脉冲调制（Pulse Modulation）

一、为什么要学“脉冲调制”？

在通信中，我们经常面对的是模拟信号，比如：语音（连续变化）、音乐、各种物理量（温度、压力、电压），这些信号有两个典型特征：

• 时间上是连续的
• 幅度上也是连续的

但问题是：

• 连续信号不方便远距离传输
• 抗噪声能力差
• 不方便计算机和数字系统处理

于是通信系统的一个核心思想就是：把“连续的模拟信号”变成“更容易处理的形式”，脉冲调制就是完成这件事的第一步。

二、脉冲调制的基本思想

一句话概括：用一串规则出现的脉冲，去“承载”原始模拟信号的信息。也就是说：不再直接传输原来的光滑波形，而是传输一串有规律的脉冲，原信号的信息，被“藏”在脉冲的某个特征里。这些“特征”可以是：脉冲的高度、脉冲的宽度、脉冲出现的时间位置，这就引出了三种最典型的脉冲调制方式。

三、抽样

1.什么是抽样？

抽样其实就是在固定的时间间隔内，读取一次模拟信号的瞬时值，就像每隔1秒拍一张照片，每隔1毫秒量一次电压，这一步的目的只有一个，就是把时间从“连续”变成“离散”。

2. 理想抽样（理论模型）

在理论分析中，我们假设抽样用的是无限窄、无限高的冲激脉冲，每个脉冲只在某一个瞬间存在这叫做理想抽样。它的意义不在“能不能实现”，而在于数学分析方便，能推导出重要结论（比如抽样定理）

3. 实际抽样（工程实现）

现实中不可能产生“无限窄”的脉冲，实际使用的是有宽度的矩形脉冲，于是抽样点不再是“一个点”，而是“一小段时间内保持不变”，这就是我们常说的采样保持（Sample and Hold）。你在示波器、ADC 里看到的，都是这种形式。

4. 抽样定理

假设原信号最高频率是 ，那么抽样频率必须满足：

否则会发生混叠（Aliasing），你可以这样记：

• 抽样太慢 → 高频信息“看错了”
• 看错了 → 后面再怎么处理都救不回来

后面所有脉冲调制、PCM、数字通信，全都建立在这一条之上。

四、脉冲振幅调制（PAM）

1.PAM是什么？

PAM（Pulse Amplitude Modulation）：用原信号的幅度，控制脉冲的高度。特点非常直观：

• 脉冲什么时候出现 → 固定
• 脉冲多宽 → 固定
• 脉冲有多高 → 由原信号决定

原信号大，脉冲就高；原信号小，脉冲就低。

2.PAM的直观理解

你可以把PAM理解成在每个抽样时刻，把原信号“竖着复制”成一个脉冲，所以PAM看起来像是“被切成一段一段的模拟波形”，但本质上，它仍然是模拟信号。

3. PAM 的两种形式

（1）自然采样 PAM

• 脉冲顶部会随信号变化
• 脉冲不是平的

（2）平顶采样 PAM

• 脉冲顶部是平的
• 实际系统最常用
• 一定配合 采样保持电路

4. PAM 的优缺点

优点：

• 原理简单
• 实现容易
• 是 PCM 的基础

缺点：

• 对噪声非常敏感
• 只要幅度被干扰，信息就变了

重要结论：PAM不是最终的数字信号，它只是“中间形态”。

五、脉冲宽度调制（PWM / PDM）

1.基本思想

PWM（Pulse Width Modulation）：脉冲高度固定，用脉冲“宽不宽”来表示信号大小。也就是说幅度不变，时间位置不变，宽度随信号变化。

2. 直观理解

• 信号大 → 脉冲更“胖”
• 信号小 → 脉冲更“瘦”

在一个周期内：脉冲占的时间越长，平均能量就越大。

3. 为什么工程上喜欢 PWM？

因为：幅度固定 → 抗幅度噪声，非常适合开关型器件，所以 PWM 常见于开关电源、电机调速、LED 调光。通信原理中会讲，但不是通信主流方式。

4.PWM的局限

• 频谱比较宽
• 对定时精度有要求
• 不适合高频、长距离通信

六、脉冲位置调制（PPM）

1.PPM 是什么？

PPM（Pulse Position Modulation）：脉冲的高度和宽度都固定，用“出现得早还是晚”来表示信号。也就是说，脉冲永远一样，只是左右移动

2. 直观理解

• 信号大 → 脉冲靠前
• 信号小 → 脉冲靠后

你传递的不是“多高、多宽”，而是“偏移了多少时间”。

3. PPM 的优缺点

优点：

• 对幅度噪声不敏感
• 平均功率低

缺点：

• 对时间抖动极其敏感
• 接收端必须高度同步
• 实现复杂

所以常见于：光通信、红外遥控、航天和测控系统。

七、三种脉冲调制的整体对比

八、脉冲调制与PCM的关系（非常重要）

通信系统中，完整过程是：模拟信号 ↓ 抽样PAM ↓ 量化离散幅度信号 ↓ 编码PCM比特流，所以可以记一句话：PAM解决“什么时候取值”，PCM解决“取值是多少”。