脉冲幅度调制 (PAM)

PAM 是一种脉冲调制类型，其中脉冲的幅度随消息信号的采样值而变化。脉冲调制技术广泛应用于数字传输中，其中非基带应用被 PPM（脉冲位置调制）取代。 PAM 调制技术用于各种应用，例如以太网、电视和LED 照明。

在这里，我们将讨论使用 TDM 传输来自不同来源的脉冲数量的过程。它表示模拟数据如何通过其离散样本传输。我们假设样本采用有限宽度的脉冲形式。

用于在特定时段内依次发送来自不同来源的信号数量的方法称为 TDM（时分复用）。它也用于数字调制中以二进制形式传输代码。

当脉冲的幅度携带基带信号的消息信息时，它被称为 PAM（脉冲幅度调制）。如果它由宽度携带，则称为 PWM（脉冲宽度调制），如果由位置携带，则称为 PPM（脉冲位置调制）。 PWM 和 PPM 的组合称为 PTM（脉冲时间调制）。在所有可用的调制方案中，PAM 适用于 TDM 和数字表示。

让我们考虑一种使用采样原理和时分复用进行信号表示和传输的 PAM 技术。框图如下所示

在两端，连接了同步的旋转开关，代表发射端和接收端。在左侧，各种带限信号连接到旋转开关的触点。 带限是指以特定阈值或截止频率发送的信号。如果频率高于截止频率，则此类信号的幅度变为零。例如，语音信号的带宽限制为 3.3k Hz。

当开关的旋转臂摆动时，它会按顺序采样每个信号。接收端的另一个信号同时与相同编号的触点接触。 每次开关旋转 f 时，每个信号都会被采样并在接收端相应的触点编号处呈现。末端的采样信号通过 LPF（低通滤波器），我们得到原始恢复的信号。 对于编号为 1 的采样信号，我们得到消息信号 m₁(t)。 同样，对于编号为 2 的信号，我们得到消息信号 m₂(t)。

转速至少是调制信号最大频率的两倍。 如果 F_M 是调制信号的最高频率，则每秒至少有 2F_M 转。

当要复用的信号随时间缓慢变化时，可以使用机械开关进行信号恢复。 对于高速应用，机械开关的工作功率超出范围。 如果要复用的信号随时间变化的速度更快，则使用电子开关系统。 在上述任何一种情况下，左侧代表发射端，右侧代表接收端。 左侧称为换向器，右侧称为解调器。

信号以规则的时间间隔 T_S 进行采样。 第二个消息信号的采样与第一个消息信号的采样相同，但采样时间不同。 因此，每个采样信号的时间都与后一个信号的时间不同。 这样做是为了便于复用并防止信号受到干扰。

以幅度调制的两个脉冲序列的传输称为脉冲幅度调制。 如果信号在不同时间被采样，则可以对各种信号进行复用。 它还允许在接收端轻松重建它们。 如果信号被不同的频率分隔，则该系统被称为 FDM（频分复用）。 如果我们想将信号从一个天线传输到另一个方向，我们需要以高载波频率调制信号（AM 或 FM）。

PAM 的信道带宽

让我们考虑包含消息信息的 N 个基带信号。 每个信号的带宽都限制为 F_M 并由 m₁(t), m₂(t), … m_n(t) 表示。 通信信道不需要大于 NF_M 的带宽。 基带信号 m₁(t) 的采样不大于时间间隔 Ts = 1/2F_M。 这意味着后续信号也以相同的时间间隔间隙 (1/2F_MN) 进行采样。 它是两个连续信号（例如，m₁(t) 和 m₂(t)）之间的间隙。 如果信道带宽高，则解复用会更容易并且可以直接实现。 但是，如果信道带宽受到限制，则基带信号可能会组合，导致串扰，这可能会影响信号的质量。

低通滤波器用于以与其他调制过程类似的方式在输出端恢复消息信号。 假设第一个基带信号在 t = 0 时传输。响应将表示为

S₁ = I₁ω_c sin ω_ct/πω_ct

在 t = 0 时，响应显示与消息信号 m₁(t) 成比例的峰值。 第二个基带信号需要在 t= 1/2F_C. 时传输响应由下式给出

S₂ = I₂ω_c sin ω_c (t - 1/2F_C)/πω_c(t - 1/2F_C)

两个基带信号的响应如下所示

虚线表示第二个基带信号的响应。 以时间间隔采样可以防止与原始基带信号 m₁(t) 和 m₂(t) 的恢复发生串扰。

自然采样

我们已经讨论了基带信号的瞬时采样，这是使用电子开关发送多个信号的过程。 它基于发射端和接收端存在的旋转开关的旋转。 但是，使用此类开关进行采样是不可行的。 瞬时样本的能量有时是无限的。 它会产生小的峰值，可能会在信号中引入后向噪声。 因此，自然采样被认为是脉冲幅度调制中一种有效的复用方法。 在这里，采样波形 S(t) 由持续时间为 τ 的一系列脉冲组成。 采样信号 S(t)m(t) 由一系列遵循消息信号 m(t) 的波形的脉冲组成。 信号 S(t) 的顶部也遵循消息波形的模式。

消息信号 m(t)、采样信号 S(t) 和采样信号 S(t)m(t) 的波形如下所示

与瞬时采样技术一样，它将采样信号通过截止频率为 F_M 的低通滤波器，以恢复原始消息信号。

采样波形表示为

S(t) = τ/T_S + 2 τ/T_S (C₁cos2π t/ T_S + C₂cos4π t/ T_S + … )

其中，

C_n = sin(nπτ/T_S)/(nπτ/T_S)

采样信号 S(t)m(t) 由下式给出

S(t)m(t) = m(t) τ /T_S + 2 τ /T_S (m(t)C₁cos2π t/ T_S + m(t)C₂cos4π t / T_S + … )

平顶采样

在自然采样过程中，采样波形遵循消息波形的形状。 它不经常使用。 相反，使用平顶采样过程。 尽管原始消息信号的重建并不容易。 但是，与自然采样过程相比，平顶采样电子电路的设计很简单。

基带信号 = m(t)

基带信号的傅里叶变换 = M(jω)

平顶采样过程的频谱密度由下式给出

频谱密度 = τ sin(ωτ/2) / (ωτ/2) M(jω)

消息信号在 0 到 F_M 范围内具有平坦的频谱密度。 如果采样信号的频谱密度与原始消息信号相同，则可以恢复原始信号。 可以使用低通滤波器执行信号恢复，如上所述。

网络的传递函数由下式给出

H(jω) = τ /dT sin(ωτ/2) / (ωτ/2)

使用 H(jω) 和 M(jω) 的乘积进行变换由下式给出

变换= τ /T_S sin(ωτ/2) / (ωτ/2) M(jω)

通过保持进行信号恢复

我们已经讨论了不同消息信号之间的时间间隔是 T/T_S = 1/N。 N 是需要复用的信号总数。 随着 N 变大，时间间隔 T/T_S 变小。 通过保持进行信号恢复是一种替代的信号恢复过程，它不使用放大器来提高输出电平。 避免使用放大器是因为它们可能会在电路中引入噪声。 在这里，采用平顶采样，如上所述。

输出波形与平顶信号相同，只是保持部分。 采样脉冲被延长并保持到下一个信号发生。 这意味着两个相邻脉冲之间没有间隙。 扩展用采样波形中的虚线表示，如下所示

执行保持操作的电路如下所示

开关与放大器和电容器相连。 开关在没有电压的边缘发生之前打开。 开关在采样脉冲的边缘发生后关闭，允许电容器充电。 它保持电压直到下一次操作重复。 为该过程选择的放大器是低阻抗放大器。

基带信号 = m(t)

基带信号的傅里叶变换 = M(jω)

我们认为接收到的样本是挡板顶部样本，以包含瞬时样本之间的间隔。 采样和保持信号的频谱密度由下式给出

频谱密度 = sin(ωT_s/2) / (ωT_s/2) M(jω)

它与挡板顶部采样过程的密度相同，只是 T 被采样时间替换。

采样和保持频谱的幅度如下所示

不均匀的波形是由于在 0 到 F_M 范围内使用平顶采样过程造成的一些失真。 但是，可以使用均衡器来纠正失真。 它可以帮助消除采样信号中的失真。 在音频仪器中，它可以帮助消除不需要的声音。

瞬时采样信号的幅度如下所示

PAM 的优点

脉冲幅度调制的优点如下

• 高效率
  它可以同时生成脉冲信号并携带消息，从而提高了其效率和传输功率。 在所有类型的脉冲调制中，PAM 的效率最高。
• 不涉及复杂性
  PAM 的信号以规则的时间间隔采样。 因此，PAM 中发射机和接收机的构造很容易。 这有助于信号的有效传输。
• 低噪点
  PAM 和 PWM 都不需要脉冲同步，因为脉冲的位置不会随幅度而变化。 因此，与 PPM 相比，两种类型的脉冲调制都具有低噪声。
• 快速传输和接收
  由于其高效率、易于构造、以规则的时间间隔采样和低噪声，PAM 中的调制和解调过程很容易。
• 所有类型数字调制的基础
  PAM 充当所有类型数字调制的基础，因为它是唯一适用于 TDM 和数字表示的模拟调制。

PAM 的缺点

脉冲幅度调制的缺点如下

• 噪声干扰
  PAM 在幅度和时间上都是量化的，这可能会增加噪声干扰。 它还会影响正在传输的信息的质量。 从 PAM 中消除噪声也很复杂。
• 大带宽
  与信号的最大调制频率相比，脉冲幅度调制所需的带宽很大。