南理工通信原理实验报告.docx
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南理工通信原理实验报告
实验一抽样定理实验····································3
实验七HDB3码型变换实验······························14
实验十一BPSK调制与解调实验····························21
实验十九滤波法及数字锁相环法位同步提取实验·············29
实验一抽样定理实验
一、实验目的
1.了解抽样定理在通信系统中的重要性。
2.掌握自然抽样与平顶抽样的实现方法。
3.理解低通采样定理的原理。
4.理解实际的采样系统。
5.理解低通滤波器的幅频特性和对抽样信号恢复的影响。
6.理解带通采样定理的原理。
二、实验器材
1.主控&信号源、3号模块。
各一块
2.双踪示波器一台
3.连接线若干
三、实验原理
1.实验原理框图
2.实验框图说明
抽样信号由抽样电路产生。
将输入的被抽样信号与抽样脉冲相乘就可以得到自然抽样信号，自然抽样信号经过保持电路得到平顶抽样信号。
平定抽样和自然抽样信号是通过S1切换输出的。
抽样信号的恢复是将抽样信号经过低通滤波器，即可得到恢复的信号。
这里滤波器可以选用抗混叠滤波器（8阶3.4khz的巴特沃斯低通滤波器）或fpga数字滤波器（有FIR、IIR两种）。
反sinc滤波器不是用来恢复抽样信号的，而是用来应对孔径失真现象。
要注意，这里的数字滤波器是借用的信源编译码部分的端口。
在做本实验室与信源编译码的容没有联系。
四、实验结果与波形观测
实验项目一抽样信号观测及抽样定理验证
概述：
通过不同频率的抽样时钟，从时域与频域两方面观测自然抽样和平顶抽样的输出波形，以及信号恢复的混叠情况，从而了解不同抽样方式的输出差异和联系，验证抽样定理。
注：
通过观测频谱可以看到当抽样脉冲小于2倍被抽样信号频率时，信号会产生混叠。
1.关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
将被抽样信号送入抽样单元
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH5（LPF-IN）
送入模拟低通滤波器
2.开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。
调节主控模块的W1使A-out输出峰峰值为3V。
3.此时实验系统初始状态为：
被抽样信号MUSIC为幅度4V、频率3K+1K正弦合成波。
抽样脉冲A-OUT为幅度3V、频率9khz、占空比20%的方波。
4.波形观测
（1）主控MUSIC波形
（2）自然抽样输出
（3）平顶抽样输出
（4）LPF-OUT（此时采样频率为7.9khz）
思考：
理论上当采样频率低于2倍的信号最高频率时恢复的波形会失真。
实验中当抽样脉冲频率为7.9khz时，输出波形刚好有失真，从而验证了奈奎斯特采样定理。
实验二滤波器幅频特性对抽样信号恢复的影响
概述：
该项目是通过改变不同抽样时钟频率，分别观测和绘制抗混叠低通滤波和FIR数字滤波的幅频特性曲线，并比较抽样信号经过两种滤波器后的恢复效果，从而了解和探讨不同了不起幅频特性对抽样信号恢复的影响。
1.测试抗混叠滤波器的幅频特性曲线
（1）关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
A-OUT
模块3：
TH5（LPF-IN）
将信号送入模拟滤波器
（2）开电，设置主控模块，选择【信号源】→【输出波形】和【输出频率】，通过调节相应旋钮，使A-OUT主控&信号源输出频率5khz、峰峰值为3V的正弦波。
（3）此时实验系统初始状态为：
抗混叠低通滤波器的输入信号为频率5khz、幅度3V的正弦波。
（4）实验数据表格
A-OUT的频率/khz
5
4.9
4.8
4.7
4.6
4.5
基频幅度/V
0.54
0.612
0.7
0.824
0.94
1.08
4.3
4.2
4.1
4
3.9
3.8
3.7
1.4
1.59
1.8
2
2.18
2.34
2.48
3.6
3.5
3.4
3.3
3.2
3.1
3
2.6
2.7
2.76
2.8
2.84
2.86
2.84
2.5
2
1.5
1
2.9
2.92
2.92
3
（5）幅频特性曲线
思考：
对于3khz低通滤波器，为了更好的画出幅频特性曲线，我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小？
答：
当输入波形频率远离3.4khz时增大频率间隔，当输入波形频率接近3.4khz时减小频率间隔。
低通滤波器的截止频率为3.4khz，则选取0.68khz的整数倍测幅频得到的曲线会更接近理论曲线，可将信号源输入频率的步进值调整为680hz。
2.测试FIR数字滤波器的幅频特性曲线
（1）关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
A-OUT
模块3：
TH13（编码输入）
将信号送入数字滤波器
（2）开电，设置主控菜单：
选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
调节【信号源】，使A-OUT输出频率5khz、峰峰值为3V的正弦波。
（3）实验数据表格
A-OUT的频率/khz
5
4.5
4.4
4.3
4.2
4.1
基频幅度/V
0.04
0.076
0.119
0.17
0.203
0.376
4
3.9
3.8
3.7
3.6
3.5
3.4
0.512
0.67
0.876
1.1
1.35
1.64
1.92
3.3
3.2
3.1
3
2.9
2.8
2.7
2.22
2.5
2.84
3.12
3.4
3.64
3.92
2.6
2.5
2.4
2.3
2.2
2.1
2
4.12
4.4
4.56
4.68
4.8
4.88
4.96
1.5
5
（4）幅频特性曲线
思考：
对于3khz低通滤波器，为了更好的画出幅频特性曲线，我们可以如何调整信号源输入频率的步进值大小？
答：
在测量频率特性曲线时，当输入波形频率远离3khz时增大频率间隔，当输入波形频率接近3khz时减小频率间隔。
调整信号源输入频率的步进值为600hz,能更好的画出幅频特性曲线。
3.分别利用上述两个滤波器对被抽样信号进行恢复，比较被抽样信号的恢复效果。
（1）关电，按表格所示进行连线：
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
提供被抽样信号
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH5（LPF-IN）
送入模拟低通滤波器
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH13（编码输入）
送入FIR数字低通滤波器
（2）开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】→【FIR滤波器】。
调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。
（3）此时实验系统初始状态为：
待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波，抽样时钟信号A-OUT为频率9khz、占空比20%的方波。
当设置采样频率为7.5khz时，抗混叠滤波器（CH1）在电压为负值时出现严重失真，而FIR数字滤波器（CH2）的恢复结果说明采样后的信号发生了混叠。
思考：
不同滤波器的幅频特性对抽样恢复有何影响？
答：
模拟滤波器的恢复结果理论上更接近幅频特性，实际中会受到元件因素的影响；FIR数字滤波器可以实现相位的匹配。
实验三滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响
概述：
该项目是通过改变不同抽样始终频率，从时域和频域两方面分别观测抽样信号经过FIR滤波和IIR滤波后的恢复失真情况，从而了解和探讨不同滤波器相频特性对抽样信号恢复的影响。
观察被抽样信号经过fir低通滤波器与iir低通滤波器后，所恢复信号的频谱。
1.关电，按表格所示进行连线。
源端口
目标端口
连线说明
信号源：
MUSIC
模块3：
TH1（被抽样信号）
提供被抽样信号
信号源：
A-OUT
模块3：
TH2（抽样脉冲）
提供抽样时钟
模块3：
TH3（抽样输出）
模块3：
TH13（编码输入）
将信号送入数字滤波器
2.开电，设置主控菜单，选择【主菜单】→【通信原理】→【抽样定理】。
调节W1主控&信号源使信号A-OUT输出峰峰值为3V左右。
3.此时实验系统初始状态为：
待抽样信号MUSIC为3K+1K正弦合成波，抽样时钟信号A-OUT为频率9khz、占空比20%的方波。
4.实验操作及波形观测。
a、观测信号经fir滤波后波形恢复效果：
设置主控模块菜单，选择【抽样定理】→【FIR滤波器】；设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为7.5khz；用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形和频谱。
b、观测信号经iir滤波后波形恢复效果：
设置主控模块菜单，选择【抽样定理】→【IIR滤波器】；设置【信号源】使A-OUT输出的抽样时钟频率为7.5khz；用示波器观测恢复信号译码输出3#的波形（CH1）和频谱。
c、探讨被抽样信号经不同滤波器恢复的频谱和时域波形：
被抽样信号与经过滤波器后恢复的信号之间的频谱是否一致？
如果一致，是否就是说原始信号能够不失真的恢复出来？
用示波器分别观测fir滤波恢复和iir滤波恢复情况下，译码输出3#的时域波形是否完全一致，如果波形不一致，是失真呢？
还是有相位的平移呢？
如果相位有平移，观测并计算相位移动时间。
答：
恢复出的信号与被抽样信号不完全一致，同时同一信号经FIR和IIR滤波器恢复出的波形也不一致，同时两种滤波器输出波形都大约相对于原始波形延迟1ms。
五、问题分析
1.滤波器的幅频特性是如何影响抽样恢复信号的？
简述平顶抽样和自然抽样的原理和实现方法。
答：
抗混叠滤波器的截止频率等于源信号谱中最高频率fn，将高频分量滤除。
经滤波后得到的信号包含了原信号频谱的全部容，故在低通滤波器输出端可以得到恢复后的原信号。
当抽样频率小于2倍的原信号的最高频率即滤波器的截止频率时，抽样信号的频谱会发生混叠现象，从发生混叠后的频谱中无法用低通滤波器获得信号频谱的全部容，从而导致失真。
平顶抽样原理：
抽样脉冲具有一定持续时间，在脉宽期间其幅度不变，每个抽样脉冲顶部不随信号变化。
实际应用中是采用抽样保持电路来实现的。
自然抽样原理：
抽样脉冲具有一定持续时间，在脉宽期间其幅度不变，每个抽样脉冲顶部随信号幅度变化。
用周期性脉冲序列与信号相乘就可以实现。
2.思考一下，实验步骤中采用3K+1K正弦合成波作为被抽样信号，而不是单一频率的正弦波，在实验过程中波形变化的观测上有什么区别？
对抽样定理理论和实际的研究有什么意义？
答：
观测波形变化时可以方便地通过比较两个极大值的大小来查看失真情况，观测波形变化时更稳定，使抽样定理理论的验证结果更可靠。
实验七HDB3码型变换实验
1．实验目的
1.了解几种常用的数字基带信号的特征和作用
2.了解HDB3码的编译规则
3.了解滤波法位同步在码变换过程中的作用
2．实验器材
1.主控＆信号源、2号、8号、13号模块各一块
2.双踪示
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