实验一 抽样定与脉冲编码实验.doc

实验一 抽样定理与脉冲编码实验 一、实验目的 1、掌握抽样定理的概念。 2、掌握脉冲编码调制与解调的原理。 二、实验仪器 1、信号源模块 2、PAM/AM模块 3、模拟信号数字化模块 4、双踪示波器 三、实验原理 信号源模块可以大致分为模拟部分和数字部分，分别产生模拟信号和数字信号。 1、模拟信号源部分 模拟信号源部分可以输出频率和幅度任意改变的正弦波（频率变化范围100Hz～10KHz）、三角波（频率变化范围100Hz～1KHz）、方波（频率变化范围100Hz～10KHz）、锯齿波（频率变化范围100Hz～1KHz）以及32KHz、64KHz的点频正弦波（幅度可以调节），各种波形的频率和幅度的调节方法请参考实验步骤。该部分电路原理框图如图1所示。 图1 模拟信号源部分原理框图 在实验前，我们已经将各种波形在不同频段的数据写入了数据存储器U04,并存放在固定的地址中。当单片机U03检测到波形选择开关和频率调节开关送入的信息后，一方面通过预置分频器调整U01中分频器的分频比(分频后的信号频率由数码管SM01～SM04显示)；另一方面根据分频器输出的频率和所选波形的种类，通过地址选择器选中数据存储器U04中对应地址的区间，输出相应的数字信号。该数字信号经过D/A转换器U05和开关电容滤波器U06后得到所需模拟信号。 2、数字信号源部分 数字信号源部分可以产生多种频率的点频方波、NRZ码（可通过拨码开关SW01、SW02、SW03改变码型）以及位同步信号和帧同步信号。绝大部分电路功能由U01来完成，通过拨码开关SW04、SW05可改变整个数字信号源位同步信号和帧同步信号的速率，该部分电路原理框图如图2所示。 图2 数字信号源部分原理框图 晶振出来的方波信号经3分频后分别送入分频器和另外一个可预置分频器分频，前一分频器分频后可得到1024KHz、256KHz、64KHz、32KHz、8KHz的方波。可预置分频器的分频值可通过拨码开关SW04、SW05来改变，分频比范围是1～9999。分频后的信号即为整个系统的位同步信号（从信号输出点“BS”输出）。数字信号源部分还包括一个NRZ码产生电路，通过该电路可产生以24位为一帧的周期性NRZ码序列，该序列的码型可通过拨码开关SW01、SW02、SW03来改变。在后继的码型变换、时分复用、CDMA等实验中，NRZ码将起到十分重要的作用。 3、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，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 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。图4画出当抽样频率≥2B时（不混叠）及当抽样频率＜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） （c） ,下截止频率为,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，此时抽样频率应满足： 其中，，，N为不超过的最大正整数。由此可知，必有。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。 5、PCM工作原理 所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变换成代码。脉码系统原理框图如图1所示。 抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。国际标准化的PCM码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。编码后的PCM码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300－3400Hz左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。 在整个PCM系统中，重建信号的失真主要来源于量化以及信道传输误码。通常，用信号与量化噪声的功率比，即信噪比S/N来表示。