數(shù)字脈沖幅度調(diào)制入門

脈沖幅度調(diào)制（PAM）是一種用于數(shù)字通信的編碼技術(shù)，它將離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為適用于高速有線通信系統(tǒng)的可變幅度連續(xù)時(shí)間信號(hào)。

工程師經(jīng)常面臨這樣的情況：信息必須通過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，其中語音或音樂可以由正弦電壓信號(hào)表示，該正弦電壓信號(hào)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，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(duì)于有效的無線通信來說太低了。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。

解決方案是通過將信息編碼成單獨(dú)的信號(hào)，然后在通信信道的接收端對(duì)信息進(jìn)行解碼，來間接地發(fā)送信息。這就是我們所說的調(diào)制。

在傳統(tǒng)的調(diào)幅（AM）中，正弦載波的振幅根據(jù)基帶信息信號(hào)的振幅連續(xù)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(diào)制是通過對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行移位以消除負(fù)電壓擺動(dòng)，然后將未調(diào)制的載波與移位的基帶相乘來實(shí)現(xiàn)的。另一方面，數(shù)字脈沖幅度調(diào)制（PAM）是使傳統(tǒng)幅度調(diào)制適應(yīng)傳輸離散而非模擬信息任務(wù)的一種方法。

數(shù)字脈沖幅度調(diào)制基礎(chǔ)知識(shí)

在數(shù)字PAM中，通過將二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換為振幅電平，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流編碼為“脈沖”序列。這將離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，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(yuǎn)程有線通信的波形。

“脈沖”一詞在這里可能會(huì)令人困惑，因?yàn)樗灰欢ㄒ馕吨胺讲ǖ陌雮€(gè)周期”。相反，脈沖是某種固定持續(xù)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。為了生成PAM基帶信號(hào)，我們將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幅度乘法器，并將這些乘法器應(yīng)用于脈沖。在關(guān)于數(shù)字PAM的講座幻燈片中，Brian Evans教授使用截?cái)嗟纳嘞也ㄐ巫鳛槊}沖信號(hào)，他提供了PAM基帶信號(hào)的以下曲線圖：

圖2:PAM基帶信號(hào)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很奇怪，請(qǐng)注意，乘法器實(shí)際上大小相等，符號(hào)相反，因此一個(gè)乘法器具有反轉(zhuǎn)信號(hào)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(fù)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(duì)這些PAM基帶信號(hào)進(jìn)行上變頻、傳輸和恢復(fù)，然后根據(jù)振幅序列重建原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

然而，數(shù)字PAM的主要實(shí)現(xiàn)使用矩形脈沖，而不是截?cái)嗟恼也ㄐ?，甚至調(diào)制和傳輸?shù)男盘?hào)看起來也相當(dāng)“數(shù)字”；然而，在深入討論之前，讓我們先來看看比特與符號(hào)。。

理解PAM波形：比特與符號(hào)

PAM波形以普通數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)位開始。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(hào)。在這種情況下，符號(hào)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(hào)表示二進(jìn)制一或二進(jìn)制零，因?yàn)橹挥袃煞N可能的符號(hào)狀態(tài)（開和關(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(hào)。值得注意的是，ASK是PAM的基本版本，其中脈沖是截?cái)嗟恼仪€，振幅乘法器為零（關(guān)）和一（開）。

請(qǐng)記住，PAM并沒有固定的每個(gè)符號(hào)的位數(shù)。設(shè)計(jì)者可以選擇有多少振幅電平適合給定的PAM實(shí)現(xiàn)，并且每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)取決于振幅電平的數(shù)量。如果系統(tǒng)有兩個(gè)可能的幅度（2-PAM），則每個(gè)符號(hào)有兩個(gè)潛在的二進(jìn)制值，因此系統(tǒng)每個(gè)符號(hào)傳輸一個(gè)比特。四個(gè)可能的幅度（4-PAM）為每個(gè)符號(hào)提供兩個(gè)比特，八個(gè)幅度（8-PAM）為每符號(hào)提供三個(gè)比特，依此類推。

脈沖幅度調(diào)制應(yīng)用

通過技術(shù)文獻(xiàn)的搜索，PAM與光鏈路和高速計(jì)算接口相連，但也許最顯著的應(yīng)用是千兆以太網(wǎng)。1000Base-T標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)引起的圓角。

千兆以太網(wǎng)的符號(hào)頻率為125 MHz，系統(tǒng)通過在四個(gè)獨(dú)立的差分對(duì)上同時(shí)使用5-PAM來傳輸每個(gè)符號(hào)8位。

盡管如本文所述，數(shù)字PAM可以用于無線通信，但它與光和有線傳輸?shù)穆?lián)系更為緊密。對(duì)于無線數(shù)據(jù)鏈路，稱為正交幅度調(diào)制（QAM）的另一種形式的幅度調(diào)制更為常見。您可以在AAC的RF教材中了解更多關(guān)于QAM的信息。