实验一 CPLD可编程数字信号发生器实验

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1、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、 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,)

2、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s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

3、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。00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100 (b) 高抽样频率时的抽样信号及频谱(无混叠)0 10(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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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:“

9、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

10、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

11、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

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