Кіріспе
Импульстік позициялық модуляция (PPM) – сигналды модуляциялаудың бір түрі, онда M хабарлама биті бір импульстің мүмкін болатын уақыт ығысымдарының бірінде берілуі арқылы кодталады. Бұл әр T секунд сайын қайталанады, нәтижесінде берілетін бит жылдамдығы секундына бит болады. Ол негізінен оптикалық байланыс жүйелері үшін пайдалы, ондай жүйелерде көп жолды кедергілердің ықпалы аз немесе жоқ.
Тарих
Импульстік позиция модуляциясының ежелгі қолданылуы шамамен 350 ж.б.ц. Эней Стимфал ойлап тапқан грек гидравликалық семафор жүйесі болды, ол сигналдарды уақыт бойынша белгілеу үшін су сағаты принципін пайдаланды. Бұл жүйеде судың ағып кетуі уақытты өлшеу құралы ретінде жұмыс істейді, ал импульстарды сигнал беру үшін шамдар қолданылды. Жүйеде сумен толтырылған бірдей контейнерлер қолданылды, олардың су ағынын қосу және өшіру мүмкін болды, сондай-ақ әскери хабарламаларды көрсететін әртүрлі алдын ала белгіленген кодтармен белгіленген иінтірек бар жүзуші құрылғысы болды. Операторлар контейнерлерді бір-бірінен алысқа көрінетін төбелерге орналастыратын. Хабар жіберу үшін операторлар судың ағып кетуінің басталуын және аяқталуын шамдармен белгілейтін, ал жүзушіге бекітілген иінтіректегі белгі хабарламаны көрсететін. Қазіргі заманда импульстік позиция модуляциясының тамыры 1853 жылға дейінгі телеграфтың уақытты бөлу мультиплекстеуіне дейін жетеді және импульстік код модуляциясы және импульстік ен модуляциясымен бірге дамыды. 1960 жылдардың басында NASA-ның Дон Матерс және Даг Спренг радиобақылау (R/C) жүйелерінде қолданылатын импульстік позиция модуляциясын ойлап тапты. PPM қазіргі уақытта оптикалық талшықты байланыста, терең ғарыш байланыстарында қолданылады және R/C жүйелерінде қолданыла береді.
Қадамдастыру
Бұл техниканы іске асырудың басты қиындықтарының бірі – қабылдағыштың жергілікті сағатын әрбір символдың басталуымен синхронды етуді қамтамасыз ету қажеттігі болып табылады. Сондықтан, бұл көбінесе дифференциалдық импульстік позициялық модуляция ретінде іске асырылады, онда әр импульстің позициясы алдыңғы импульсқа қатысты кодталады, нәтижесінде қабылдағыш тізбектелген импульстардың келу уақыты арасындағы айырманы ғана өлшеуі керек. Бұл қателердің жақын орналасқан символдарға таралуын шектеуге мүмкіндік береді, сондықтан бір импульстің дифференциалдық кешігуін өлшеудегі қате барлық келесі өлшемдерге емес, тек екі символға ғана әсер етеді.
Көп жолды кедергілерге сезімталдық
Қабылдаушыны синхрондау мәселесінен басқа, PPM-нің басты кемшілігі – жиіліктік таңдаулы жоғалу болатын каналдарда туындайтын көп жолды кедергіге жоғары сезімталдығы. Мұнда қабылдаушының сигналы әрбір жіберілген импульстің бір немесе бірнеше қайшысын (эхосын) қамтиды. Ақпарат уақыт бойынша (дифференциалды түрде немесе ортақ сағатқа шаққанда) кодталғандықтан, бір немесе бірнеше қайшының болуы жіберілген импульске сәйкес келетін импульстің дұрыс орнын анықтауды өте қиын, тіпті мүмкін емес етеді. Импульстік позициялық модуляция жүйелеріндегі көп жолды кедергілерді радар жүйелерінде қолданылатын, эхоның қатысуында қашықтықты анықтау үшін импульстің синхрондалуы мен келу уақытына толығымен сүйенетін бірдей техникаларды қолдану арқылы оңай жеңілдетуге болады.
of one or more echoes can make it extremely difficult, if not impossible, to accurately determine the correct pulse position corresponding to the transmitted pulse. Multipath in Pulse Position Modulation systems can be easily mitigated by using the same techniques that are used in Radar systems that rely totally on synchronization and time of arrival of the received pulse to obtain their range position in the presence of echoes.
Бір-біріне сәйкес келмейтінді анықтау
PPM-нің басты артықшылықтарының бірі – бұл M-арналы модуляция техникасы, оны когерентсіз түрде жүзеге асыруға болады, сондықтан қабылдағыш тасымалдауыштың фазасын қадағалау үшін фазалық құлыптағыш (PLL) қолдану қажеттілігі тумайды. Бұл оны когерентті фазалық модуляция мен анықтау қиын және өте қымбат болатын оптикалық байланыс жүйелері үшін қолайлы кандидат етеді. Басқа жалпы таралған M-арналы когерентсіз модуляция техникасы – M-арналы жиілік модуляциясы (MFSK), ол PPM-нің жиілік доменіндегі қос нұсқасы болып табылады.
PPM мен M-FSK арасындағы айырмашылық
Бірдей жолақтығы, орташа қуаты және секундына М/Т биттер жылдамдығы бар PPM және M FSK жүйелері аддитивті ақ Гаусс шуы (AWGN) арнасында бірдей өнімділік көрсетеді. Дегенмен, жиілікті таңдаулы және жиілікті тегіс өшіру арналарын салыстырғанда олардың өнімділігі айқын түрде ерекшеленеді. Жиілікті таңдаулы өшіру PPM деректерін кодтау үшін қолданылатын барлық M уақыт ығысулары үшін қиындық тудыратын эхо жасайды, ал M FSK деректерін кодтау үшін қолданылатын M мүмкін жиілік ығысуларының тек бір бөлігін ғана селективті түрде бұзады. Керісінше, жиілікті тегіс өшіру M FSK үшін PPM-ге қарағанда күштірек бұзылыс тудырады, себебі барлық M мүмкін жиілік ығысулары өшірудің әсеріне ұшырайды, ал PPM импульсінің қысқа мерзімі M уақыт ығысуларының тек бірнешеуі ғана өшіруден қатты зардап шегеді дегенді білдіреді. Оптикалық байланыс жүйелері көбінесе әлсіз көпжолды бұрмалауға ие болады, сондықтан PPM мұндай көптеген қолданбаларда тиімді модуляция схемасы болып табылады.
RF байланысы үшін қолданбалар
Қуаттылығы төмен және ұзын толқын ұзындығы бар (яғни, төмен жиілікті) тар жолақты радиожиілік (RF) арналары негізінен жалпақ тозуға ұшырайды, ал PPM осы жағдайларда M FSK-дан гөрі тиімдірек қолданылады. Бұл арнаның сипаттамаларымен ең көп таралған қолданыс – 1960 жылдардың басында алғаш пайда болған, жоғары жиілікті HF (27 МГц-ке дейін) және төменгі жиілікті VHF (орналасқан жеріне байланысты RC пайдалану үшін 30 МГц-тан 75 МГц-қа дейін) жиіліктерін қолданатын модельдік ұшақтарды, қайықтарды және автомобильдерді радиоарнамен басқару, бұл бастапқыда «цифрлық пропорционалды» радиобасқару деп аталды. Бұл жүйелерде PPM қолданылады, мұнда әр импульстің орны таратушыдағы аналогты басқарудың бұрыштық орнын немесе екілік коммутатордың мүмкін күйлерін көрсетеді. Фреймдегі импульстардың саны қолжетімді басқарылатын арналардың санын анықтайды. PPM-ді осы типтегі қолдану үшін пайдаланудың артықшылығы – сигналды декодтау үшін қажетті электроника өте қарапайым, бұл кішкентай, жеңіл қабылдағыш/декодер құрылғыларын жасауға мүмкіндік береді (модельдік ұшақтарға мүмкіндігінше жеңіл бөлшектер қажет). Модельдік радиобасқаруға арналған серволар импульстің мотордың орнына айналуына қажетті электрониканың бір бөлігін қамтиды. Қабылдағыш алдымен алынған радиосигналдан ақпаратты аралық жиілік бөлімі арқылы шығарып алады, содан кейін сериялық ағымнан жеке арналарды бөліп, әр сервоға басқару импульстарын жібереді.
Радиобақылау үшін PPM кодтау
Толық PPM кадры шамамен 22,5 мс-қа (іске асылуға қарай өзгеруі мүмкін), ал сигналдың төменгі деңгейі әрқашан 0,3 мс-қа тең. Ол бастапқы кадрмен (жоғары деңгейі 2 мс-ден артық) басталады. Әрбір арна (көптеген 8-ге дейін) жоғары деңгейдің және төменгі деңгейдің уақыты арқылы кодталады. (PPM жоғары деңгейі + 0,3 = серво PWM импульсының ені). Қазіргі заманғы радиобақылау жүйелері көбінесе импульстік кодты модуляцияға негізделген, ол күрделірек болғанымен, жақсы икемділік пен сенімділік береді. 21-ші ғасырдың басында 2,4 ГГц жиілік диапазонындағы FHSS радиобақылау жүйелерінің пайда болуы осы жағдайды одан әрі өзгертті. Импульстік позициялық модуляция ISO/IEC 15693 байланыссыз смарт-картасымен байланыс үшін, сондай-ақ RFID тегтері үшін Электрондық өнім кодын (EPC) 1-сыныпты протоколының HF нұсқасында қолданылады.