【正文】 通信原理實驗報告 班級： 12050641 姓名： 謝昌輝 學(xué)號： 1205064135實驗一 抽樣定理實驗一、實驗?zāi)康?了解抽樣定理在通信系統(tǒng)中的重要性。 掌握自然抽樣及平頂抽樣的實現(xiàn)方法。 理解低通采樣定理的原理。 理解實際的抽樣系統(tǒng)。 理解低通濾波器的幅頻特性對抽樣信號恢復(fù)的影響。 理解低通濾波器的相頻特性對抽樣信號恢復(fù)的影響。 理解帶通采樣定理的原理。二、實驗器材 主控amp。信號源、3號模塊 各一塊 雙蹤示波器 一臺 連接線 若干三、實驗原理實驗原理框圖圖11 抽樣定理實驗框圖實驗框圖說明抽樣信號由抽樣電路產(chǎn)生。將輸入的被抽樣信號與抽樣脈沖相乘就可以得到自然抽樣信號，自然抽樣的信號經(jīng)過保持電路得到平頂抽樣信號。平頂抽樣和自然抽樣信號是通過開關(guān)S1切換輸出的。抽樣信號的恢復(fù)是將抽樣信號經(jīng)過低通濾波器，即可得到恢復(fù)的信號。這里濾波器可以選用抗混疊濾波器（）或FPGA數(shù)字濾波器（有FIR、IIR兩種）。反sinc濾波器不是用來恢復(fù)抽樣信號的，而是用來應(yīng)對孔徑失真現(xiàn)象。要注意，這里的數(shù)字濾波器是借用的信源編譯碼部分的端口。在做本實驗時與信源編譯碼的內(nèi)容沒有聯(lián)系。四、實驗步驟實驗項目一 抽樣信號觀測及抽樣定理驗證概述：通過不同頻率的抽樣時鐘，從時域和頻域兩方面觀測自然抽樣和平頂抽樣的輸出波形，以及信號恢復(fù)的混疊情況，從而了解不同抽樣方式的輸出差異和聯(lián)系，驗證抽樣定理。關(guān)電，按表格所示進行連線。源端口目標(biāo)端口連線說明信號源：MUSIC模塊3：TH1(被抽樣信號) 將被抽樣信號送入抽樣單元 信號源：AOUT模塊3：TH2(抽樣脈沖)提供抽樣時鐘模塊3：TH3(抽樣輸出) 模塊3：TH5(LPFIN)送入模擬低通濾波器 開電，設(shè)置主控菜單，選擇【主菜單】→【通信原理】→【抽樣定理】。調(diào)節(jié)主控模塊的W1使Aout輸出峰峰值為3V。此時實驗系統(tǒng)初始狀態(tài)為：被抽樣信號MUSIC為幅度4V、頻率3K+1K正弦合成波。抽樣脈沖AOUT為幅度3V、頻率9KHz、占空比20%的方波。實驗操作及波形觀測。（1）觀測并記錄自然抽樣前后的信號波形：設(shè)置開關(guān)S13為“自然抽樣”檔位，用示波器分別觀測MUSIC主控amp。信號源和抽樣輸出3。（2）觀測并記錄平頂抽樣前后的信號波形：設(shè)置開關(guān)S13為“平頂抽樣”檔位，用示波器分別觀測MUSIC主控amp。信號源和抽樣輸出3。（3）觀測并對比抽樣恢復(fù)后信號與被抽樣信號的波形：設(shè)置開關(guān)S13為“自然抽樣”檔位，用示波器觀測MUSIC主控amp。信號源和LPFOUT3 ，以100Hz的步進減小AOUT主控amp。信號源的頻率，比較觀測并思考在抽樣脈沖頻率多小的情況下恢復(fù)信號有失真。（4）用頻譜的角度驗證抽樣定理（選做）：用示波器頻譜功能觀測并記錄被抽樣信號MUSIC和抽樣輸出頻譜。以100Hz的步進減小抽樣脈沖的頻率，觀測抽樣輸出以及恢復(fù)信號的頻譜。（注意：示波器需要用250kSa/s采樣率（即每秒采樣點為250K），F(xiàn)FT縮放調(diào)節(jié)為10）。 注：通過觀測頻譜可以看到當(dāng)抽樣脈沖小于2倍被抽樣信號頻率時，信號會產(chǎn)生混疊。實驗項目二 濾波器幅頻特性對抽樣信號恢復(fù)的影響概述：該項目是通過改變不同抽樣時鐘頻率，分別觀測和繪制抗混疊低通濾波和fir數(shù)字濾波的幅頻特性曲線，并比較抽樣信號經(jīng)這兩種濾波器后的恢復(fù)效果，從而了解和探討不同濾波器幅頻特性對抽樣信號恢復(fù)的影響。測試抗混疊低通濾波器的幅頻特性曲線。（1）關(guān)電，按表格所示進行連線。源端口目標(biāo)端口連線說明信號源：AOUT模塊3：TH5(LPFIN)將信號送入模擬濾波器（2）開電，設(shè)置主控模塊，選擇【信號源】→【輸出波形】和【輸出頻率】，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)旋鈕，使AOUT主控amp。信號源輸出頻率5KHz、峰峰值為3V的正弦波。（3）此時實驗系統(tǒng)初始狀態(tài)為：抗混疊低通濾波器的輸入信號為頻率5KHz、幅度3V的正弦波。（4）實驗操作及波形觀測。用示波器觀測LPFOUT3。以100Hz步進減小AOUT主控amp。信號源輸出頻率，觀測并記錄LPFOUT3的頻譜。記入如下表格：AOUT頻率/Hz基頻幅度/V5K…………測試fir數(shù)字濾波器的幅頻特性曲線。（1）關(guān)電，按表格所示進行連線。源端口目標(biāo)端口連線說明信號源：AOUT模塊3：TH13(編碼輸入)將信號送入數(shù)字濾波器（2）開電，設(shè)置主控菜單：選擇【主菜單】→【通信原理】→【抽樣定理】→【FIR濾波器】。調(diào)節(jié)【信號源】，使Aout輸出頻率5KHz、峰峰值為3V的正弦波。（3）此時實驗系統(tǒng)初始狀態(tài)為：fir濾波器的輸入信號為頻率5KHz、幅度3V的正弦波。（4）實驗操作及波形觀測。用示波器觀測譯碼輸出3，以100Hz的步進減小AOUT主控amp。信號源的頻率。觀測并記錄譯碼輸出3的頻譜。記入如下表格：A_out的頻率/Hz基頻幅度/V5K…4K…3K…2K...由上述表格數(shù)據(jù)，畫出fir低通濾波器幅頻特性曲線。思考：對于3KHz低通濾波器，為了更好的畫出幅頻特性曲線，我們可以如何調(diào)整信號源輸入頻率的步進值大小？分別利用上述兩個濾波器對被抽樣信號進行恢復(fù)，比較被抽樣信號恢復(fù)效果。（1）關(guān)電，按表格所示進行連線：源端口目標(biāo)端口連線說明信號源：MUSIC模塊3：TH1(被抽樣信號)提供被抽樣信號信號源：AOUT模塊3：TH2(抽樣脈沖)提供抽樣時鐘模塊3：TH3(抽樣輸出)模塊3：TH5(LPFIN)送入模擬低通濾波器模塊3：TH3(抽樣輸出)模塊3：TH13(編碼輸入)送入FIR數(shù)字低通濾波器（2）開電，設(shè)置主控菜單，選擇【主菜單】→【通信原理】→【抽樣定理】→【FIR濾波器】。調(diào)節(jié)W1主控amp。信號源使信號AOUT輸出峰峰值為3V左右。（3）此時實驗系統(tǒng)初始狀態(tài)為：待抽樣信號MUSIC為3K+1K正弦合成波，抽樣時鐘信號AOUT為頻率9KHz、占空比20%的方波。（4）實驗操作及波形觀測。對比觀測不同濾波器的信號恢復(fù)效果：用示波器分別觀測LPFOUT3和譯碼輸出3，以100Hz步進減小抽樣時鐘AOUT的輸出頻率，對比觀測模擬濾波器和FIR數(shù)字濾波器在不同抽樣頻率下信號恢復(fù)的效果。（頻率步進可以根據(jù)實驗需求自行設(shè)置。）思考：不同濾波器的幅頻特性對抽樣恢復(fù)有何影響？實驗項目三 濾波器相頻特性對抽樣信號恢復(fù)的影響。概述：該項目是通過改變不同抽樣時鐘頻率，從時域和頻域兩方面分別觀測抽樣信號經(jīng)fir濾波和iir濾波后的恢復(fù)失真情況，從而了解和探討不同濾波器相頻特性對抽樣信號恢復(fù)的影響。觀察被抽樣信號經(jīng)過fir低通濾波器與iir低通濾波器后，所恢復(fù)信號的頻譜。（1）關(guān)電，按表格所示進行連線。源端口目標(biāo)端口連線說明信號源：MUSIC模塊3：TH1(被抽樣信號)提供被抽樣信號信號源：AOUT模塊3：TH2(抽樣脈沖)提供抽樣時鐘模塊3：TH3(抽樣輸出)模塊3：TH13(編碼輸入)將信號送入數(shù)字濾波器（2）開電，設(shè)置主控菜單，選擇【主菜單】→【通信原理】→【抽樣定理】。調(diào)節(jié)W1主控amp。信號源使信號AOUT輸出峰峰值為3V左右。（3）此時實驗系統(tǒng)初始狀態(tài)為：待抽樣信號MUSIC為3K+1K正弦合成波，抽樣時鐘信號AOUT為頻率9KHz、占空比20%的方波。（4）實驗操作及波形觀測。a、觀測信號經(jīng)fir濾波后波形恢復(fù)效果：設(shè)置主控模塊菜單，選擇【抽樣定理】→【FIR濾波器】；設(shè)置【信號源】；用示波器觀測恢復(fù)信號譯碼輸出3的波形和頻譜。b、觀測信號經(jīng)iir濾波后波形恢復(fù)效果：設(shè)置主控模塊菜單，選擇【抽樣定理】→【IIR濾波器】；設(shè)置【信號源】；用示波器觀測恢復(fù)信號譯碼輸出3的波形和頻譜。c、探討被抽樣信號經(jīng)不同濾波器恢復(fù)的頻譜和時域波形：被抽樣信號與經(jīng)過濾波器后恢復(fù)的信號之間的頻譜是否一致？如果一致，是否就是說原始信號能夠不失真的恢復(fù)出來？用示波器分別觀測fir濾波恢復(fù)和iir濾波恢復(fù)情況下，譯碼輸出3的時域波形是否完全一致，如果波形不一致，是失真呢？還是有相位的平移呢？如果相位有平移，觀測并計算相位移動時間。觀測相頻特性（1）關(guān)電，按表格所示進行連線。源端口目標(biāo)端口連線說明信號源：AOUT模塊3：TH13(編碼輸入)使源信號進入數(shù)字濾波器（2） 開電，設(shè)置主控菜單，選擇【主菜單】→【通信原理】→【抽樣定理】→【FIR濾波器】。（3） 此時系統(tǒng)初始實驗狀態(tài)為： AOUT為頻率9KHz、占空比20%的方波。（4）實驗操作及波形觀測。對比觀測信號經(jīng)fir濾波后的相頻特性：設(shè)置【信號源】使AOUT輸出頻率為5KHz、峰峰值為3V的正弦波；以100Hz步進減小AOUT輸出頻率，用示波器對比觀測AOUT主控amp。信號源和譯碼輸出3的時域波形。相頻特性測量就是改變信號的頻率，測輸出信號的延時（時域上觀測）。記入如下表格：AOUT的頻率/Hz被抽樣信號與恢復(fù)信號的相位延時/ms...五、實驗報告分析電路的工作原理，敘述其工作過程。繪出所做實驗的電路、儀表連接調(diào)測圖。并列出所測各點的波形、頻率、電壓等有關(guān)數(shù)據(jù)，對所測數(shù)據(jù)做簡要分析說明。必要時借助于計算公式及推導(dǎo)。分析以下問題：濾波器的幅頻特性是如何影響抽樣恢復(fù)信號的？簡述平頂抽樣和自然抽樣的原理及實現(xiàn)方法。答：濾波器的截止頻率等于源信號譜中最高頻率fn的低通濾波器，濾除高頻分量，經(jīng)濾波后得到的信號包含了原信號頻譜的全部內(nèi)容，故在低通濾波器輸出端可以得到恢復(fù)后的原新號。當(dāng)抽樣頻率小于2倍的原新號的最高頻率即濾波器的截止頻率時，抽樣信號的頻譜會發(fā)生混疊現(xiàn)象，從發(fā)生混疊后的頻譜中無法用低通濾波器獲得信號頻譜的全部內(nèi)容，從而導(dǎo)致失真。平頂抽樣原理：抽樣脈沖具有一定持續(xù)時間，在脈寬期間其幅度不變，每個抽樣脈沖頂部不隨信號變化。實際應(yīng)用中是采用抽樣保持電路來實現(xiàn)的。自然抽樣原理：抽樣脈沖具有一定持續(xù)時間，在脈寬期間其幅度不變，每個抽樣脈沖頂部隨信號幅度變化。用周期性脈沖序列與信號相乘就可以實現(xiàn)。思考一下，實驗步驟中采用3K+1K正弦合成波作為被抽樣信號，而不是單一頻率的正弦波，在實驗過程中波形變化的觀測上有什么區(qū)別？對