第二次通信系统实验报告--——模拟信号数字化与时分复用

第二次通信系统实验报告模拟信号数字化与时分复用一、实验目的1.1 掌握抽样定理的概念1.2 掌握模拟信号抽样与还原的原理及实现方法1.3 了解模拟信号抽样过程的频谱1.4 掌握抽样信号的量化原理和脉冲编码调制的基本原理1.5 了解PCM系统中噪声的影响1.6 掌握增量调制及连续可变斜率增量调制的原理二、实验内容2.1 抽样定理实验（PAM）2.2 脉冲编码调制与解调实验（PCM）2.3 连续可变斜率增量调制与解调实验（CVSD）三、实验结果及分析3.1抽样定理实验（PAM）3.1.1 不同频率方波抽样 示波器双踪观测“抽样信号”与“PAM输出”测试点波形及频谱。为了对比不同频率方波的抽样特性，实验中选取方波频率依次为4KHz、8KHz和16KHz。（1）当方波频率为4KHz，观测结果如图1和图2所示，图1中抽样信号在上。 图1 抽样信号与PAM输出波形图（4KHz） 图2 PAM输出信号的频谱图（4KHz）（2）当方波频率为8KHz，观测结果如图3和图4所示，图3中抽样信号在上。 图3 抽样信号与PAM输出波形图（8KHz） 图4 PAM输出信号的频谱图（8KHz）（3）当方波频率为16KHz，观测结果如图5和图6所示，图5中抽样信号在上。 图5 抽样信号与PAM输出波形图（16KHz） 图6 PAM输出信号的频谱图（16KHz）分析：由以上的图可见，方波频率越高，PAM输出波形在包络上越接近抽样信号，并且在频谱上也有明显的优化。具体体现在PAM输出信号的高频分量的衰减，以及次低频信号与基波信号在频率上的愈加远离上，这带来的好处是信号恢复时减弱了滤波器的压力，而且也有利于提高频带利用率。随后，示波器双踪观测“抽样信号”与“解调输出”测试点波形及频谱。为了对比不同频率方波抽样后信号的还原效果，实验中选取方波频率依次为4KHz、8KHz和16KHz。（1）当方波频率为4KHz，观测结果如图7和图8所示，图7中抽样信号在上。 图7 抽样信号与解调输出波形图（4KHz） 图8 解调输出信号的频谱图（4KHz）（2）当方波频率为8KHz，观测结果如图9和图10所示，图9中抽样信号在上。 图9 抽样信号与解调输出波形图（8KHz） 图10 解调输出信号的频谱图（8KHz）（1）当方波频率为16KHz，观测结果如图11和图12所示，图11中抽样信号在上。 图11 抽样信号与解调输出波形图（16KHz） 图12 解调输出信号的频谱图（16KHz）分析：对比不同方波频率下解调输出的频谱图，可见方波频率越高，解调信号的频谱越纯，在采样频率达到16KHz时，频谱中的高频杂波已被滤掉。 3.1.2 同频率但不同占空比方波抽样 示波器双踪观测“抽样信号”与“PAM输出”测试点波形及频谱。为了对比不同占空比方波的抽样特性，实验中选取方波频率为8KHz，占空比依次为10%、20%、25%和50%。由于抽样信号不变，故小组认为观测PAM输出和方波信号更合适。（1）当占空比为10%，观测结果如图13和图14所示，图13中PAM输出在上。 图13 抽样信号与PAM输出波形图（10%） 图14 PAM输出信号的频谱图（10%）（2）当占空比为20%，观测结果如图15和图16所示，图15中PAM输出在上。 图15 抽样信号与PAM输出波形图（20%） 图16 PAM输出信号的频谱图（20%）（3）当占空比为25%，观测结果如图17和图18所示，图17中PAM输出在上。 图17 抽样信号与PAM输出波形图（25%） 图18 PAM输出信号的频谱图（25%）（4）当占空比为50%，观测结果如图19和图20所示，图19中PAM输出在上。 图19 抽样信号与PAM输出波形图（50%） 图20 PAM输出信号的频谱图（50%）分析：由以上的图可见，方波占空比越高，PAM输出波形在包络上越接近抽样信号，并且在频谱上也有明显的优化。具体体现在PAM输出信号的高频谐波的减少，这带来的好处是提高频带利用率和减小了信号的功率。但是也应注意，次低频信号的强度有所增加。随后，示波器双踪观测“抽样信号”与“解调输出”测试点波形及频谱。为了对比不同占空比方波抽样后信号的还原效果，实验中选取方波占空比依次为10%、20%、25%和50%。（1）当占空比为10%，观测结果如图21和图22所示，图21中抽样信号在上。 图21 抽样信号与解调输出波形图（10%） 图22 解调输出信号的频谱图（10%）（2）当占空比为20%，观测结果如图23和图24所示，图23中抽样信号在上。 图23 抽样信号与解调输出波形图（20%） 图24 解调输出信号的频谱图（20%）（3）当占空比为25%，观测结果如图25和图26所示，图25中抽样信号在上。 图25 抽样信号与解调输出波形图（25%） 图26 解调输出信号的频谱图（25%）（4）当占空比为50%，观测结果如图27和图28所示，图27中抽样信号在上。 图27 抽样信号与解调输出波形图（50%） 图28 解调输出信号的频谱图（50%）分析：对比不同占空比下解调输出的频谱图，可见方波占空比越高，解调信号的频谱越纯，在占空比达到50%时，频谱中的高频杂波已被滤掉，波形恢复得很好。 3.2 脉冲编码调制与解调实验（PCM） 3.2.1 PCM编码 （1）以“FRAM-IN”信号为内触发源，示波器双踪观测“FRAM-IN”与“PCM-OUT”测试点波形。观测结果如图29所示，“FRAM-IN”信号在上。图29 “FRAM-IN”与“PCM-OUT”输出波形图分析：“FRAM-IN” 信号有两个高电平方波，这两个方波之间为一个周期，对比“FRAM-IN”和“PCM-OUT”可知，这一周期内，“PCM-OUT”信号共输出了8位bit的数据，而且在每周期开始，输出bit由0跳变至1。（2）以“S-IN”信号为内触发源，示波器双踪观测“S-IN”与“PCM-OUT”测试点波形。由于在“S-IN”信号每周期内，“PCM-OUT”输出较多数据，在示波器中很难准确观测。故小组认为观测“S-IN”信号和“FRAM-IN”信号更合适。观测结果如图30所示，“S-IN”信号在上。图30 “S-IN”与“FRAM-IN”输出波形图分析：由上图可见，“S-IN”信号一周期对应“FRAM-IN”信号的4帧，结合图29，可知，“S-IN”信号一周期对应“PCM-OUT”信号的32位PCM编码。3.2.2 PCM译码 示波器双踪观测“S-IN”和“JPCM-OUT”测试点波形及频谱。观测结果如图31和图32所示，图31中“S-IN”信号在上。 图31 “S-IN”和“JPCM-OUT”信号波形图 图32 “JPCM-OUT”信号的频谱图分析：由上图可见，译码的效果是较为理想的，而且频谱也较为纯净。 3.3连续可变斜率增量调制与解调实验（CVSD）3.3.1 CVSD编码 （1）示波器双踪观测“比较输出”与“编码输出”测试点波形。观测结果如图33所示。图33 “比较输出”与“编码输出”输出波形图（2）示波器双踪观测“编码输出”与“一致脉冲”测试点波形。观测结果如图34所示。图34 “编码输出”与“一致脉冲”输出波形图（3）示波器双踪观测“一致脉冲”与“一次积分”测试点波形。观测结果如图35所示。图35 “一致脉冲”与“一次积分”输出波形图（4）示波器双踪观测“一次积分”与“本地译码”测试点波形。观测结果如图36所示。图36 “一次积分”与“本地译码”输出波形图3.3.2 CVSD解码（1）双踪观测“本地译码”与“解调成形”测试点波形，并调节“译码量阶”、“译码量阶”电位器，使两波形上升和下降变化规律大致相同。最终观测结果如图37所示。图37 “比较输出”与“编码输出”输出波形图（2）示波器双踪观测“模拟输入”与“解调输出”测试点波形。观测结果如图38所示。图38 “比较输出”与“编码输出”输出波形图分析：由图38可见，解调输出的恢复效果较为理想。3.3.3 测量系统的过载特性，绘制系统的过载特性曲线 改变输入信号的频率f，分别取f=400Hz、800Hz、1200Hz、1600Hz、2000Hz、2400Hz、2800Hz、3000Hz和3400Hz，在表1中记录相应的临界过载电平Amax。表1 不同频率下临界过载电平Amax/V输入频率/Hz 时钟速率400800120016002000240028003000340064KHz3.562.921.841.201.040.760.580.520.4232KHz3.521.881.060.780.5840.4320.3520.2560.20根据表一，绘制图39以显示过载特性曲线。临界过载电压/V图39 系统的过载特性曲线图3.3.4 测量系统的最大信噪比采用失真度仪测量最大信号量化噪声比。绘制表2，记录时钟速率为64KHz和32KHz下的数据。表2不同时钟速率下系统最大信噪比时钟速率失真度（x%）信噪比（dB）64KHz7.1-17.032KHz12-21.6