PAM - Pulsamplitudenmodulation

Die Pulsamplitudenmodulation (PAM) ist ein Modulationsverfahren das analoge Signale in digitale Signale umwandelt. Um eine größere Sicherheit gegen Störungen bei der Signalübertragung zu erzielen, überträgt man digitale Signale, die sich leicht rekonstruieren lassen.
Gegen Störungen der Amplitude ist das PAM-modulierte Signale genauso anfällig wie das amplitudenmodulierte Signal (AM). Deshalb wird es nicht direkt für die Signalübertragung verwendet. Die PAM wird als Vorstufe für weitere Pulsmodulationsverfahren verwendet. Beispielsweise für die Pulscodemodulation (PCM), Pulsdauermodulation (PDM) oder auch Pulsphasenmodulation (PPM).

Eigenschaften der Pulsamplitudenmodulation

  • NF-Signalquellen können gemultiplext werden
  • hohe Bandbreite für das Signal notwendig
  • die Amplitude ist störanfällig

Prinzip der PAM

Schaltungsprinzip und Diagramme zur Pulsamplitudenmodulation(PAM)
Die Erzeugung des PAM-Signals erfolgt über einen Analogschalter, der von einem Rechteckgenerator (fA) gesteuert wird. Dieser erzeugt das Trägersignal, das aus schmalen sich periodisch wiederholenden Rechteckimpulsen besteht. Der Analogschalter öffnet und schließt entsprechend der Frequenz fA der Rechteckimpulse. Das PAM-Signal ist also immer nur ein Teilstück des Informationssignals. Man spricht bei diesem Vorgang von einer Abtastung. Deshalb wird die Frequenz fA auch Abtastfrequenz genannt.
PAM
Bei der Digitalisierung von Audiosignalen wird häufig die PAM verwendet. Zum Beispiel wird die bis 3,4 kHz begrenzten Sprachsignale bei der ISDN-Telefonie mit 8 kHz abgetastet. Das normale Audiosignal, das bis 20 kHz reicht, wird mit 44,1 kHz abgetastet.
Grundsätzlich werden vor der Abtastung alle Frequenzen oberhalb der halben Abtastfrequenz durch einen Tiefpass (Anti-Aliasing-Filter) entfernt.
Das PAM-Signal gibt es sowohl als unipolare Variante, bei der die Signaleimpulse alle im positiven oder negativen Bereich liegen, als auch eine bipolare Variante, bei der die Signalimpulse im positiven und im negativen Bereich liegen können. Hier ist das PAM-Signal als unipolares Signal dargestellt.
Durch die Abtastimpulse entsteht eine amplitudenmodulierte Impulsfolge. Innerhalb der Impulspausen können über ein Zeitmultiplexverfahren noch andere Signale übertragen werden.

Amplitudenspektrum der Pulsamplitudenmodulation (PAM)

Frequenzspektrum der Pulsamplitudenmodulation(PAM)
Im Frequenzspektrum eines pulsamplitudenmodulierten Signals ist die Informationsfrequenz fi enthalten.
Im Abstand zur Informationsfrequenz fi entsteht um die Abtastfrequenz ein unters und ein oberes Seitenband. Zusätzlich sind Vielfache zu den Grundfrequenzen enthalten, die mit höherer Frequenz kleinere Spannungswerte haben.

Abtasttheorem nach Shannon

Das Abtasttheorem wurde 1949 von C. E. Shannon aufgestellt und nach ihm benannt.
Das Abtasttheorem sagt aus, dass ein beliebiges Audiosignal auch dann noch übertragen werden kann, wenn nur Teile davon in regelmäßigen Abständen übertragen werden.
Formel nach dem Abtasttheorem von Shannon
Voraussetzung dafür ist, dass die Abtastfrequenz fA mindestens doppelt so groß sein muss, wie die höchste zu übertragene Frequenz des Informationssignals. Ist die Abtastfrequenz zu klein bzw. die Informationsfrequenz fi zu groß, dann fällt das Informationssignal in das Abtastsignal. Im modulierten Signal wäre die Amplitude des Informationssignals nicht vorhanden und könnte bei der Demodulation nicht wieder hergestellt werden.

Aliasing-Effekt

Aliasing-Effekt
Wird das Abtasttheorem von Shannon nicht eingehalten, dann entsteht der Aliasing-Effekt. Das passiert immer dann, wenn sich das untere Seitenband fu mit der Informationsfrequenz fi überschneidet. Die Informationsfrequenz fi ist dann nicht mehr aus dem PAM-Signal rekonstruierbar. Deshalb muss die Abtastfrequenz fA mindestens doppelt so groß sein, wie die zu übertragene Frequenz.

PAM-Demodulation

Tiefpassverhalten
Weil die ursprüngliche Informationsfrequenz fi im Frequenzspektrum des PAM-Signals enthalten ist, reicht für die Demodulation eines PAM-Signals ein Tiefpass aus. Dieser muss aber eine hohe Güte aufweisen. Das bedeutet, der Tiefpass muss eine steile Flanke haben. Das ist besonders dann wichtig, wenn das untere Seitenband nahe an das Informationssignal angrenzt.
Grenzfrequenz / Nyquistfrequenz
Die Grenzfrequenz des Tiefpasses liegt bei der Hälfte der Abtastfrequenz fA. Man bezeichnet diese Grenzfrequenz auch als Nyquistfrequenz.

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