信号与系统实验资料六系06.docx
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信号与系统实验资料六系06
实验报告要求
实验前应认真阅读实验指导书，明确实验目的和要求，了解实验原理、内容，掌握实验步骤及注意事项，并写出预习报告，内容包括：
1.实验目的和要求；
2.实验仪器、设备连接框图，并标明测量点；
3.实验记录表格及测试步骤；
4.实验指导书上规定的其他内容。
做完实验，接着做总结，写出实验报告，内容包括：
1.实验仪器名称、型号和编号；
2.实验数据整理、实验现象分析；
3.实验方法及仪器使用总结；
4.问题讨论。
实验报告在实验完成后一周内交到实验室，一律用16开大小的纸写，装订成册。
实验波形一律在坐标方格纸上由绘图尺完成。
发回的报告应保存好，以备考查
实验一认识JH5004信号与系统实验箱
一、实验目的
认识JH5004“信号与系统”实验箱。
二、实验要求
本次实验为认识性实验，是整个信号与系统实验的准备部分，要求了解实验箱各模块之间的基本连接关系，学会基本操作方法。
三、实验仪器设备
1、JH5004“信号与系统”实验箱
2、20MHz示波器
四、实验箱说明
JH5004“信号与系统”实验箱主面板见图1-1。
1.概述
在信号与系统课程主要包含确定信号经过线性时不变系统所涉及的基本概念与基本分析方法。
JH5004实验系统紧密围绕当前“信号与系统”课程的核心内容，根据当今信息技术发展的特点，提供了一系列具有特色的实验项目。
2.实验箱组成
在“信号与系统”实验箱中，电源插座与电源开关在机箱的后面，电源模块在实验平台电路板的下面，它主要完成交流220V到+5V、+12V、-12V的直流变换，给整个硬件平台供电。
另外在实验箱的内部还专门设计了信号产生与测试电路，以配合JH5004实验箱的使用。
对于JH5004信号产生模块各种信号的选择，学生可以通过键盘选择相应的信号用于实验测试。
3.实验箱使用方法
1）信号产生模块使用方法
在JH5004“信号与系统”实验箱的右下方有一“信号产生模块”，如图1-2所示。
在JH5004“信号与系统”实验箱中，信号产生模块由三个区域组成。
●
电源指示灯区域
信号产生模块的最上面是三个电源指示灯（绿色），从左到右分别表示＋5V、＋12V、－12V，以指示电源是否正常。
●工作模式区域
用来显示当前信号产生模块的工作模式。
JH5004信号产生模块工作于如下表1.1所示的四种模式。
在JH5004“信号与系统”实验箱信号产生模块最下方有两个按钮，按下任一键不放，经4秒后，模式显示的数字在0、1、2、3四个状态之间变化，如果为所需状态，松开按键即可。
图1-2信号产生模块
表1.1模式状态显示含义
模式类型
产生信号类型
0
用于产生信号合成实验所需的六种信号：
f0、2f0、3f0、4f0、5f0、6f0。
在该模式下，不产生其它信号输出。
1
在正弦信号16KHz、32KHZ输出端产生相应的信号输出，同时在信号A组产生1KHz信号，在信号B组产生125KHZ信号输出，以及产生PAM所需的抽样时钟信号。
在该模式下，不产生其它信号输出。
2
在模拟信号A组、模拟信号B组输出有一定间隔的信号，输出信号的类型由相应的信号输出区域显示。
在该模式下，按键可以控制信号输出区域，随着“特殊功能1”（“特殊功能2”）显示数字的改变，相应的输出信号也将改变。
同时在该模式下，在脉冲信号输出端产生35ms的方波信号。
3
在模拟信号A组、模拟信号B组输出连续信号，输出信号的类型由相应的信号输出区域显示。
在该模式下，按键可以控制信号输出区域，随着“特殊功能1”（“特殊功能2”）显示数字的改变，相应的输出信号也将改变。
●信号输出区域的功能
在模式2与模式3状态下，通过改变“特殊功能1”（“特殊功能2”）显示的数字，使信号A组（信号B组）输出24种不同类型的信号。
“特殊功能1”（“特殊功能2”）显示的数字对应的输出信号类型如下表1.2所示。
对于信号A组（B组）的输出信号选择，按相应键即可，时间不要大于1秒。
当“特殊功能1”（“特殊功能2”）显示表1.2所示的信号编号时，在信号A组（B组）输出端即可输出所需要的信号。
表1.2“特殊功能1”和“特殊功能2”显示的含义
显示数字
输出信号类型
0
指数衰减信号
1
复指数信号虚部（余弦）（正频率）
2
复指数信号实部（正弦）（正频率）
3
复指数信号虚部（余弦）（负频率）
4
复指数信号实部（正弦）（负频率）
5
270Hz正弦信号
6
2160Hz正弦信号
7
Sa（t）信号
8
钟形信号（高斯信号）
9
连续正负脉冲信号
10
三角波信号
11
1－X2信号
12
梯形信号
13
间隔正负脉冲信号
14
正负指数衰减冲激串信号
15
正负指数衰减冲激串信号的积分信号
16
全波检波信号
17
半波检波信号
18
锯齿信号
19
阶梯信号
20
正负锯齿信号冲激串
21
升余弦信号频谱分解信号1
22
升余弦信号频谱分解信号2
23
升余弦信号频谱信号
可根据要求扩展
4.实验模块说明
在JH5004“信号与系统”实验箱中，主要由以下功能模块组成：
1）基本运算单元；
2）信号的合成；
3）线性时不变系统；
4）零输入响应与零状态响应；
5）二阶串联谐振、二阶并联谐振；
6）有源与无源滤波器；
7）PAM传输系统；
8）FDM传输系统；
9）PAM抽样定理；
10）二阶网络状态矢量；
11）RC振荡器；
12）一阶网络；
13）二阶网络；
14）反馈系统应用；
15）二次开发；
16）信号产生模块。
在该硬件平台中模块化功能很强，其电路布局见图1-1所示。
对于每一个模块，在PCB板上均有电路图与之对应。
每个测试模块都能单独开设实验，便于教学与学习。
常用信号的分类与观察
一、实验目的
1、观察常用信号的波形特点及其产生方法；
2、学会使用示波器对常用波形参数的测量；
3、掌握JH5004信号产生模块的操作。
二、预备知识
1、学习“信号的描述、分类和典型示例”一节；
2、学习示波器的使用方法；
3、学习同步信号的观察手段。
三、实验仪器
1、JH5004“信号与系统”实验箱
2、20MHz示波器实验原理
四、实验原理
对于一个系统特性的研究，其中重要的一个方面是研究它的输入输出关系，即在一特定输入信号下，系统对应的输出响应信号。
因而，对信号的研究是对系统研究的出发点，是对系统特性观察的基本手段与方法。
在本实验中，将对常用信号特性进行分析、研究。
信号可以表示为一个或多个变量的函数，在这里仅对一维信号进行研究，自变量为时间。
常用的信号有：
指数信号、正弦信号、指数衰减正弦信号、复指数信号、Sa（t）信号、钟形信号、脉冲信号等。
1、指数信号：
指数信号可表示为
。
对于a的不同取值，其波形表现为不同的形式，如图2-1所示。
图2-1指数信号波形
在JH5004“信号与系统”实验平台的信号产生模块可产生a<0，t>0的指数信号的波形。
通过示波器测量输出信号波形，测量指数信号的a、K参数。
2、正弦信号：
其表达式为
，其信号的参数有：
振幅
、角频率w、与初始相位
。
其波形如图2-2所示。
图2-2正弦信号波形
通过示波器测量输出信号测量波形，测量正弦信号的振幅K、角频率w参数。
3、指数衰减正弦信号：
其表达式为
，其波形如图2-3所示。
图2-3指数衰减正弦信号波形
4、复指数信号：
其表达式为
一个复指数信号可分解为实、虚两部分。
其中实部包含余弦衰减信号，虚部则为正弦衰减信号。
指数因子实部表征了正弦与余弦函数振幅随时间变化的情况。
一般
，正弦及余弦信号是衰减振荡。
指数因子的虚部则表示正弦与余弦信号的角频率。
对于一个复信号的表示一般通过两个信号联合表示：
信号的实部通常称之为同相支路；信号的虚部通常称之为正交支路。
利用复指数信号可使许多运算和分析得以简化。
在信号分析理论中，复指数信号是一种非常重要的基本信号。
5、Sa（t）信号：
其表达式为
。
Sa（t）是一个偶函数，t=±π，
±2π，…，±nπ时，函数值等于零。
该函数在很多应用场合具有独特的应用。
其波形如图2-4所示。
图2-4Sa（t）信号波形
6、钟形信号（高斯函数）：
其表过式为
。
其波形如图2-5所示。
图2-5钟形信号波形
7、门信号：
其表达式为
，其中
为单位阶跃函数。
其波形如图2-6所示。
图2-6门信号波形
8、
方波信号：
信号周期为T，前T/2期间信号为正电平信号，在后T/2期间信号为负电平信号。
其波形如图2-7所示。
图2-7方波信号波形
五、实验步骤
在下面实验中，设置信号产生模块的工作模式为3。
1、指数信号观察
通过信号选择键1，设置A组输出为指数信号（此时“特殊功能1”显示0）。
用示波器测量“信号A组”的输出信号。
观察指数信号的波形，并测量分析其对应的a、K参数。
2、正弦信号观察
通过信号选择键1，设置A组输出为正弦信号（此时“特殊功能1”显示5）。
用示波器测量“信号A组”的输出信号。
在示波器上观察正弦信号的波形，并测量分析其对应的振幅K、角频率w。
3、指数衰减正弦信号观察（正频率信号）
通过信号选择键1，设置A组输出为指数衰减余弦信号（此时“特殊功能1”显示1），用示波器测量“信号A组”的输出信号。
通过信号选择键2、按照实验1的方法设置B组输出为指数衰减正弦信号（此时“特殊功能2”显示2），用示波器测量“信号B组”的输出信号。
*分别用示波器的X、Y通道测量上述信号，并以X-Y方式进行观察，记录此时信号的波形，并注意此时李沙育图形的旋转方向。
（该实验可选做）
分析对信号参数的测量结果。
4、*指数衰减正弦信号观察（负频率信号）（该实验可选做）
通过信号选择键1、按照实验1的方法设置A组输出为指数衰减余弦信号（此时“特殊功能1”显示3），用示波器测量“信号A组”的输出信号。
通过信号选择键2、按照实验1的方法设置B组输出为指数衰减正弦信号（此时“特殊功能2”显示4），用示波器测量“信号B组”的输出信号。
分别用示波器的X、Y通道测量上述信号，并以X-Y方式进行观察，记录此时信号的波形，并注意此时李沙育图形的旋转方向。
将测量结果与实验4所测结果进行比较。
5、Sa（t）信号观察
通过信号选择键1，按照实验1的方法设置A组输出为Sa（t）信号（此时“特殊功能1”显示7），用示波器测量“信号A组”的输出信号。
并通过示波器分析信号的参数。
6、钟形信号（高斯函数）观察
通过信号选择键1，按照实验1的方法设置A组输出为钟形信号（此时“特殊功能1”显示8），用示波器测量“信号A组”的输出信号。
并通过示波器分析信号的参数。
7、脉冲信号观察
通过信号选择键1，按照实验1的方法设置A组输出为正负脉冲信号（此时“特殊功能1”显示13），并分析其特点。
六、实验思考
1、分析指数信号、正弦信号、指数衰减正弦信号、复指数信号、Sa（t）信号、钟形信号、脉冲信号的特点；
2、设置输出为复指数正频率信号（A组输出与B组输出同时观察）与复指数负频率信号（A组输出与B组输出同时观察），并说明这两类信号的特点。
3、写出测量指数信号、正弦信号、指数衰减正弦信号、复指数信号、Sa（t）信号、钟形信号、脉冲信号的波形参数。
实验二
信号的基本运算单元
一、实验目的
1、掌握信号与系统中基本运算单元的构成；
2、掌握基本运算单元的特点；
3、掌握对基本运算单元的测试方法。
二、预备知识
1、学习“信号的运算”一节；
2、学习对一般电路模块输入、输出特性的测试方法。
三、实验仪器
1、JH5004“信号与系统”实验箱
2、20MHz示波器实验原理
在“信号与系统”中，最常用的信号运算单元有：
减法器、加法器、倍乘器、反相器、积分器、微分器等，通过这些基本运算单元可以构建十分复杂的信号处理系统。
因而，基本运算单元是“信号与系统”的基础。
四、实验模块说明
在JH5004“信号与系统”实验箱中有一“基本运算单元”模块，该模块由六个单元组成，下面对其每一个单元的功能作一简单说明。
1、加法器：
其电路构成如图3-1所示，在该电路中元件参数的取值为：
，其输出Y与输入x1、x2的关系为：
图3-1加法器
2、减法器：
其电路构成如图3-2所示，在该电路中元件参数的取值为：
，其输出Y与输入x1、x2的关系为：
图3-2减法器
3、倍乘器：
其电路构成如图3-3所示，在该电路中元件参数的取值为：
，其输出Y与输入x的关系为：
图3-3倍乘器
4、反相器：
其电路构成如图3-4所示，在该电路中元件参数的取值为：
，其输出Y与输入x的关系为：
图3-4反相器
5、积分器：
其电路构成如图3-5所示，在该电路中元件参数的取值为：
，其输出Y与输入x的关系为：
图3-5积分器
6、微分器：
其电路构成如图3-6所示，在该电路中元件参数的取值为：
，其输出Y与输入x的关系为：
图3-6微分器
五、实验步骤
在下面实验中，按照实验1的方法设置信号产生模块的工作模式为3。
1、加法器特性观察
通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出为270Hz信号（“特殊功能1”显示5），通过信号选择键2使对应的“信号B组”的输出为2160Hz信号（“特殊功能2”显示6）。
用短路连线器将模拟信号A、B组的输出信号送入加法器的X1、X2输入端，用示波器观察输出端Y的波形。
2、减法器特性观察
通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出为全波检滤信号（“特殊功能1”显示16），通过信号选择键2使对应的“信号B组”为半波检波信号（“特殊功能2”显示17）。
用短路连线器将模拟信号A、B组的输出信号送入减法器的X1、X2输入端，用示波器观察输出端Y的波形。
3、倍乘器特性观察
通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出信号为2160Hz的正弦信号（“特殊功能1”显示6）。
用短路连线器将信号A组的输出信号送入倍乘器的X输入端，观察输出端Y的波形。
4、反相器特性观察
通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出信号为2160Hz的正弦信号（“特殊功能1”显示6）。
用短路连线器将信号A组的输出信号送入反相器的X输入端，观察输出端Y的波形相位与输入波形的相位关系。
5、积分器特性观察
通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出为连续正负脉冲对信号（“特殊功能1”显示13）。
用短路连线器将信号A组的输出信号送入积分器的X输入端，观察输出端Y的波形与输入波形的关系。
6、微分器特性观察
通过信号选择键使对应的“信号A组”的输出依次为连续正负脉冲信号（“特殊功能1”显示9）、间隔正负脉冲信号（“特殊功能1”显示13）、正负指数衰减冲激信号（“特殊功能1”显示14）、锯齿信号（“特殊功能1”显示18）。
用短路连线器将信号A组的输出信号送入微分器的X输入端，观察输出端Y的波形与输入波形的关系。
六、实验思考
1、画出最常用的信号运算单元：
减法器、加法器、倍乘器、反相器、积分器、微分器的电路结构；
2、分析常用的信号运算单元：
减法器、加法器、倍乘器、反相器、积分器、微分器的运算特点；
3、采用基本运算单元构建：
的电路。
实验三
信号的合成
一、实验目的
1、掌握周期信号的傅里叶变换；
2、理解傅里叶变换的本质；
3、学会对一般周期信号在时域上进行合成。
二、预备知识
1、学习“周期信号的傅里叶级数分析”；
2、信号滤波常用知识；
3、信号相加。
三、实验仪器
1、JH5004“信号与系统”实验箱
2、20MHz示波器
3、低频信号源（0Hz～2MHz）
四、实验原理
在“信号与系统”中，周期性的函数（波形）可以分解成基频分量及其谐波分量，如图4-1所示，基频与谐波的幅度与信号的特性紧密相关。
图4-1周期信号频谱
从图4-1可以看出，一般周期信号，其谐波幅度随着谐波次数的增加而减小。
因而，对于一个周期信号，可以通过一组中心频率等于该信号各谐波频率的带通滤波器，获取该周期信号在各频点信号幅度的大小。
反过来，按照某一特定周期信号的基波及其谐波处的幅度与相位，可以合成该周期信号，理论上需要谐波点数为无限，但由于谐波幅度随着谐波次数的增加而减小，因而只需取一定数目的谐波即可。
五、实验模块说明
在JH5004“信号与系统”实验箱的下方有一“信号合成”模块，该模块由一组中心频率等于
的信号源、幅度调整电路及相加器组成，如图4-2所示。
图4-2“信号分解与合成”模块
六、实验步骤
1、信号产生：
将信号产生模块的工作模式设置为0模式，在该模式下，可产生五个相关的频率信号，该组信号为余弦信号源，其中心频率等于n·f0（其中f0=50Hz，n=1，2，3，4，5）。
2、方波信号的合成：
（1）按下面公式调整五路信号的幅度：
（2）逐步加入合成信号，观察输出信号波形的变化；
3、周期锯齿信号的合成：
（1）按下面公式调整五路信号的幅度：
（2）逐步加入合成信号，观察输出信号波形的变化；
4、周期半波信号合成（不含直流信号）：
（1）按下面公式调整五路信号的幅度：
（2）逐步加入合成信号，观察输出信号波形的变化。
七、实验思考
1、周期性信号的频谱特性是什么？
2、合成之后的信号与期望信号是否相同，是什么原因造成这些不同？
实验四零输入响应与零状态响应分析
一、实验目的
1、掌握电路的零输入响应；
2、掌握电路的零状态响应；
3、学会电路的零状态响应与零输入响应的观察方法。
二、预备知识
1、学习“零输入响应和零状态响应”；
2、“零输入响应和零状态响应”的方程表述；
3、电路参数对“零输入响应和零状态响应”的影响。
三、实验仪器
1、JH5004“信号与系统”实验箱
2、20MHz示波器
四、实验原理
图6-1RC电路
电路的响应一般可分解为零输入响应和零状态响应。
首先先考察一个实例：
在图6-1中由RC组成一电路，电容两端有起始电压
，激励源为
。
则系统响应——电容两端电压：
上式中第一项称之为零输入响应，与激励无关，零输入响应
是以初始电压值开始，以指数规律进行衰减。
第二项与初始储能无关，只与激励有关，被称为零状态响应。
在不同的输入信号下，电路会表征出不同的响应。
五、实验模块说明
在JH5004“信号与系统”实验箱的下方有一“零输入响应与零状态响应”单元，它的电路组成如图6-2所示，在电路单元中，元件的值为：
图6-2RC电路
六、实验步骤
1、系统的零输入响应特性观察：
（1）设置信号产生模块的工作模式为2，对应的脉冲信号发生器产生周期为35ms的方波信号。
用短路线将脉冲信号输出端与“零输入响应与零状态响应”单元的X1端口相连，用脉冲信号作同步，观察输出信号的波形。
（2）同上步，将信号产生模块中脉冲信号输入到X2、X3端口，用脉冲信号作同步，分别观察输出信号的波形。
注：
对于周期较长的脉冲方波信号，可以近似认为在脉冲信号高电平的后沿，电路的电容已完成充电。
当进入脉冲信号的低电平阶段时，相当于此时激励去掉。
电路在该点之后将产生零输入响应。
因而对零输入响应的观察应在脉冲信号的低电平期间。
2、系统的零状态响应特性观察：
（1）设置信号产生模块的工作模式为2，对应的脉冲信号发生器产生周期为35ms的方波信号。
用短路线将脉冲信号输出端与“零输入响应与零状态响应”单元的X1端口相连，用脉冲信号作同步，观察输出信号的波形。
（2）同上步，将信号产生模块中脉冲信号输入到X2、X3端口，用脉冲信号作同步，分别观察输出信号的波形。
注：
对于周期较长的脉冲方波信号，可以近似认为在脉冲信号低电平期间，电路的电容已完成放电。
当进入脉冲信号的高电平阶段时，相当于此时激励加上。
电路在该点之后将产生零状态响应。
因而对零状态响应的观察应在脉冲信号的高电平期间。
七、实验思考
1、叙述如何观察系统的零输入响应？
2、理论分析相应连续信号在该电路下的零状态响应，并与实际实验结果进行对照比较。
实验五
信号的抽样与恢复（ＰＡＭ）
一、实验目的
1、验证抽样定理；
2、观察了解PAM信号形成的过程。
二、预备知识
1、学习“从抽样信号恢复连续时间信号”；
2、理想低通滤波器的冲激响应形式；
3、冲激函数的性质。
三、实验仪器
1、JH5004“信号与系统”实验箱
2、20MHz示波器
四、实验原理
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始信号。
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。
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通信设备整个系统的性能指标。
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，则可以唯一地由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。
抽样信号的时域与频域变化过程如图10-1所示。
图10-1抽样信号的时域与频域变化过程
五、实验模块说明
在JH5004“信号与系统”实验箱的中有一“PAM抽样定理”模块，该模块主要由一个抽样器与保持电容组成，如图10-2所示。
图10-2“PAM抽样定理”模块
一个完整的PAM电路组成如图10-3所示。
即在输入、输出端需加一低通滤波器。
前一个低通滤波器是为了滤除高于fs／2的输入信号，防止出现频谱混迭现象，产生混迭噪声，影响恢复出的信号质量。
后面一低通滤波器是为了从抽样序列中恢复出信号，滤除抽样信号中的高次谐波分量。
六、实验步骤
设置JH5004的信号产生模块处于工作模式1，在该模式下，在正弦信号16KHz、32KHZ输出端产生相应的信号输出，同时在信号A组产生1KHz信号，在信号B组产生125HZ信号输出，以及PAM所需的抽样时钟。
1、采样冲激串的测量：
在JH5004的“PAM抽样定理”模块的D（t）输入端测量采样冲激串，测量采样信号的频率；
2、模拟信号的加入：
用短路线将“信号A组”输出1KHz正弦信号与“PAM抽样定理”模块的信号输入X端相连；
3、信号采样的PAM序列观察：
在“PAM抽样定理”模块的输出端可测量到输入信号的采样序列，用示波器比较采样序列与原始信号的关系、及采样序列与采样冲激串之间的关系；
4、PAM信号的恢复：
用短路线将“PAM抽样定理”模块输出端的采样序列与“无源与有源滤波器”单元的“八阶切比雪夫低通滤波器”的输入端相连。
在滤波器的输出端可测量出恢复出的模拟信号，用示波器比较恢复出的信号与原始信号的关系与差别；
5、用短路器连接“PAM抽样定理”模块的A与C端，重复上述实验。
七、实验思考
1、在实验电路中，采样冲激串不是理想的冲激函数，通过这样的冲激序列所采样的采样信号谱的形状是怎样的？
2、用短路线连接“PAM抽样定理”模块的A与C端，由外部信号源产生一65KHz的正弦信号送入“PAM
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