Modulação por posição de pulso - Pulse-position modulation

A modulação por posição de pulso ( PPM ) é uma forma de modulação de sinal na qual bits de mensagem M são codificados pela transmissão de um único pulso em um dos possíveis deslocamentos de tempo necessários. Isso é repetido a cada T segundos, de forma que a taxa de bits transmitida seja de bits por segundo. É principalmente útil para sistemas de comunicações ópticas , que tendem a ter pouca ou nenhuma interferência de multicaminho . ${\ displaystyle 2 ^ {M}}$ ${\ displaystyle M / T}$

História

Um antigo uso da modulação por posição de pulso foi o sistema de semáforo hidráulico grego, inventado por Aeneas Stymphalus por volta de 350 aC, que usava o princípio do relógio de água para os sinais de tempo. Nesse sistema, a drenagem da água atua como um dispositivo de cronometragem e as tochas são usadas para sinalizar os pulsos. O sistema usava recipientes cheios de água idênticos, cujo dreno podia ser ligado e desligado, e um flutuador com uma haste marcada com vários códigos pré-determinados que representavam mensagens militares. Os operadores colocariam os contêineres em morros para que pudessem ser vistos uns dos outros à distância. Para enviar uma mensagem, os operadores usavam tochas para sinalizar o início e o fim do escoamento da água, e a marcação na haste presa à bóia indicava a mensagem.

Nos tempos modernos, a modulação por posição de pulso tem origens na multiplexação por divisão de tempo do telégrafo , que remonta a 1853 e evoluiu junto com a modulação por código de pulso e modulação por largura de pulso . No início dos anos 1960, Don Mathers e Doug Spreng da NASA inventaram a modulação de posição de pulso usada em sistemas de controle de rádio (R / C). O PPM está sendo usado atualmente em comunicações de fibra óptica , comunicações em espaço profundo e continua a ser usado em sistemas R / C.

Sincronização

Uma das principais dificuldades da implementação dessa técnica é que o receptor deve estar devidamente sincronizado para alinhar o relógio local com o início de cada símbolo. Portanto, muitas vezes é implementado diferencialmente como modulação de posição de pulso diferencial , em que cada posição de pulso é codificada em relação à anterior, de modo que o receptor deve apenas medir a diferença no tempo de chegada de pulsos sucessivos. É possível limitar a propagação de erros para símbolos adjacentes, de modo que um erro na medição do atraso diferencial de um pulso afetará apenas dois símbolos, em vez de afetar todas as medições sucessivas.

Sensibilidade à interferência multipercurso

Além das questões relacionadas à sincronização do receptor, a principal desvantagem do PPM é que ele é inerentemente sensível à interferência multipercurso que surge em canais com desvanecimento seletivo de frequência, em que o sinal do receptor contém um ou mais ecos de cada pulso transmitido. Uma vez que a informação é codificada no tempo de chegada (seja diferencialmente ou em relação a um relógio comum), a presença de um ou mais ecos pode tornar extremamente difícil, senão impossível, determinar com precisão a posição correta do pulso correspondente ao transmitido pulso. Multipath em sistemas de modulação de posição de pulso podem ser facilmente mitigados usando as mesmas técnicas que são usadas em sistemas de radar que dependem totalmente da sincronização e do tempo de chegada do pulso recebido para obter sua posição de alcance na presença de ecos.

Detecção não coerente

Uma das principais vantagens do PPM é que ele é uma técnica de modulação M -ary que pode ser implementada de forma não coerente, de modo que o receptor não precisa usar um loop de bloqueio de fase (PLL) para rastrear a fase da portadora. Isso o torna um candidato adequado para sistemas de comunicação óptica, onde a modulação e detecção de fase coerente são difíceis e extremamente caras. A única outra comum H técnica de modulação não coerente -ary é H -ary FSK (M-FSK), que é o domínio de frequência dupla para PPM.

PPM vs. M-FSK

Os sistemas PPM e M-FSK com a mesma largura de banda, potência média e taxa de transmissão de bits M / T por segundo têm desempenho idêntico em um canal de ruído gaussiano branco aditivo (AWGN). No entanto, seu desempenho difere muito ao comparar canais de desvanecimento de frequência seletiva e frequência plana . Enquanto o desvanecimento seletivo de frequência produz ecos que são altamente perturbadores para qualquer um dos deslocamentos de tempo M usados para codificar dados PPM, ele interrompe seletivamente apenas alguns dos deslocamentos de frequência possíveis M usados para codificar dados para M-FSK. Por outro lado, o desvanecimento plano de frequência é mais perturbador para M-FSK do que PPM, uma vez que todos os M das mudanças de frequência possíveis são prejudicados pelo desvanecimento, enquanto a curta duração do pulso PPM significa que apenas alguns do tempo M -as mudanças são fortemente prejudicadas pelo desbotamento.

Os sistemas de comunicações ópticas tendem a ter distorções multipercurso fracas e o PPM é um esquema de modulação viável em muitas dessas aplicações.

Aplicações para comunicações RF

Canais de banda estreita RF (frequência de rádio) com baixa potência e comprimentos de onda longos (ou seja, baixa frequência) são afetados principalmente pelo desvanecimento plano , e o PPM é mais adequado do que o M-FSK para ser usado nesses cenários. Uma aplicação comum com essas características de canal, usada pela primeira vez no início dos anos 1960 com frequências HF de ponta (tão baixas quanto 27 MHz) nas frequências de banda VHF de baixa qualidade (30 MHz a 75 MHz para uso RC, dependendo da localização), é o controle de rádio de aeromodelos , barcos e carros, originalmente conhecido como controle de rádio "proporcional digital". O PPM é empregado nesses sistemas, com a posição de cada pulso representando a posição angular de um controle analógico no transmissor, ou possíveis estados de uma chave binária. O número de pulsos por quadro fornece o número de canais controláveis disponíveis. A vantagem de usar PPM para esse tipo de aplicação é que os eletrônicos necessários para decodificar o sinal são extremamente simples, o que leva a unidades receptoras / decodificadoras pequenas e leves (os modelos de aeronaves requerem peças o mais leves possíveis). Os servos feitos para o modelo de controle de rádio incluem alguns dos componentes eletrônicos necessários para converter o pulso para a posição do motor - o receptor deve primeiro extrair as informações do sinal de rádio recebido por meio de sua seção de frequência intermediária e, em seguida, desmultiplexar os canais separados do fluxo serial , e alimentar os pulsos de controle para cada servo.

Codificação PPM para controle de rádio

Um quadro PPM completo tem cerca de 22,5 ms (pode variar entre os fabricantes) e o estado de sinal baixo é sempre 0,3 ms. Ele começa com um quadro inicial (estado alto por mais de 2 ms). Cada canal (até 8) é codificado pelo tempo do estado alto (estado alto PPM + 0,3 × (estado baixo PPM) = largura de pulso do servo PWM ).

Os sistemas de controle de rádio mais sofisticados agora são frequentemente baseados na modulação por código de pulso , que é mais complexo, mas oferece maior flexibilidade e confiabilidade. O advento dos sistemas de controle de rádio FHSS de banda de 2,4 GHz no início do século 21 mudou ainda mais isso.

A modulação de posição de pulso também é usada para comunicação com o cartão inteligente sem contato ISO / IEC 15693 , bem como na implementação de HF do protocolo de Classe 1 do Código de Produto Eletrônico (EPC) para etiquetas RFID .

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