數(shù)字脈沖幅度調(diào)制基礎(chǔ)知識(shí)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(shù)，可將離散時(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(guò)與原始狀態(tài)的信息不兼容的介質(zhì)進(jìn)行傳輸。一個(gè)典型的例子是音頻，其中語(yǔ)音或音樂(lè)可以用正弦電壓信號(hào)表示，該信號(hào)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(shí)踐中，這些頻率對(duì)于有效的無(wú)線通信來(lái)說(shuō)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(guò)將信息編碼成單獨(dú)的信號(hào)然后在通信信道的接收端解碼信息來(lái)間接傳輸信息。這就是我們所說(shuō)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(hào)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(guò)平移基帶信號(hào)來(lái)消除負(fù)電壓擺幅，然后將未調(diào)制的載波乘以移位的基帶來(lái)實(shí)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(yīng)傳輸離散而非模擬信息任務(wù)的方法。

數(shù)字脈沖幅度調(diào)制基礎(chǔ)知識(shí)

在數(shù)字PAM中，通過(guò)將二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換為幅度電平，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流編碼為一系列“脈沖”。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)建非常適合長(zhǎng)距離有線通信的波形。

“脈沖”一詞在這里可能會(huì)造成混淆，因?yàn)樗灰欢ū硎尽胺讲ǖ囊粋€(gè)半周期”。相反，脈沖是一些固定持續(xù)時(shí)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(gè)PAM基帶信號(hào)，我們將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為振幅乘法器，并將這些乘法器應(yīng)用于脈沖。在他關(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ㄗ鳛槊}沖信號(hào)，他提供了以下PAM基帶信號(hào)的圖。

圖 2. PAM 基帶信號(hào)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(gè)振幅乘數(shù)的 PAM。如果振幅變化對(duì)您來(lái)說(shuō)看起來(lái)很奇怪，請(qǐng)注意，乘法器實(shí)際上是相等的幅度和相反的符號(hào)，因此一個(gè)乘法器具有反轉(zhuǎn)信號(hào)的效果。

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

圖 3. 示例圖 PAM4。

這些PAM基帶信號(hào)可以通過(guò)接收器進(jìn)行上變頻、傳輸和恢復(fù)，然后根據(jù)幅度序列重建原始數(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危踔琳{(diào)制和傳輸信號(hào)看起來(lái)也相當(dāng)“數(shù)字化”。在本文的后面，我們將在 PAM 應(yīng)用程序部分討論一個(gè)示例；然而，在開(kāi)始之前，讓我們先看看位與符號(hào)的對(duì)比……

了解 PAM 波形：位與符號(hào)

PAM波形從普通數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)位開(kāi)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(hào)。在這種情況下，符號(hào)是包含一個(gè)或多個(gè)位的傳輸信息的單元。在幅度移位鍵控 （ASK）中，每個(gè)符號(hào)表示二進(jìn)制 1 或二進(jìn)制零，因?yàn)橹挥袃煞N可能的符號(hào)狀態(tài)（開(kāi)和關(guān)）。您可以在圖 4 中看到這一過(guò)程。

圖 4.顯示 ASK 的示例。

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也?，幅度倍增器?（關(guān)閉）和1（打開(kāi)）。

請(qǐng)記住，PAM 沒(méi)有固定的每個(gè)符號(hào)位數(shù)。設(shè)計(jì)人員可以選擇適合給定 PAM 實(shí)現(xiàn)的幅度級(jí)別，每個(gè)符號(hào)的位數(shù)取決于幅度級(jí)別的數(shù)量。如果系統(tǒng)有兩個(gè)可能的幅度 (PAM2)，則每個(gè)符號(hào)都有兩個(gè)可能的二進(jìn)制值，因此系統(tǒng)每個(gè)符號(hào)傳輸一位。四個(gè)可能的振幅(PAM4) 給出每個(gè)符號(hào)兩個(gè)比特，八個(gè)振幅 (PAM8) 給出每個(gè)符號(hào)三個(gè)比特，等等。

脈沖幅度調(diào)制應(yīng)用

通過(guò)搜索技術(shù)文獻(xiàn)可以將 PAM 與光鏈路和高速計(jì)算接口聯(lián)系起來(lái)，但最值得注意的應(yīng)用可能是千兆以太網(wǎng)。1000Base-T標(biāo)準(zhǔn)使用具有矩形脈沖的 PAM5 ；五個(gè)幅度級(jí)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(gè)振幅電平的示例。

請(qǐng)注意，由于傳輸通道的低通濾波器效應(yīng)，更真實(shí)的波形會(huì)有圓角。

千兆以太網(wǎng)的符號(hào)頻率為 125 MHz，系統(tǒng)通過(guò)在四個(gè)獨(dú)立的差分對(duì)上同時(shí)采用PAM5 來(lái)傳輸每個(gè)符號(hào) 8 位。

盡管本文所述的數(shù)字 PAM 可用于無(wú)線通信，但它與光學(xué)和有線傳輸?shù)年P(guān)系更為密切。對(duì)于無(wú)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(jiàn)。

審核編輯：劉清