信号的抽样与恢复和模拟滤波器.docx

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信号的抽样与恢复和模拟滤波器

实验一信号的抽样与恢复（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、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及原理框图如下。

三、实验仪器

1、JH5004“信号与系统”实验箱一台；

2、20MHz示波器一台；

四、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。

一个完整的PAM电路组成如下图所示。

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。

五、实验步骤

通过信号发生器产生相应的正弦信号输出，信号频率1KHz、2KHz、5KHz等。

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：

用短路线将信号发生器产生的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击串之间的关系。

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。

在滤波器输出端可测量出恢复出的模拟信号，用示波器比较恢复出信号与原始信号的关系与差别。

5、用短路线连接“PAM抽样定理”模块的A与C端，重复上述实验。

六、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、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抽样定理”模块中，再将采样序列送入低通滤波器，用示波器测量恢复出来的信号是什么？

为什么？

七、实验报告

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。

实验二

模拟滤波器实验

一、实验目的

1、掌握低通无源滤波器的设计；

2、学会将无源低通滤波器向带通、高通滤波器的转换；

3、了解常用有源低通滤波器、高通滤器、带通滤波器、带阻滤波器的结构与特性；

4、了解巴特沃思低通滤器与切比雪夫低通滤波器的特点；

5、学会用信号源与示波器测量滤波器的频响特性。

二、实验原理

模拟滤波器根据其通带的特征可分为：

（1）低通滤波器；

（2）高通滤波器；

（3）带通滤波器；

（4）带阻滤波器；

在这四类滤波器中，又以低通滤波器最为典型，其它几种类型的滤波器均可从它转化而来。

对于模拟低通滤波器的设计方法，一般是通过逼近的设计方法。

在最常用的滤波器中又以巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器最常用。

1、巴特沃思滤波器

其频响特性为：

特点：

1）最大平坦性：

其滤波器在0频点处附近一段范围内是非常平直的，它是以原点的最大平坦性来逼近理想低通滤波器；

2）通带、阻带下降的单调性；

3）具有良好的相频特性；

4）3dB的不变性：

随着N的增加，频带边缘下降越陡峭，越接近理想特性。

但不管N是多少，幅频特性都通过3dB点；

2、切比雪夫滤波器

其频响特性为：

特点：

1）所有曲线通过（

，

）点，因而把

定义为切比雪夫滤波器的截止角频率；

2）在通带

内，

在1和

之间变化；在通带外，

单调下降；

3）通带内波动均匀性；

4）相位的非线性特性。

三、实验仪器

1、JH5004“信号与系统”实验箱一台；

2、20MHz示波器一台；

3、低频信号源（0Hz～2MHz）一台；

四、实验模块说明

在JH5004“信号与系统”实验箱的左中部有一“无源与有源滤波器”模块，该模块的布局右下图所示：

在该模块上一共设计了四个无源滤波器与六个有源滤波器，下面从左到右逐一介绍滤波器的类型：

（1）四阶无源巴特沃思低通滤波器，其元件取值为：

（2）四阶无源巴特沃思带通滤波器，其元件取值为：

（3）六阶无源巴特沃思低通滤波器，其3dB点在2MHz处。

其元件取值为：

（4）六阶无源巴特沃思高通滤波器，其过渡频率在2MHz处。

其元件取值为：

（5）二阶有源巴特沃思低通滤波器，其3dB点在50KHz。

其元件取值为：

（6）二阶有源巴特沃思高通滤波器，其3dB点在50KHz。

其元件取值为：

（7）二阶有源巴特沃思带通滤波器，其中心频点在64KHz。

其元件取值为：

（8）二阶有源巴特沃思带阻滤波器，其中心频点在32KHz。

其元件取值为：

（9）二阶有源切比雪夫低通滤波器，其3dB点在32KHz。

其元件取值为：

（10）八阶有源切比雪夫低通滤波器，其3dB点在3400Hz。

其元件取值为：

五、实验步骤

1、无源滤波器的测量：

（1）四阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量

（A）3dB频点测量：

首先用低频信号源产生一1KHz的正弦信号，测量四阶无源巴特沃思低通滤波器在该频点的输出幅度；然后不断增加信号源的输出频率，当滤波器输出信号的幅度为原来的0.707时，低频信号源的频率即为该滤波器的3dB频点。

（B）滤波器的频响特性测量：

用低频信号源产生一正弦信号，然后不断增加信号源的输出频率（20KHz一个步进），测量相应频点滤波器输出信号的幅度，并记录下来。

以频率与输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。

（2）四阶无源巴特沃思带通滤波器特性测量：

（A）带通滤波器中心频点测量：

首先用低频信号源产生一正弦信号，改变信号源的输出频率，当滤波器输出信号的幅度为最大，低频信号源的频率即为该带通滤波器的中心频点。

（B）带通滤波器的频响特性测量：

用低频信号源产生一正弦信号，其频率在带通滤波器中心频率附近。

然后不断增加或减少信号源的输出频率（20KHz一个步进），测量相应频点的滤波器输出信号的幅度，并记录下来。

以频率与输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。

（3）六阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量：

（A）3dB频点测量：

方法同四阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量。

（B）滤波器的频响特性测量：

方法同四阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量。

（4）六阶无源巴特沃思高通滤波器特性测量：

（A）3dB频点测量：

首先用低频信号源找出六阶无源巴特沃思高通滤波器在高端频率点的输出幅度（在该频点附近信号输出保持不变），以该点的输出信号幅度为参考。

降低信号源的输出频率，当滤波器输出信号的幅度为参考输出幅度的0.707时，低频信号源的频率即为该高通滤波器的3dB频点。

（B）滤波器的频响特性测量：

用低频信号源产生一正弦信号，然后不断增加信号源的输出频率（20KHz一个步进），测量相应频点的滤波器输出信号的幅度，并记录下来。

以频率与输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。

2、有源滤波器特性测量：

（1）二阶有源巴特沃思低通滤波器特性测量：

测量方法自拟。

（2）二阶有源巴特沃思高通滤波器特性测量：

测量方法自拟。

（3）二阶有源巴特沃思带通滤波器特性测量：

测量方法自拟。

（4）二阶有源巴特沃思带阻滤波器特性测量：

测量方法自拟。

（5）二阶有源切比雪夫低通滤波器特性测量：

测量方法自拟。

（6）八阶有源切比雪夫低通滤波器特性测量：

测量方法自拟。

六、实验报告

1、指出四阶无源巴特沃思低通滤波器特性与六阶无源巴特沃思低通滤波器特性的差异，并说明其原因？

2、指出二阶有源巴特沃思低通滤波器特性与二阶有源切比雪夫低通滤波器特性的差异，并说明原因？

3、指出二阶有源巴特沃思低通滤波器特性与八阶有源切比雪夫低通滤波器特性的差异？

4、有源滤波器与无源滤波器的设计有什么不同，各适用在什么场合？