实验二 抽样定理和脉冲调幅及解调实验
一、实验目的
1．学习PAM脉冲幅度解调的原理和方法； 2．进一步验证抽样定理；
2．观察了解PAM信号形成过程，了解抽样定理的必要性。 二、实验仪器与设备
1．THEXZ-2B型实验箱、PAM双路抽样脉冲发生实验模块、抽样定理和脉冲调幅实验模块、PAM脉冲幅度解调实验
2．20MHz双踪示波器、万用表 三、实验原理
在通信技术中为了获取最大的经济效益，就必须充分利用信道的传输能力，扩大通信容量。因此，采取多路化制式是极为重要的通信手段。最常用的多路复用体制是频分多路复用（FDM）通信系统和时分多路复用(TDM)通信系统。频分多路技术是利用不同频率的正弦载波对基带信号进行调制，把各路基带信号频谱搬移到不同的频段上，在同一信道上传输。而时分多路系统中则是利用不同时序的脉冲对基带信号进行抽样，把抽样后的脉冲信号按时序排列起来，在同一信道中传输。
利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为“抽样”，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原信号。
抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础的。在工作设备中，抽样过程是模拟信号数字化的第一步。抽样性能的优劣关系到整个系统的性能指标。
图20-1 单路PCM系统示意图
作为例子，图20-1示意地画出了传输一路语音信号的PCM系统。从图中可以看出要实现对语音的PCM编码，首先就要对语音信号进行抽样，然后才能进行量化和编码。因此，抽样过程是语音信号数字化的重要环节，也是一切模拟信号数字化的重要环节。
为了让实验者形象地观察抽样过程，加深对抽样定理的理解，本实验提供了一种典型的抽样电路。除此，本实验还模拟了两路PAM通信系统，从而帮助实验者初步了解时分多路的通信方式。
（一）抽样定理
抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)如果它的最高频率为fH（即m(t)的频谱中没有fH以上的分量），可以唯一地由频率等于或大于2fH的样值序列所决定。因此，对于一个最
高频率为3400Hz的语音信号m(t)，可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示。抽样频率fs和语音信号m(t)的频谱如图20-2和图20-3所示。由频谱可知，用截止频率为fH的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m(t)，这就说明了抽样定理的正确性。
实际上，考虑到低通滤波器特性不可能理想，对最高频率为3400Hz的语音信号，通常采用8KHz抽样频率，这样可以留出1200Hz的防卫带，见图20-4。如果fs＜2fH，就会出现频谱混迭的现象，如图20-5所示。
MM理想低通滤波器fs2fs0fH
图20-2 语音信号的频谱 图20-3 语言信号的抽样频谱和抽样信号的
HHf0ffs+f2fs+fHf频谱
M一般低通滤波器fs2fs0fHfs+fH2fs+fHfMfs2fs0fHfs+fH2fs+fHf
图20-4 留出防卫带的语音信号的抽样频谱 图20-5 fs＜2fH时语音信号的抽样频谱
在验证抽样定理的实验中，我们用单一频率fH的正弦波来代替实际的语音信号，采用标准抽样频率fs=8KHz，改变音频信号的频率fH，分别观察不同频率时，抽样序列和低通滤波器的输出信号，体会抽样定理的正确性。
验证抽样定理的实验方框如图20-6所示。多路抽样脉冲调幅实验框图如图20-7所示，图20-8是调制部分的实验电原理图，在图20-8中，BG1和BG2完成抽样定理调制部分的实验电路。抽样电路采用场效应晶体管开关电路。抽样门在抽样脉冲的控制下以每秒八千次的速度开关。BG1为结型场效应晶体管，BG2为驱动三极管。当抽样脉冲没来时，驱动三极管处于截止状态，-5V电压加在场效应晶体管栅极G，只要G极电位负于源极S的电位，并且|UGS|>|UP|，则场效应晶体管处于夹断状态，输出信号为“0”。抽样脉冲来时，驱动三极管导通，发射极+5V电压加到驱动二极管，使之反向偏置。从截止到导通的跳变电压经跨接在二极管两端的电容加到场效应晶体管的G极。使栅极、源极之间的电压迅速达到场效应晶体管导通的数值，并一直达到使源极电压等于漏极上的模拟电压。这样，抽样脉冲期间模拟电压经场效应晶体管开关加到负载上。由于抽样电路的负载是一个电阻，因此抽样的输出端能得到一串脉冲信号。此脉冲信号的幅度与抽样时输入信号的瞬时值成正比例，脉冲的宽度与抽样脉冲的宽度相同。这样，脉冲信号就是脉冲调幅信号。当抽样脉冲宽度远小于抽样周期时，电路输出的结果接近于理想抽样序列。由图20-6可知，用一低通滤波器即可
实现模拟信号的恢复。为便于观察，解调电路由射随、低通滤波器和放大器组成，低通滤波器的截止频率为3400Hz。
音频信号抽样门低通滤波抽样脉冲
图20-6 抽样定理实验方框图
（二）抽样定理和脉冲调幅实验电原理图
+12VC1161uR119100R120100C1171uTP8J8R121620E133uR1246.2KR1224.3KDGSR1237.5KBG13DJ6FC11951PTP10一路音频TP9J9D42AK10BG29012一路抽样脉冲E23.3uR1253.3KR127330TP11+5V-5VR1261.5KJ11DSG二路音频R128620TP12J12E333uBG33DJ6FC12151PR1294.3KD52AK10BG49012二路抽样脉冲E43.3uR1313.3KR133330+5V-5VR1306.2KR1321.5K 图20-8 抽样定理和脉冲调幅实验电原理图
（三）PAM脉冲幅度解调电路及原理图
PAM时序信号经过分路选通电路选通后，即可进入脉冲幅度解调电路。解调电路由射随、低通滤波器和放大器组成低通滤波器的截止频率为3400Hz。
PAM脉冲幅度解调实验的实验电原理图如图22-1所示。图22-1的左半部分为分路选通电路，J1输入PAM时序信号。BG1为射极跟随器，J4输入选通脉冲，通常为调制端的选通脉冲经适当延迟得到。BG3为选通脉冲驱动级。BG2为选通信号输出，C3为展宽电容；图22-1的右半部分为脉冲幅度解调电路，J5输入PAM时序信号，BG4为射极跟随器，U1A和U1B组成截止频率为3400Hz的低通滤波器，BG5为放大电路，J7输出恢复后的模拟音频信号。
+12V+12VR4100C11uR5100C21uC51uR13100R14100C61uTP5TP1J1GTP2SDBG13DJ6FE133uDGR62.7KR74.3KD42AK10R96.2KC368PJ5GTP6C71uDBG43DG6FSBG59013E310uR151K-5VR163.3KR232KE533uR24100R2610KC120.01uR2216KR251KTP7J7脉冲调幅输入TP3J3脉冲调幅输入解调输出BG23DJ6FSR8330脉冲展宽输出C451PTP4J4-5VE23.3uR103.9KC80.022u32抽样脉冲输入+5VU1ALM3581BG39013+12V+5V-5VR174.7KC40.1uC50.1uE410uR194.7KR204.7KC100.022uU1B568LM3587R121K+5VR111.5K-5VD1LED(R)4D2LED(O)C9D3LED(G)0.01-5VR15.6KR21KR31KR182KC110.01uR212K
图22-1 PAM脉冲幅度解调实验电原理图
四、实验步骤
（一）准备工作
验证抽样定理只需要一路音频信号和一路抽样脉冲，多路脉冲调幅需要两路音频信号和两路抽样脉冲。
1．准备“PAM双路抽样脉冲发生实验”模板，用20MHz双踪示波器观察TP2，用示波器和频率计测出抽样脉冲的频率、脉宽和时延。
2．调整信号源实验模板，要求调整到输出频率为1KHz，输出幅度为2VP-P的正弦波。 （注意：2VP-P指的是峰峰值为2V） （二）验证抽样定理
1．正弦信号（从信号源输出）从J8输入，fH=1KHz（fS＞2 fH）幅度2VP-P，连接抽样脉冲J2到J9。
2．以TP8作为双踪同步示波器的比较信号，观察TP10抽样后形成的PAM信号。计算在一个信号周期内的抽样次数，核对信号频率与抽样频率的关系。
3．在脉冲幅度解调实验的J5输入单路抽样时序信号（连接抽样定理和脉冲调幅实验的J10和PAM脉冲幅度解调实验的J5），用20MHz双踪示波器分别观察抽样定理和脉冲调幅
实验的J8和脉冲幅度解调实验的TP5～TP7。
4．改变fH，令fH=4Hz（fS=2 fH），重复1、2、3项内容，验证抽样定理。 5．改变fH，令fH=6KHz（fS＜2 fH），重复1、2、3项内容，验证抽样定理。 五、实验报告
1．整理实验数据，分别画出fH=1K Hz、fH=4Hz、fH=6KHz时各测试点波形。 2．分析当fH=1K Hz、fH=4Hz、fH=6KHz，抽样脉冲fS=8KHz时PAM输出与抽样定理的关系。
通信原理实验指导书(DOC 46页)【全实用资料】
