个跳线器的功能为：当置于左边位置时，只是连通；当置于右边位置时，可分别通过W801、W802、W803、W408调节各路谐波的幅度大小。
四、实验报告要求
1. 按要求记录各实验数据，填写表4-1、表4-2。
2. 描绘三种被测信号的振幅频谱图。
五、实验设备
1.信号与系统实验箱、双踪示波器、毫伏表各1台　　　　　　　
六、思考题
1. 的矩形脉冲信号在哪些谐波分量上幅度为零？请画出基波信号频率为5KHz的矩形脉冲信号的频谱图（取最高频率点为10次谐波）。
2. 要提取一个的矩形脉冲信号的基波和2、3次谐波，以及4次以上的高次谐波，你会选用几个什么类型（低通？带通？…）的滤波器？
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