脉冲幅度调制 (PAM) 入门介绍

2023-01-24 11:56:15 来源:EETOP

EETOP编译自allaboutcircuits

脉冲幅度调制 (PAM) 是一种用于数字通信的编码技术,可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状态的信息不兼容的介质进行传输。一个典型的例子是音频,其中语音或音乐可以用正弦电压信号表示,该信号的频率范围从大约50 Hz到15 kHz。理论上,这种正弦波形可以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,可用的介质(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解码信息来间接传输信息。这就是我们所说的调制

在传统的幅度调制(AM)中,正弦载波的幅度根据基带信息信号的幅度连续变化(图 1)。

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图1. 显示载波乘以移位基带的波形示例。 

如图1所示,振幅调制是通过平移基带信号来消除负电压摆幅,然后将未调制的载波乘以移位的基带来实现的。另一方面,数字脉冲幅度调制 (PAM) 是一种使传统幅度调制适应传输离散而非模拟信息任务的方法。 

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幅度电平,将数字数据流编码为一系列“脉冲”。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,并创建非常适合长距离有线通信的波形。

“脉冲”一词在这里可能会造成混淆,因为它不一定表示“方波的一个半周期”。相反,脉冲是一些固定持续时间的波形,这种波形可以是典型的矩形脉冲或非常不同的东西,例如正弦波。为了产生一个PAM基带信号,我们将数字数据转化为振幅乘法器,并将这些乘法器应用于脉冲。在他关于数字PAM的讲座幻灯片中,Brian Evans教授使用截断的升余弦波作为脉冲信号,他提供了以下PAM基带信号的图。

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图 2. PAM 基带信号示例图。图片由Brian Evans提供 

图中的橙色指示器告诉我们这是 PAM2,即涉及两个振幅乘数的 PAM。如果振幅变化对您来说看起来很奇怪,请注意,乘法器实际上是相等的幅度和相反的符号,因此一个乘法器具有反转信号的效果。

下图3所示的下一个图显示了PAM4,即涉及四个幅度乘法器的PAM,其中两个为正,两个为负。

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图 3. 示例图 PAM4。

这些PAM基带信号可以通过接收器进行上变频、传输和恢复,然后根据幅度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,甚至调制和传输信号看起来也相当“数字化”。在本文的后面,我们将在 PAM 应用程序部分讨论一个示例;然而,在开始之前,让我们先看看位与符号的对比……

了解 PAM 波形:位与符号

PAM波形从普通数字数据位开始。在将这些 1 和 0 映射到振幅乘数之前,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位的传输信息的单元。在幅度移位键控 (ASK) 中,每个符号表示二进制 1 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 中看到这一过程。

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图 4.显示 ASK 的示例。

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波,幅度倍增器为0(关闭)和1(打开)。 

请记住,PAM 没有固定的每个符号位数。设计人员可以选择适合给定 PAM 实现的幅度级别,每个符号的位数取决于幅度级别的数量。如果系统有两个可能的幅度 (PAM2),则每个符号都有两个可能的二进制值,因此系统每个符号传输一位。四个可能的振幅(PAM4) 给出每个符号两个比特,八个振幅 (PAM8) 给出每个符号三个比特,等等。

脉冲幅度调制应用

通过搜索技术文献可以将 PAM 与光链路和高速计算接口联系起来,但最值得注意的应用可能是千兆以太网。1000Base-T标准使用具有矩形脉冲的 PAM5 ;五个幅度级别显示在下面图 5 中的理想化波形中。

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图 5.显示理想化波形中五个振幅电平的示例。

请注意,由于传输通道的低通滤波器效应,更真实的波形会有圆角。   

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采用PAM5 来传输每个符号 8 位。

尽管本文所述的数字 PAM 可用于无线通信,但它与光学和有线传输的关系更为密切。对于无线数据链路,另一种称为正交幅度调制 (QAM) 的幅度调制更为常见。


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