实验一 信号源与脉冲调幅实验

一、实验目的

1、掌握抽样定理的概念。

2、理解脉冲幅度调制的原理和特点。

3、了解频率连续变化的各种波形的产生方法。 4、了解脉冲幅度调制与解调电路的实现。

二、实验仪器

1、信号源模块 2、PAM/AM模块 3、万用表 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。

BCD码分频设置可预置分频器2BSBSFSNRZ码产生器24MHz晶振3分频2分频2分频分频器NRZ分频器PN序列产生器24位NRZ码型设置1024K256K64K32K8KPN15PN31PN511

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 1抽样定理表明：一个频带限制在（0， 秒f H ）内的时间连续信号m(t)，如果以T≤ 2fH的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。

假定将信号m(t)和周期为T的冲激函数T(t)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m(t)的值，它表示对函数m(t)的抽样。若用ms(t)表示此抽样函数，则有：

ms(t)m(t)T(t)

m(t) 乘法器 ms(t)低通滤波器 m(t)T(t) 图3 抽样与恢复 假设m(t)、T(t)和ms(t)的频谱分别为M()、T()和Ms()。按照频率

卷积定理，m(t)T(t)的傅立叶变换是M()和T()的卷积：

Ms()1M()T() 22因为 TTnT(ns)

s2 T1所以 Ms()M()(nTs )Tn由卷积关系，上式可写成

1 Ms()M(ns )Tn该式表明，已抽样信号ms(t)的频谱Ms()是无穷多个间隔为ωs的M()相迭加而成。这就意味着Ms()中包含M()的全部信息。

需要注意，若抽样间隔T变得大于 2 则M()和T()的卷积在相邻的周f ，

H1期内存在重叠（亦称混叠），因此不能由Ms()恢复M()。可见，

T1 2 f H 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fs≥2B时（不混叠）及当抽样频率fs＜2B时（混叠）两种情况下冲激抽样信号的频谱。

f(t) F() 0 t fs(t)m0 m  (a) 连续信号的频谱

Fs() 1 TS1 0 Ts t s m 0 m s  （b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠）

fs(t)Fs() 1 TS1 0 Ts t s m 0 m s  （c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）

图4 采用不同抽样频率时抽样信号的频谱

4、带通抽样定理

实际中遇到的许多信号是带通信号。例如超群载波电话信号，其频率在312KHz至552KHz之间。若带通信号的上截止为频率fH,下截止频率为fL,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

fs应满足：

fs2(fHfL)(1MM)2B(1) NN其中，BfHfL，M[fH/(fHfL)]N，N为不超过fH（的最/fHfL）大正整数。由此可知，必有0M1。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 脉冲振幅调制与解调 1)、脉冲振幅调制实验

所谓脉冲振幅调制，即是脉冲载波的幅度随基带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，则上述所介绍的抽样定理，就是脉冲幅度调制的原理。

但是，实际上理想的冲激脉冲串物理实现困难，通常采用窄脉冲串来代替。本实验模块采用32K或64K或1MHz的窄矩形脉冲来代替理想的窄脉冲串，当然，也可以采用外接抽样脉冲对输入信号进行脉冲幅度调制，本实验采用图5所示的原理方框图。具体的电路原理图如图6所示。

音频输入隔离电路调制电路低通滤波器音频输出抽样脉冲图5 脉冲幅度调制原理框图

图6 脉冲幅度调制电路原理图

图中，被抽样的信号从H01输入，若此信号为音频信号（300~3400Hz），则它经过TL084构成的电压跟随器隔离之后，被送到模拟开关4066的第1脚。此时，将抽样脉冲由H03输入，其频率大于或等于输入音频信号频率的2倍即可，但至少应高于3400Hz。该抽样脉冲送到U02（4066）的13脚作为控制信号，当该脚为高电平时，U02的1脚和2脚导通，输出调制信号；当U02的13脚为低电平时，U02的1脚和2脚断开，无波形输出。因此，在U02的2脚就可以观察到比较理想的脉冲幅度调制信号。 2、脉冲振幅解调

若要解调出原始语音信号，则将调制信号送入截止频率为3400Hz的低通滤波器。因为抽样脉冲的频率远高于输入的音频信号的频率，因此通过低通滤波器之后高频的抽样时钟信号已经被滤除，因而，只需通过一低通滤波器便能无失真地还原出原音频信号。解调电路如图7 所示。

图7 脉冲幅度调制信号解调电路原理图

四、实验步骤

1：模拟信号源

① 观察“32K正弦波”和“64K正弦波”输出的正弦波波形，调节对应的

电位器的“幅度调节”可分别改变各正弦波的幅度。

② 按下“复位”按键使U03复位，波形指示灯“正弦波”亮，波形指示灯

“三角波”、“锯齿波”、“方波”以及发光二极管LED07灭，数码管SM01～SM04显示“2000”。

③ 按一下“波形选择”按键，波形指示灯“三角波”亮（其它仍熄灭），

此时信号输出点“模拟输出”的输出波形为三角波。逐次按下“波形选择”按键，四个波形指示灯轮流发亮，此时“模拟输出”点轮流输出正弦波、三角波、锯齿波和方波。

④ 将波形选择为正弦波时（对应发光二极管亮），转动“频率调节”的旋

转编码器，可改变输出信号的频率，观察“模拟输出”点的波形，并用频率计查看其频率与数码管显示的是否一致。转动对应电位器“幅度调节”可改变输出信号的幅度，幅度最大可达5V以上。（注意:发光二极管LED07熄灭，转动旋转编码器时，频率以1Hz为单位变化；按一下旋转编码器，LED07亮，此时旋转旋转编码器，频率以50Hz为单位变化；再按一下旋转编码器，LED07熄灭，频率再次以1Hz为单位变化） ⑤ 将波形分别选择为三角波、锯齿波、方波，重复上述实验。

2、数字信号源

① 拨码开关SW04、SW05的作用是改变分频器的分频比（以4位为一个单

元，对应十进制数的1位，以BCD码分别表示分频比的千位、百位、十位和个位），得到不同频率的位同步信号。分频前的基频信号为2MHz，分频比变化范围是1～9999，所以位同步信号频率范围是200Hz～2MHz。例如，若想信号输出点“BS”输出的信号频率为15.625KHz，则需将基频信号进行128分频，将拨码开关SW04、SW05设置为00000001 00101000，就可以得到15.625KHz的方波信号。拨码开关SW01、SW02、SW03的作用是改变NRZ码的码型。1位拨码开关就对应着NRZ码中的一个码元，当该位开关往上拨时，对应的码元为1，往下拨时，对应的码元为0。

② 将拨码开关SW04、SW05设置为00000001 00101000，SW01、SW02、SW03

设置为01110010 00110011 10101010，观察BS、2BS、FS、NRZ波形。 ③ 改变各拨码开关的设置，重复观察以上各点波形。

④ 观察1024K、256K、64K、32K、8K各点波形（由于时钟信号为晶振输出

的24MHz方波，所以整数倍分频后只能得到的1000K、250K、62.5K、31.25K、7.8125K信号，电路板上的标识为近似值，这一点请注意）。 ⑤ 将拨码开关SW04、SW05设置为00000001 00101000，观察伪随机序列

PN15、PN31、PN511的波形。

⑥ 改变拨码开关SW04、SW05的设置，重复观察以上各点波形。

3、不同占空比8KHz方波脉冲分别对1KHz正弦信号抽样、解调实验

调节信号源模块，产生的1KHz正弦波(峰．峰值Vpp=2V左右，从信号

输出点输出)，送入PAM模块的信号输入点“PAM音频输入”

(1) 占空比为1／3的抽样脉冲信号PAM实验

24位NRZ码型设置为10010010 01001001 00100100， BCD码分频值设置为00000000 10000100 (84分频)，此时，信号源模块的信号输出点“NRZ”输出为占空比为1／3的8KHz方波。

将8KHz方波信号送入PAM模块的信号输入点“PAM时钟输入”。记录“调制输出”测试点PAM抽样信号的波形，

连接PAM模块的信号输出点“调制输出”和信号输入点“解调输入”，

记录“解调输出”测试点的波形。

(2) 占空比为1／4的抽样脉冲信号PAM实验

24位NRZ码型设置为10001000 10001000 10001000， BCD码分频值

设置为00000000 01 100010 (62分频)。此时，信号源模块的信号输出点“NRZ”输出为占空比为1／4的8KHz方波。与步骤（1）的连接一样，分别记录PAM抽样信号的波形和解调输出的波形

(3) 占空比为1／6的抽样脉冲信号PAM实验

24位NRZ码型设置为10000010 00001000 00100000， BCD码分频值设

置为0000000 01000010 (42分频)。此时，信号源模块的信号输出点“NRZ”输出为占空比为1／6的8KHz方波。与步骤（1）的连接一样，分别记录PAM抽样信号的波形和解调输出的波形

(4) 占空比为1／8的抽样脉冲信号PAM实验

24位NRZ码型设置为10000000 10000000 10000000， BCD码分频值设

置为0000000 00110001 (31分频)。此时，信号源模块的信号输出点“NRZ”输出为占空比为1／8的8KHz方波。与步骤（1）的连接一样，分别记录PAM抽样信号的波形和解调输出的波形

(5) 占空比为1／12的抽样脉冲信号PAM实验

24位NRZ码型设置为10000000 00001000 00000000， BCD码分频值设

置为00000000 00100001 (21分频)。此时，信号源模块的信号输出点“NRZ”输出为占空比为1／12的8KHz方波。与步骤（1）的连接一样，分别记录PAM抽样信号的波形和解调输出的波形

（6） 占空比为1／12的8KHz方波脉冲对6KHz正弦信号抽样、解调实验 将1KHz正弦波信号改为6KHz，与步骤（1）的连接一样，观察解调

输出的波形。

五、实验思考题

1、为什么采用低通滤波器就可以完成PAM解调？ 2、造成系统失真的原因有哪些？