Импульсно-позиционная модуляция

Позиционно-импульсная модуляция ( PPM ) — это форма модуляции сигнала , при которой M битов сообщения кодируются путем передачи одного импульса в одном из $2^{M}$ возможные необходимые временные сдвиги. ^[1]^[2] Это повторяется каждые T секунд, так что скорость передачи данных равна $M/T$ бит в секунду. Это в первую очередь полезно для систем оптической связи , которые, как правило, практически не имеют многолучевых помех.

История

Древним применением импульсно-позиционной модуляции была греческая гидравлическая семафорная система, изобретенная Энеем Стимфалом около 350 г. до н.э., которая использовала принцип водяных часов для измерения времени сигналов. ^[3] В этой системе слив воды действует как таймер, а для сигнализации импульсов используются горелки. В системе использовались идентичные наполненные водой контейнеры, слив которых можно было включать и выключать, а также поплавок со стержнем, помеченным различными заранее заданными кодами, обозначавшими военные сообщения. Операторы размещали контейнеры на холмах, чтобы их было видно друг от друга на расстоянии. Чтобы отправить сообщение, операторы использовали факелы, чтобы сигнализировать о начале и окончании слива воды, а маркировка на стержне, прикрепленном к поплавку, указывала на сообщение.

В наше время позиционно-импульсная модуляция берет свое начало в телеграфном мультиплексировании с временным разделением каналов , которое восходит к 1853 году и развивалось наряду с импульсно-кодовой модуляцией и широтно-импульсной модуляцией . ^[4] В начале 1960-х годов Дон Мазерс и Дуг Спренг из НАСА изобрели импульсно-позиционную модуляцию, используемую в системах радиоуправления (R/C). PPM в настоящее время используется в оптоволоконной связи , связи в дальнем космосе и продолжает использоваться в радиоуправляемых системах.

Синхронизация

Одна из ключевых трудностей реализации этого метода заключается в том, что приемник должен быть должным образом синхронизирован, чтобы совместить локальные часы с началом каждого символа. Поэтому ее часто реализуют дифференциально, как дифференциально-позиционную модуляцию , при которой каждая позиция импульса кодируется относительно предыдущей, так что приемник должен измерять только разницу во времени прибытия последовательных импульсов. Можно ограничить распространение ошибок на соседние символы, так что ошибка измерения дифференциальной задержки одного импульса будет влиять только на два символа, а не на все последующие измерения.

Чувствительность к многолучевым помехам

Помимо проблем, связанных с синхронизацией приемника, ключевым недостатком PPM является то, что он по своей сути чувствителен к многолучевым помехам, которые возникают в каналах с частотно-селективным замиранием, в результате чего сигнал приемника содержит одно или несколько отражений каждого передаваемого импульса. Поскольку информация кодируется по времени поступления (либо дифференциально, либо относительно общих часов), наличиеНаличие одного или нескольких эхо-сигналов может чрезвычайно затруднить, если не сделать невозможным, точное определение правильного положения импульса, соответствующего передаваемому импульсу.Многолучевое распространение в системах с импульсно-позиционной модуляцией можно легко уменьшить, используя те же методы, которые используются в радиолокационных системах, которые полностью полагаются на синхронизацию и время прибытия принятого импульса для определения положения их дальности при наличии эхо-сигналов.

Некогерентное обнаружение

Одним из основных преимуществ PPM является то, что это метод M -арной модуляции, который может быть реализован некогерентно, так что приемнику не нужно использовать систему фазовой автоподстройки частоты (PLL) для отслеживания фазы несущей. Это делает его подходящим кандидатом для систем оптической связи, где когерентная фазовая модуляция и обнаружение сложны и чрезвычайно дороги. Единственным другим распространенным M методом некогерентной модуляции -арной является M -арная частотная манипуляция (M-FSK), которая является двойной по отношению к PPM частотной областью.

PPM против M-FSK

Системы PPM и M-FSK с одинаковой полосой пропускания, средней мощностью и скоростью передачи битов M/T в секунду имеют одинаковую производительность в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (AWGN). Однако их характеристики сильно различаются при сравнении каналов с частотно-селективным и частотно-плоским замиранием . В то время как частотно-избирательное замирание создает эхо, которое сильно мешает любому из M временных сдвигов, используемых для кодирования данных PPM, оно выборочно разрушает только некоторые из M возможных частотных сдвигов, используемых для кодирования данных для M-FSK. С другой стороны, замирание с ровной частотой более разрушительно для M-FSK, чем PPM, поскольку все M возможных сдвигов частоты ухудшаются из-за замирания, а короткая длительность импульса PPM означает, что только несколько из M времен -переключения сильно ухудшаются из-за затухания.

Системы оптической связи имеют тенденцию иметь слабые многолучевые искажения, и PPM является жизнеспособной схемой модуляции во многих таких приложениях.

Приложения для радиосвязи

Узкополосные радиочастотные каналы с малой мощностью и длинными длинами волн (т. е. низкой частотой) подвержены в первую очередь плоскому замиранию , и PPM лучше подходит для использования в этих сценариях, чем M-FSK. Одним из распространенных применений с этими характеристиками канала, впервые использованных в начале 1960-х годов с верхними частотами ВЧ (всего 27 МГц) в нижних частотах диапазона УКВ (от 30 МГц до 75 МГц для использования RC в зависимости от местоположения), является радиоуправление , лодок и автомобилей, первоначально известное как «цифровое пропорциональное » моделями самолетов радиоуправление. В этих системах используется PPM, при этом положение каждого импульса представляет угловое положение аналогового элемента управления передатчика или возможные состояния двоичного переключателя. Количество импульсов на кадр дает количество доступных управляемых каналов. Преимущество использования PPM для этого типа приложений заключается в том, что электроника, необходимая для декодирования сигнала, чрезвычайно проста, что приводит к созданию небольших и легких блоков приемника/декодера (для моделей самолетов требуются как можно более легкие детали). Сервоприводы, предназначенные для радиоуправления моделями, включают в себя некоторую электронику, необходимую для преобразования импульса в положение двигателя — приемнику необходимо сначала извлечь информацию из полученного радиосигнала через его промежуточной частоты секцию , а затем демультиплексировать отдельные каналы из последовательного потока. и подайте управляющие импульсы на каждый сервопривод.

Кодирование PPM для радиоуправления

Полный кадр PPM составляет около 22,5 мс (может варьироваться в зависимости от реализации), а состояние низкого уровня сигнала всегда составляет 0,3 мс. Он начинается со стартового кадра (высокое состояние более 2 мс). Каждый канал (до 8) кодируется временем высокого состояния плюс нижнего состояния. (Высокое состояние PPM + 0,3 = ширина импульса ШИМ сервопривода ).

Более сложные системы радиоуправления теперь часто основаны на импульсно-кодовой модуляции , которая более сложна, но обеспечивает большую гибкость и надежность. Появление FHSS систем радиоуправления в диапазоне 2,4 ГГц в начале 21 века еще больше изменило ситуацию.

Импульсно-позиционная модуляция также используется для связи с ISO/IEC 15693 бесконтактной смарт-картой , а также в ВЧ реализации протокола электронного кода продукта (EPC) класса 1 для RFID- меток.

См. также

Ссылки

^ КТ Вонг (март 2007 г.). «Узкополосный полуслепой приемник PPM с пространственным рейком и подавление внутриканальных помех» (PDF) . Европейские сделки по телекоммуникациям . 18 (2). Гонконгский политехнический университет: 193–197. дои : 10.1002/ett.1147 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г. Проверено 26 сентября 2013 г.
^ Юичиро Фудзивара (2013). «Самосинхронизирующая импульсно-позиционная модуляция с устойчивостью к ошибкам». Транзакции IEEE по теории информации . 59 : 5352–5362. arXiv : 1301.3369 . дои : 10.1109/TIT.2013.2262094 .
^ Майкл Лаханас. «Древнегреческие методы общения» . Архивировано из оригинала 2 ноября 2014 г.
^ Росс Йегер и Кайл Пейс. «Копия презентации темы коммуникаций: Импульсно-кодовая модуляция» . Прези .

[1] КТ Вонг (март 2007 г.). «Узкополосный полуслепой приемник PPM с пространственным рейком и подавление внутриканальных помех» (PDF) . Европейские сделки по телекоммуникациям . 18 (2). Гонконгский политехнический университет: 193–197. дои : 10.1002/ett.1147 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г. Проверено 26 сентября 2013 г.

[2] Юичиро Фудзивара (2013). «Самосинхронизирующая импульсно-позиционная модуляция с устойчивостью к ошибкам». Транзакции IEEE по теории информации . 59 : 5352–5362. arXiv : 1301.3369 . дои : 10.1109/TIT.2013.2262094 .

[3] Майкл Лаханас. «Древнегреческие методы общения» . Архивировано из оригинала 2 ноября 2014 г.

[4] Росс Йегер и Кайл Пейс. «Копия презентации темы коммуникаций: Импульсно-кодовая модуляция» . Прези .

[1]

[2]

[3]

[4]