实验九、信号的采样与恢复

实验九、信号的采样与恢复

一. 实验目的

1. 了解电信号的采样方法与过程以及信号恢复的方法 2. 验证抽样定理 二. 实验设备

1. 信号与系统实验箱TKSS-B型 2. 双踪示波器 三. 实验原理

过平移的原信号频率。平移的频率等于抽样频率fs及其谐波频率2fs、3fs??。当抽样信号是周期性窄脉冲时，平移后的频率幅度按?sinx?规律衰减。抽样信号的频谱是原信号频

x谱周期的延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽得多。

2、正如测得了足够的实验数据以后，我们可以在坐标纸上把一系列数据点连起来，得到一条光滑的曲线一样，抽样信号在一定条件下也可以恢复到原信号。只要用一截止频率等于原信号频谱中最高频率fn的低通滤波器，滤除高频分量，经滤波后得到的信号包含了原信号频谱的全部内容，故在低通滤波器输出可以得到恢复后的原信号。

3、但原信号得以恢复的条件是fs?2B，其中fs为抽样频率，B为原信号占有的频带宽度。而fmin?2B为最低抽样频率又称“奈奎斯特抽样率”。当fs?2B时，抽样信号的频谱会发生混迭，从发生混迭后的频谱中我们无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。在实际使用中，仅包含有限频率的信号是极少的。因此即使fs?2B，恢复后的信号失真还是难免的。图5-2画出了当抽样频率fs?2B（不混叠时）及当抽样频率fs?2B（混叠时）

两种情况下冲激抽样信号的频谱。 F??? f?t?

? t ??m 0 0 ?m (a) 连续信号的频谱 fs?t?F??? 1 TS ? t 0 Ts ??s ??m ?s 0 ?m （b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠）

F???fs?t?1 TS

0 ? t ??s ??m 0 Ts ?m ?s

（c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）

ss图5-2 抽样过程中出现的两种情况

4、点频抽样还原实验采用分立方式，对2kHz正弦波进行抽样和还原，首先2kHz的方波经过截止频率为2.56kHz低通滤波器得到2kHz的正弦波，然后用可调窄脉冲对正弦波进行抽样得到抽样信号，抽样信号经低通滤波器后还原出正弦波。

?考虑下面的正弦信号： x(t)?cos(st??)

2假定以两倍于该正弦信号的频率?s对它进行脉冲串采样，若这个已采样的冲激信号作为输入加到一个截止频率为?s/2的理想低通滤波器上，其所产生的输出是：

?xr(t)?(cos?)cos(st)

2由此可见，当?＝0或是2?的整数倍时，如右图，x(t)可以完全恢复。

?当????2时，x(t)?sin(st)

2该信号在采样周期2??s整数倍点上的值都是零；因此在这个采样频率下所产生的信号全是零。当这个零输入加到理想低通滤波器上时，所得输出当然也都是零。

5、为了实现对连续信号的抽样和抽样信号的复原，除选用足够高的抽样频率外，常采用前置低通滤波器来防止原信号频谱宽而造成抽样后信号频谱的混叠。但这也会造成失真。原始的语音信号带宽为40Hz到10000Hz,但实际中传输的语音信号的带宽为300Hz到3400Hz,并不影响我们的听觉效果,因此本实验加了前置滤波器。

6、语音抽样还原实验采用集成方式，本实验采用PCM编译码器TP3067专用大规模集成电路，它是CMOS工艺制造的单片PCM A律编译码器．片内带有输入输出话路滤波器．它把编译码器（Codec）和滤波器(Filter)集成在一个芯片上。

脉冲编码调制（PCM)就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中进行传输。而脉冲编码调制就是对模拟信号先进行抽样后，再对样值的幅度进行量化、编码的过程。话音信号先经过防混叠低通滤波器，得到限带信号（300Hz～3400Hz），进行脉冲抽样，变成8kHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。对于电话，CCITT（国际电话与电报顾问委员会 International Telephone and Telegraph Consultative Committee）规定抽样率为8kHz，每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s。

四. 实验步骤

1、点频抽样

(1) 把系统时域与频域分析模块插在主板上，用导线接通此模块“电源接入”和主板上的电源（看清标识，防止接错），并打开此模块的电源开关（S1、S2）。

（2）用示波器测试H07“CLKR”的波形，为256kHz的方波，用导线将H07“CLKR”和H12连接起来。

（3）用示波器测试H01“2kHz”的输出波形，为2kHz的方波，用导线连接H01“2kHz”和H02“输入”。

（4）通过测试钩T01观察输入的方波经过截止频率为2kHz的低通滤波器后得到2kHz的正弦波。抽样电路将对此正弦波进行抽样，然后经过还原电路还原出此正弦波。

（5）用示波器观察测试钩T08“抽样脉冲序列”的波形。通过按键“频率粗调”和按键“频率细调”可以改变抽样脉冲序列的频率。抽样脉冲序列的频率的最小值为500Hz最大值为11.5kHz。同样通过“占空比粗调”按键和“占空比细调”按键可以调节抽样脉冲序列的占空比。“复位”按键可以使抽样脉冲序列的频率复位为500Hz且占空比最小。通过调节抽样脉冲的频率可以实现欠采样、临界采样、过采样。 （6）用示波器观察T02“抽样信号”的波形。

（7）观察抽样信号经低通滤波器还原后的波形T03。

（8）改变抽样频率为fs<2B和fs≥2B，观察抽样信号（T02)和复原后的信号（T03)，比较其失真程度。

2、 语音信号的抽样与恢复

把话筒插进V1耳机插进V2(看清标识不要接错)，用导线将“PCM信号输出”连接到“PCM信号输入”,检查无误后就可以对着话筒讲话了，会在耳机里听到清楚的声音。（W01用来调节语音信号的放大倍数，W02用来调节声音的大小） 五、实验数据处理

1.整理并绘出原信号，以及复原信号的波形得出什么结论？ 答：波形图如下，从波形图对比得出a、当抽样信号

时，复原信号的波形，波形

与原信号一致，几乎不失真b、当抽样信号

时，此时复原的波形有失真的情况，因为抽

样信号频谱会发生混迭，从混迭后频谱中无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。

2.若原信号为方波或者三角波，可用示波器观察离散的抽样信号，但由于本装置不是很容易实现一个理想的低通示波器，以及高频窄脉冲，所以方波形或者三角波形的离散信号记过低通示波器后只能观察到他的基本分量无法恢复原信号。

六、心得体会

答;在实验过程中了解电信号的采样方法与过程以及信号恢复的方法同时验证抽样定理。并且在调试示波器中熟悉了一些按键并认识几个新的调试方式。

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