Pulzní polohová modulace - Pulse-position modulation

Pulzní poziční modulace ( PPM ) je forma modulace signálu, ve které jsou bity zpráv M kódovány vysíláním jediného impulzu v jednom z možných požadovaných časových posunů. To se opakuje každých T sekund, takže přenášená bitová rychlost je bitů za sekundu. Je to primárně užitečné pro optické komunikační systémy, které mají tendenci mít malé nebo žádné vícecestné rušení. ${\ displaystyle 2 ^ {M}}$ ${\ displaystyle M / T}$

Dějiny

Starodávným použitím modulace pulzní polohy byl řecký hydraulický semaforový systém, který vynalezl Aeneas Stymphalus kolem roku 350 př. N.l., který používal princip vodních hodin pro časové signály. V tomto systému funguje odtok vody jako časovací zařízení a k signalizaci pulzů se používají hořáky. Systém používal identické nádoby naplněné vodou, jejichž odtok mohl být zapnut a vypnut, a plovák s tyčí označenou různými předem stanovenými kódy, které představovaly vojenské zprávy. Operátoři umístili kontejnery na kopce, aby je bylo možné na sebe na dálku vidět. K odeslání zprávy by operátoři pomocí hořáků signalizovali začátek a konec odtoku vody a označení na tyči připevněné k plováku by znamenalo zprávu.

V moderní době má pulzní poziční modulace původ v telegrafním multiplexování s časovým dělením , které sahá až do roku 1853, a vyvinulo se vedle modulace pulzního kódu a modulace šířky pulzu . Na počátku 60. let vynalezli Don Mathers a Doug Spreng z NASA modulaci pulzní polohy používanou v systémech rádiového řízení (R / C). PPM se v současné době používá v komunikaci z optických vláken , v hlubokém vesmíru a nadále se používá v systémech R / C.

Synchronizace

Jednou z klíčových obtíží při implementaci této techniky je, že přijímač musí být správně synchronizován, aby zarovnal místní hodiny se začátkem každého symbolu. Proto se často implementuje odlišně jako diferenční modulace polohy impulzů , přičemž každá poloha impulzu je zakódována relativně k předchozí, takže přijímač musí měřit pouze rozdíl v době příchodu po sobě jdoucích impulzů. Je možné omezit šíření chyb na sousední symboly, takže chyba v měření rozdílového zpoždění jednoho pulzu ovlivní pouze dva symboly, místo aby ovlivnila všechna následující měření.

Citlivost na vícecestné rušení

Kromě problémů týkajících se synchronizace přijímače je hlavní nevýhodou PPM to, že je ze své podstaty citlivý na vícecestné rušení, které vzniká v kanálech s frekvenčně selektivním únikem, přičemž signál přijímače obsahuje jednu nebo více ozvěn každého vysílaného pulzu. Vzhledem k tomu, že informace je kódována v době příchodu (buď odlišně, nebo relativně ke společným hodinám), může přítomnost jedné nebo více ozvěn znesnadňovat, ba dokonce znemožňovat přesné určení správné polohy pulzu odpovídající vysílanému puls. Systémy Multipath in Pulse Position Modulation lze snadno zmírnit pomocí stejných technik, jaké se používají v radarových systémech, které se spoléhají úplně na synchronizaci a čas příchodu přijatého impulzu k získání polohy svého dosahu v přítomnosti ozvěn.

Nekoherentní detekce

Jednou z hlavních výhod PPM je, že se jedná o M -ary modulační techniku, kterou lze implementovat nekoherentně, takže přijímač nemusí ke sledování fáze nosné používat smyčku fázového závěsu (PLL). Díky tomu je vhodným kandidátem pro optické komunikační systémy, kde je koherentní fázová modulace a detekce obtížná a extrémně nákladná. Jedinou další běžnou M -ary nekoherentní modulační technikou je M -ary key-shift keying (M-FSK), což je duální kmitočtová frekvence vůči PPM.

PPM vs. M-FSK

Systémy PPM a M-FSK se stejnou šířkou pásma, průměrným výkonem a přenosovou rychlostí M / T bitů za sekundu mají stejný výkon v kanálu aditivního bílého gaussovského šumu (AWGN). Jejich výkon se však značně liší při porovnání frekvenčně selektivních a frekvenčně plochých kanálů slábnutí . Zatímco frekvenčně selektivní únik vytváří ozvěny, které jsou vysoce rušivé pro jakýkoli z M časových posunů použitých ke kódování dat PPM, selektivně narušuje pouze některé z M možných frekvenčních posunů používaných ke kódování dat pro M-FSK. Na druhou stranu je ploché blednutí frekvencí pro M-FSK rušivější než PPM, protože všechny M možných frekvenčních posunů jsou blednutím narušeny, zatímco krátká doba trvání pulzu PPM znamená, že jen několik M časů - řazení je silně ovlivněno vyblednutím.

Systémy optické komunikace mají tendenci mít slabé vícecestné zkreslení a PPM je životaschopné modulační schéma v mnoha takových aplikacích.

Aplikace pro RF komunikaci

Úzkopásmové vysokofrekvenční (vysokofrekvenční) kanály s nízkým výkonem a dlouhými vlnovými délkami (tj. S nízkou frekvencí) jsou ovlivněny primárně plochým vyblednutím a PPM je pro tyto scénáře vhodnější než M-FSK. Jedna běžná aplikace s těmito charakteristikami kanálu, poprvé používaná na počátku 60. let s vysokofrekvenčními vysokofrekvenčními frekvencemi (až 27 MHz) do nízkofrekvenčních pásem VHF (30 MHz až 75 MHz pro RC v závislosti na umístění), je radio control of modelu letadel , lodí a aut, původně známý jako „digitální proporcionální“ rádiového ovládání. V těchto systémech se používá PPM, přičemž poloha každého pulzu představuje úhlovou polohu analogového řízení na vysílači nebo možné stavy binárního spínače. Počet pulzů na snímek udává počet dostupných ovladatelných kanálů. Výhodou použití PPM pro tento typ aplikace je, že elektronika potřebná k dekódování signálu je extrémně jednoduchá, což vede k malým a lehkým jednotkám přijímače / dekodéru (modely letadel vyžadují co nejlehčí součásti). Serva vyrobená pro modelové rádiové ovládání zahrnují část elektroniky potřebné k převodu pulzu na polohu motoru - přijímač je povinen nejprve extrahovat informace z přijatého rádiového signálu prostřednictvím jeho mezifrekvenční sekce a poté demultiplexovat samostatné kanály ze sériového proudu a přivádějte řídicí impulsy do každého serva.

PPM kódování pro dálkové ovládání

Kompletní rámec PPM je přibližně 22,5 ms (může se u jednotlivých výrobců lišit) a nízký stav signálu je vždy 0,3 ms. Začíná to počátečním rámcem (vysoký stav po dobu delší než 2 ms). Každý kanál (až 8) je kódován časem vysokého stavu (vysoký stav PPM + 0,3 × (nízký stav PPM) = šířka pulzu servo PWM ).

Sofistikovanější rádiové řídicí systémy jsou nyní často založeny na modulaci pulzního kódu , která je složitější, ale nabízí větší flexibilitu a spolehlivost. Příchod systémů rádiového ovládání FHSS v pásmu 2,4 GHz na počátku 21. století to dále změnil.

Pulzní poziční modulace se také používá pro komunikaci s bezkontaktní čipovou kartou ISO / IEC 15693 , stejně jako při vysokofrekvenční implementaci protokolu Electronic Product Code (EPC) třídy 1 pro RFID tagy.

Languages

In other projects