數字脈沖幅度調制入門(mén)

脈沖幅度調制（PAM）是一種用于數字通信的編碼技術(shù)，它將離散時(shí)間信號轉換為適用于高速有線(xiàn)通信系統的可變幅度連續時(shí)間信號。

工程師經(jīng)常面臨這樣的情況：信息必須通過(guò)與原始信息不兼容的介質(zhì)進(jìn)行傳輸。一個(gè)經(jīng)典的例子是音頻，其中語(yǔ)音或音樂(lè )可以由正弦電壓信號表示，該正弦電壓信號包括從大約50Hz延伸到15kHz的頻率。理論上，這種正弦波形可以被傳送到天線(xiàn)，并作為電磁輻射（EMR）在空中廣播。然而，在實(shí)踐中，這些頻率對于有效的無(wú)線(xiàn)通信來(lái)說(shuō)太低了。因此，可用介質(zhì)（即空氣）不允許我們直接傳輸感興趣的信息。

解決方案是通過(guò)將信息編碼成單獨的信號，然后在通信信道的接收端對信息進(jìn)行解碼，來(lái)間接地發(fā)送信息。這就是我們所說(shuō)的調制。

在傳統的調幅（AM）中，正弦載波的振幅根據基帶信息信號的振幅連續變化（圖1）。

圖1。示出載波與移位基帶相乘的示例波形。

如圖1所示，幅度調制是通過(guò)對基帶信號進(jìn)行移位以消除負電壓擺動(dòng)，然后將未調制的載波與移位的基帶相乘來(lái)實(shí)現的。另一方面，數字脈沖幅度調制（PAM）是使傳統幅度調制適應傳輸離散而非模擬信息任務(wù)的一種方法。

數字脈沖幅度調制基礎知識

在數字PAM中，通過(guò)將二進(jìn)制值轉換為振幅電平，將數字數據流編碼為“脈沖”序列。這將離散時(shí)間信號轉換為連續時(shí)間信號，使我們能夠減少成功傳輸所需的帶寬，并創(chuàng )建一個(gè)非常適合遠程有線(xiàn)通信的波形。

“脈沖”一詞在這里可能會(huì )令人困惑，因為它不一定意味著(zhù)“方波的半個(gè)周期”。相反，脈沖是某種固定持續時(shí)間的波形，這種波形可能是典型的矩形脈沖或非常不同的東西，如正弦曲線(xiàn)。為了生成PAM基帶信號，我們將數字數據轉換為幅度乘法器，并將這些乘法器應用于脈沖。在關(guān)于數字PAM的講座幻燈片中，Brian Evans教授使用截斷的升余弦波形作為脈沖信號，他提供了PAM基帶信號的以下曲線(xiàn)圖：

圖2:PAM基帶信號的示例圖。圖片由Brian Evans提供[可下載的PowerPoint]

圖中的橙色指示器告訴我們，這是2-PAM，即PAM涉及兩個(gè)振幅乘法器。如果振幅變化看起來(lái)很奇怪，請注意，乘法器實(shí)際上大小相等，符號相反，因此一個(gè)乘法器具有反轉信號的效果。

下一個(gè)圖如圖3所示，顯示了4-PAM，即涉及四個(gè)幅度乘法器的PAM，其中兩個(gè)是正的，兩個(gè)是負的。

圖3。示例圖。顯示4-PAM。圖片由Brian Evans提供[可下載的PowerPoint]

接收器可以對這些PAM基帶信號進(jìn)行上變頻、傳輸和恢復，然后根據振幅序列重建原始數字數據。

然而，數字PAM的主要實(shí)現使用矩形脈沖，而不是截斷的正弦波形，甚至調制和傳輸的信號看起來(lái)也相當“數字”；然而，在深入討論之前，讓我們先來(lái)看看比特與符號。。

理解PAM波形：比特與符號

PAM波形以普通數字數據位開(kāi)始。在將這些1和0映射到幅度乘法器之前，必須首先將它們分組為符號。在這種情況下，符號是包含一個(gè)或多個(gè)比特的傳輸信息的單元。在幅移鍵控（ASK）中，每個(gè)符號表示二進(jìn)制一或二進(jìn)制零，因為只有兩種可能的符號狀態(tài)（開(kāi)和關(guān)）。您可以在圖4中看到這種情況。

圖4。ASK示例。

因此，ASK傳輸一位符號。值得注意的是，ASK是PAM的基本版本，其中脈沖是截斷的正弦曲線(xiàn)，振幅乘法器為零（關(guān)）和一（開(kāi)）。

請記住，PAM并沒(méi)有固定的每個(gè)符號的位數。設計者可以選擇有多少振幅電平適合給定的PAM實(shí)現，并且每個(gè)符號的比特數取決于振幅電平的數量。如果系統有兩個(gè)可能的幅度（2-PAM），則每個(gè)符號有兩個(gè)潛在的二進(jìn)制值，因此系統每個(gè)符號傳輸一個(gè)比特。四個(gè)可能的幅度（4-PAM）為每個(gè)符號提供兩個(gè)比特，八個(gè)幅度（8-PAM）為每符號提供三個(gè)比特，依此類(lèi)推。

脈沖幅度調制應用

通過(guò)技術(shù)文獻的搜索，PAM與光鏈路和高速計算接口相連，但也許最顯著(zhù)的應用是千兆以太網(wǎng)。1000Base-T標準使用具有矩形脈沖的5-PAM；五個(gè)振幅水平如下圖5中的理想波形所示。

圖5。示例顯示了理想波形中的五個(gè)振幅水平。圖片[改編]由Wiki Commons通過(guò)Flominator提供

注意，更真實(shí)的波形將具有由傳輸信道的低通濾波器效應引起的圓角。

千兆以太網(wǎng)的符號頻率為125 MHz，系統通過(guò)在四個(gè)獨立的差分對上同時(shí)使用5-PAM來(lái)傳輸每個(gè)符號8位。

盡管如本文所述，數字PAM可以用于無(wú)線(xiàn)通信，但它與光和有線(xiàn)傳輸的聯(lián)系更為緊密。對于無(wú)線(xiàn)數據鏈路，稱(chēng)為正交幅度調制（QAM）的另一種形式的幅度調制更為常見(jiàn)。您可以在A(yíng)AC的RF教材中了解更多關(guān)于QAM的信息。