數(shù)字脈沖幅度調(diào)制基礎知識介紹

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

工程師經(jīng)常面臨這樣的情況：信息必須通過與原始狀態(tài)的信息不兼容的介質(zhì)進行傳輸。一個典型的例子是音頻，其中語音或音樂可以用正弦電壓信號表示，該信號的頻率范圍從大約50 Hz到15 kHz。理論上，這種正弦波形可以傳送到天線并作為電磁輻射(EMR)在空中廣播。然而，在實踐中，這些頻率對于有效的無線通信來說太低了。因此，可用的介質(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的信號然后在通信信道的接收端解碼信息來間接傳輸信息。這就是我們所說的調(diào)制。

在傳統(tǒng)的幅度調(diào)制(AM)中，正弦載波的幅度根據(jù)基帶信息信號的幅度連續(xù)變化（圖 1）。

圖1. 顯示載波乘以移位基帶的波形示例。

如圖1所示，振幅調(diào)制是通過平移基帶信號來消除負電壓擺幅，然后將未調(diào)制的載波乘以移位的基帶來實現(xiàn)的。另一方面，數(shù)字脈沖幅度調(diào)制 (PAM) 是一種使傳統(tǒng)幅度調(diào)制適應傳輸離散而非模擬信息任務的方法。

數(shù)字脈沖幅度調(diào)制基礎知識

在數(shù)字PAM中，通過將二進制值轉(zhuǎn)換為幅度電平，將數(shù)字數(shù)據(jù)流編碼為一系列“脈沖”。這將離散時間信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)時間信號，使我們能夠減少成功傳輸所需的帶寬，并創(chuàng)建非常適合長距離有線通信的波形。

“脈沖”一詞在這里可能會造成混淆，因為它不一定表示“方波的一個半周期”。相反，脈沖是一些固定持續(xù)時間的波形，這種波形可以是典型的矩形脈沖或非常不同的東西，例如正弦波。為了產(chǎn)生一個PAM基帶信號，我們將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為振幅乘法器，并將這些乘法器應用于脈沖。在他關于數(shù)字PAM的講座幻燈片中，Brian Evans教授使用截斷的升余弦波作為脈沖信號，他提供了以下PAM基帶信號的圖。

圖 2. PAM 基帶信號示例圖。圖片由BrianEvans提供

圖中的橙色指示器告訴我們這是 PAM2，即涉及兩個振幅乘數(shù)的 PAM。如果振幅變化對您來說看起來很奇怪，請注意，乘法器實際上是相等的幅度和相反的符號，因此一個乘法器具有反轉(zhuǎn)信號的效果。

下圖3所示的下一個圖顯示了PAM4，即涉及四個幅度乘法器的PAM，其中兩個為正，兩個為負。

圖 3. 示例圖 PAM4。

這些PAM基帶信號可以通過接收器進行上變頻、傳輸和恢復，然后根據(jù)幅度序列重建原始數(shù)字數(shù)據(jù)。

然而，數(shù)字 PAM 的主要實現(xiàn)使用矩形脈沖，而不是截斷的正弦波形，甚至調(diào)制和傳輸信號看起來也相當“數(shù)字化”。在本文的后面，我們將在 PAM 應用程序部分討論一個示例；然而，在開始之前，讓我們先看看位與符號的對比……

了解 PAM 波形：位與符號

PAM波形從普通數(shù)字數(shù)據(jù)位開始。在將這些 1 和 0 映射到振幅乘數(shù)之前，必須首先將它們分組為符號。在這種情況下，符號是包含一個或多個位的傳輸信息的單元。在幅度移位鍵控 （ASK）中，每個符號表示二進制 1 或二進制零，因為只有兩種可能的符號狀態(tài)（開和關）。您可以在圖 4 中看到這一過程。

圖 4.顯示 ASK 的示例。

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波，幅度倍增器為0（關閉）和1（打開）。

請記住，PAM 沒有固定的每個符號位數(shù)。設計人員可以選擇適合給定 PAM 實現(xiàn)的幅度級別，每個符號的位數(shù)取決于幅度級別的數(shù)量。如果系統(tǒng)有兩個可能的幅度 (PAM2)，則每個符號都有兩個可能的二進制值，因此系統(tǒng)每個符號傳輸一位。四個可能的振幅(PAM4) 給出每個符號兩個比特，八個振幅 (PAM8) 給出每個符號三個比特，等等。

脈沖幅度調(diào)制應用

通過搜索技術文獻可以將 PAM 與光鏈路和高速計算接口聯(lián)系起來，但最值得注意的應用可能是千兆以太網(wǎng)。1000Base-T標準使用具有矩形脈沖的 PAM5 ；五個幅度級別顯示在下面圖 5 中的理想化波形中。

圖 5.顯示理想化波形中五個振幅電平的示例。

請注意，由于傳輸通道的低通濾波器效應，更真實的波形會有圓角。

千兆以太網(wǎng)的符號頻率為 125 MHz，系統(tǒng)通過在四個獨立的差分對上同時采用PAM5 來傳輸每個符號 8 位。

盡管本文所述的數(shù)字 PAM 可用于無線通信，但它與光學和有線傳輸?shù)年P系更為密切。對于無線數(shù)據(jù)鏈路，另一種稱為正交幅度調(diào)制 (QAM) 的幅度調(diào)制更為常見。

審核編輯：劉清