Введение

Импульсно-позиционная модуляция (ИПМ) — это форма модуляции сигнала, в которой M битов сообщения кодируются путем передачи одного импульса в один из возможных временных интервалов. Это повторяется каждые T секунд, таким образом, скорость передачи данных составляет битов в секунду. Она особенно полезна для систем оптической связи, которые обычно характеризуются минимальными или отсутствующими многолучевыми помехами.

История

Древнейшим применением импульсной модуляции по положению (ИМПП) была греческая гидравлическая семафорная система, изобретенная Энеем Стимфалом около 350 года до н.э., которая использовала принцип водяных часов для синхронизации сигналов. В этой системе слив воды служил устройством синхронизации, а факелы использовались для передачи импульсов. Система использовала идентичные резервуары, заполненные водой, и поплавок со стержнем, на котором были нанесены различные заранее определенные коды, представляющие военные сообщения. Операторы размещали резервуары на холмах, чтобы обеспечить видимость на расстоянии друг для друга. Для отправки сообщения операторы использовали факелы, чтобы сигнализировать о начале и окончании слива воды, а отметка на стержне, прикрепленном к поплавку, указывала на сообщение. В современности импульсная модуляция по положению берет начало от телеграфного мультиплексирования с разделением по времени, которое восходит к 1853 году, и развивалась параллельно с импульсно-кодовой модуляцией и широтно-импульсной модуляцией. В начале 1960-х годов Дон Мэтерс и Даг Спренг из NASA изобрели импульсную модуляцию по положению, используемую в системах радиоуправления (R/C). В настоящее время ИМПП используется в волоконно-оптической связи, в дальней космической связи и продолжает применяться в системах R/C.

Синхронизация

Одна из ключевых сложностей реализации этой техники заключается в том, что приемнику необходимо быть правильно синхронизированным для согласования местных часов с началом каждого символа. Поэтому часто используется дифференциальный подход, например, дифференциальная импульсно-позиционная модуляция, при которой позиция каждого импульса кодируется относительно предыдущего, что позволяет приемнику измерять только разницу во времени прихода последовательных импульсов. Это позволяет ограничить распространение ошибок на соседние символы, так что ошибка в измерении дифференциальной задержки одного импульса повлияет только на два символа, а не на все последующие измерения.

Чувствительность к многопутным помехам

Помимо проблем, связанных с синхронизацией приемника, ключевым недостатком PPM является его принципиальная чувствительность к многолучевым помехам, возникающим в каналах с частотно-селективным затуханием, в результате чего сигнал, принимаемый устройством, содержит одно или несколько эхо каждого переданного импульса. Поскольку информация кодируется во времени прибытия (дифференциально или относительно общего тактового сигнала), наличие одного или нескольких эхо может сделать точное определение корректной позиции импульса, соответствующего переданному импульсу, крайне сложным, если не невозможным. Многолучевые помехи в системах импульсно-позиционной модуляции можно эффективно подавить, используя те же методы, которые применяются в радиолокационных системах, полностью основанных на синхронизации и времени прибытия принятого импульса для определения дальности в условиях эхосигналов.

Непоследовательность обнаружения

Одним из главных преимуществ PPM является то, что это M-ary модуляция, которую можно реализовать некогерентным способом, что позволяет приемнику обходиться без фазовой замкнутой петли (PLL) для отслеживания фазы несущей. Это делает ее подходящим вариантом для систем оптической связи, где когерентная фазовая модуляция и демодуляция сложны и чрезвычайно дороги. Другой распространенной M-ary некогерентной схемой модуляции является M-ary частотная манипуляция (MFSK), которая является частотным двойником PPM.

PPM против M-FSK

Системы PPM и M FSK с одинаковой полосой пропускания, средней мощностью и скоростью передачи M/T бит в секунду демонстрируют идентичную производительность в канале аддитивного белого гауссовского шума (AWGN). Однако их производительность существенно различается при сравнении каналов с частотной селективностью и каналов с плоским затуханием. В то время как частотно-селективное затухание порождает эхосигналы, которые сильно влияют на любой из M временных сдвигов, используемых для кодирования данных PPM, оно избирательно нарушает лишь часть из M возможных частотных сдвигов, применяемых для кодирования данных в M FSK. С другой стороны, плоское затухание оказывает большее негативное воздействие на M FSK, чем на PPM, поскольку затухание влияет на все M возможных частотных сдвигов, в то время как короткая длительность импульса PPM означает, что затухание существенно влияет лишь на небольшое количество из M временных сдвигов. Оптические системы связи, как правило, характеризуются слабыми многолучевыми искажениями, и PPM является эффективной схемой модуляции для многих подобных применений.

Приложения для радиочастотных коммуникаций

На узкополосные радиочастотные каналы с низкой мощностью и длинными волнами (то есть низкой частотой) в основном влияет плоское затухание, и PPM лучше подходит для использования в таких условиях, чем M FSK. Распространенным применением с такими характеристиками канала, впервые реализованным в начале 1960-х годов на верхнем пределе HF (вплоть до 27 МГц) и переходящим в нижний предел VHF (от 30 МГц до 75 МГц для радиоуправления, в зависимости от региона), является радиоуправление моделями самолетов, лодок и автомобилей, изначально известное как "цифровое пропорциональное" радиоуправление. В этих системах используется PPM, где положение каждого импульса соответствует угловому положению аналогового элемента управления на передатчике или возможным состояниям двоичного переключателя. Количество импульсов в кадре определяет количество доступных управляемых каналов. Преимущество использования PPM в этом типе приложений заключается в простоте электроники, необходимой для декодирования сигнала, что позволяет создавать небольшие и легкие приемники/декодеры (для моделей самолетов требуется максимальное снижение веса). Сервоприводы, предназначенные для модельного радиоуправления, включают в себя часть электроники, необходимую для преобразования импульса в положение двигателя. Приемник сначала извлекает информацию из принятого радиосигнала через промежуточную частоту, затем разделяет отдельные каналы из последовательного потока и передает управляющие импульсы каждому сервоприводу.

Кодирование PPM для радиоуправления

Полный кадр PPM составляет около 22,5 мс (может варьироваться в зависимости от реализации), а длительность низкого уровня сигнала всегда составляет 0,3 мс. Он начинается со стартового кадра (высокий уровень более 2 мс). Каждый канал (до 8) кодируется длительностью высокого уровня плюс длительностью низкого уровня. (Длительность высокого уровня PPM + 0,3 = ширина импульса ШИМ сервопривода). Более совершенные системы радиоуправления сейчас часто основаны на импульсно-кодовой модуляции, которая сложнее, но обеспечивает большую гибкость и надежность. Появление радиоуправляющих систем FHSS в диапазоне 2,4 ГГц в начале XXI века изменило ситуацию еще больше. Импульсно-позиционная модуляция также используется для связи с бесконтактными смарт-картами ISO/IEC 15693, а также в HF-реализации протокола Electronic Product Code (EPC) Class 1 для RFID-меток.