数字脉冲幅度调制入门

脉冲幅度调制（PAM）是一种用于数字通信的编码技术，它将离散时间信号转换为适用于高速有线通信系统的可变幅度连续时间信号。

工程师经常面临这样的情况：信息必须通过与原始信息不兼容的介质进行传输。一个经典的例子是音频，其中语音或音乐可以由正弦电压信号表示，该正弦电压信号包括从大约50Hz延伸到15kHz的频率。理论上，这种正弦波形可以被传送到天线，并作为电磁辐射（EMR）在空中广播。然而，在实践中，这些频率对于有效的无线通信来说太低了。因此，可用介质（即空气）不允许我们直接传输感兴趣的信息。

解决方案是通过将信息编码成单独的信号，然后在通信信道的接收端对信息进行解码，来间接地发送信息。这就是我们所说的调制。

在传统的调幅（AM）中，正弦载波的振幅根据基带信息信号的振幅连续变化（图1）。

图1。示出载波与移位基带相乘的示例波形。

如图1所示，幅度调制是通过对基带信号进行移位以消除负电压摆动，然后将未调制的载波与移位的基带相乘来实现的。另一方面，数字脉冲幅度调制（PAM）是使传统幅度调制适应传输离散而非模拟信息任务的一种方法。

数字脉冲幅度调制基础知识

在数字PAM中，通过将二进制值转换为振幅电平，将数字数据流编码为“脉冲”序列。这将离散时间信号转换为连续时间信号，使我们能够减少成功传输所需的带宽，并创建一个非常适合远程有线通信的波形。

“脉冲”一词在这里可能会令人困惑，因为它不一定意味着“方波的半个周期”。相反，脉冲是某种固定持续时间的波形，这种波形可能是典型的矩形脉冲或非常不同的东西，如正弦曲线。为了生成PAM基带信号，我们将数字数据转换为幅度乘法器，并将这些乘法器应用于脉冲。在关于数字PAM的讲座幻灯片中，Brian Evans教授使用截断的升余弦波形作为脉冲信号，他提供了PAM基带信号的以下曲线图：

图2:PAM基带信号的示例图。图片由Brian Evans提供[可下载的PowerPoint]

图中的橙色指示器告诉我们，这是2-PAM，即PAM涉及两个振幅乘法器。如果振幅变化看起来很奇怪，请注意，乘法器实际上大小相等，符号相反，因此一个乘法器具有反转信号的效果。

下一个图如图3所示，显示了4-PAM，即涉及四个幅度乘法器的PAM，其中两个是正的，两个是负的。

图3。示例图。显示4-PAM。图片由Brian Evans提供[可下载的PowerPoint]

接收器可以对这些PAM基带信号进行上变频、传输和恢复，然后根据振幅序列重建原始数字数据。

然而，数字PAM的主要实现使用矩形脉冲，而不是截断的正弦波形，甚至调制和传输的信号看起来也相当“数字”；然而，在深入讨论之前，让我们先来看看比特与符号。。

理解PAM波形：比特与符号

PAM波形以普通数字数据位开始。在将这些1和0映射到幅度乘法器之前，必须首先将它们分组为符号。在这种情况下，符号是包含一个或多个比特的传输信息的单元。在幅移键控（ASK）中，每个符号表示二进制一或二进制零，因为只有两种可能的符号状态（开和关）。您可以在图4中看到这种情况。

图4。ASK示例。

因此，ASK传输一位符号。值得注意的是，ASK是PAM的基本版本，其中脉冲是截断的正弦曲线，振幅乘法器为零（关）和一（开）。

请记住，PAM并没有固定的每个符号的位数。设计者可以选择有多少振幅电平适合给定的PAM实现，并且每个符号的比特数取决于振幅电平的数量。如果系统有两个可能的幅度（2-PAM），则每个符号有两个潜在的二进制值，因此系统每个符号传输一个比特。四个可能的幅度（4-PAM）为每个符号提供两个比特，八个幅度（8-PAM）为每符号提供三个比特，依此类推。

脉冲幅度调制应用

通过技术文献的搜索，PAM与光链路和高速计算接口相连，但也许最显著的应用是千兆以太网。1000Base-T标准使用具有矩形脉冲的5-PAM；五个振幅水平如下图5中的理想波形所示。

图5。示例显示了理想波形中的五个振幅水平。图片[改编]由Wiki Commons通过Flominator提供

注意，更真实的波形将具有由传输信道的低通滤波器效应引起的圆角。

千兆以太网的符号频率为125 MHz，系统通过在四个独立的差分对上同时使用5-PAM来传输每个符号8位。

尽管如本文所述，数字PAM可以用于无线通信，但它与光和有线传输的联系更为紧密。对于无线数据链路，称为正交幅度调制（QAM）的另一种形式的幅度调制更为常见。您可以在AAC的RF教材中了解更多关于QAM的信息。