Modulación de posición de pulso

Forma de modulación de señal mediante desplazamientos temporales

La modulación por posición de pulso ( PPM ) es una forma de modulación de señal en la que se codifican M bits de mensaje transmitiendo un solo pulso en uno de los posibles cambios de tiempo requeridos. ^[1]^[2] Esto se repite cada T segundos, de modo que la tasa de bits transmitida sea de bits por segundo. Es principalmente útil para sistemas de comunicaciones ópticas , que tienden a tener poca o ninguna interferencia por trayectos múltiples . ${\estilo de visualización 2^{M}}$ ${\estilo de visualización M/T}$

Historia

Un uso antiguo de la modulación por posición de pulso fue el sistema de semáforo hidráulico griego inventado por Eneas Estínfalo alrededor del 350 a. C. que utilizaba el principio del reloj de agua para cronometrar las señales. ^[3] En este sistema, el drenaje de agua actúa como dispositivo de cronometraje y se utilizan antorchas para señalar los pulsos. El sistema utilizaba contenedores idénticos llenos de agua cuyo drenaje se podía abrir y cerrar, y un flotador con una varilla marcada con varios códigos predeterminados que representaban mensajes militares. Los operadores colocaban los contenedores en colinas para que pudieran verse entre sí a distancia. Para enviar un mensaje, los operadores usaban antorchas para señalar el comienzo y el final del drenaje del agua, y la marca en la varilla unida al flotador indicaba el mensaje.

En la actualidad, la modulación por posición de pulso tiene su origen en la multiplexación por división de tiempo telegráfica , que data de 1853, y evolucionó junto con la modulación por código de pulso y la modulación por ancho de pulso . ^[4] A principios de la década de 1960, Don Mathers y Doug Spreng de la NASA inventaron la modulación por posición de pulso utilizada en sistemas de radiocontrol (R/C). La PPM se utiliza actualmente en comunicaciones por fibra óptica , comunicaciones en el espacio profundo y continúa utilizándose en sistemas R/C.

Sincronización

Una de las principales dificultades de la implementación de esta técnica es que el receptor debe estar correctamente sincronizado para alinear el reloj local con el comienzo de cada símbolo. Por lo tanto, a menudo se implementa de forma diferencial como modulación diferencial de posición de pulso , por la que cada posición de pulso se codifica en relación con el anterior, de modo que el receptor solo debe medir la diferencia en el tiempo de llegada de pulsos sucesivos. Es posible limitar la propagación de errores a símbolos adyacentes, de modo que un error en la medición del retardo diferencial de un pulso afectará solo a dos símbolos, en lugar de afectar a todas las mediciones sucesivas.

Sensibilidad a la interferencia por trayectos múltiples

Aparte de los problemas relacionados con la sincronización del receptor, la desventaja clave de la modulación por posición de pulso es que es inherentemente sensible a la interferencia por trayectos múltiples que surge en canales con desvanecimiento selectivo de frecuencia, por lo que la señal del receptor contiene uno o más ecos de cada pulso transmitido. Dado que la información está codificada en el tiempo de llegada (ya sea de manera diferencial o en relación con un reloj común), la presencia de uno o más ecos puede hacer que sea extremadamente difícil, si no imposible, determinar con precisión la posición correcta del pulso correspondiente al pulso transmitido. Los trayectos múltiples en los sistemas de modulación por posición de pulso se pueden mitigar fácilmente utilizando las mismas técnicas que se utilizan en los sistemas de radar que dependen totalmente de la sincronización y el tiempo de llegada del pulso recibido para obtener su posición de rango en presencia de ecos.

Detección no coherente

Una de las principales ventajas de la modulación por desplazamiento de frecuencia (PPM) es que se trata de una técnica de modulación M -aria que se puede implementar de forma no coherente, de modo que el receptor no necesita utilizar un bucle de enganche de fase (PLL) para rastrear la fase de la portadora. Esto la convierte en una candidata adecuada para los sistemas de comunicaciones ópticas, donde la modulación y detección de fase coherente son difíciles y extremadamente caras. La otra técnica de modulación no coherente M -aria común es la modulación por desplazamiento de frecuencia (M-FSK) M -aria , que es el dual en el dominio de la frecuencia de la modulación por desplazamiento de frecuencia (PPM).

Comparación entre PPM y M-FSK

Los sistemas PPM y M-FSK con el mismo ancho de banda, potencia promedio y tasa de transmisión de M/T bits por segundo tienen un rendimiento idéntico en un canal de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN). Sin embargo, su rendimiento difiere en gran medida cuando se comparan canales con desvanecimiento selectivo en frecuencia y con desvanecimiento plano en frecuencia . Mientras que el desvanecimiento selectivo en frecuencia produce ecos que son altamente disruptivos para cualquiera de los M cambios de tiempo utilizados para codificar datos PPM, altera selectivamente solo algunos de los M cambios de frecuencia posibles utilizados para codificar datos para M-FSK. Por otro lado, el desvanecimiento plano en frecuencia es más disruptivo para M-FSK que PPM, ya que todos los M cambios de frecuencia posibles se ven afectados por el desvanecimiento, mientras que la corta duración del pulso PPM significa que solo algunos de los M cambios de tiempo se ven gravemente afectados por el desvanecimiento.

Los sistemas de comunicaciones ópticas tienden a tener distorsiones de trayectos múltiples débiles, y PPM es un esquema de modulación viable en muchas de esas aplicaciones.

Aplicaciones para comunicaciones RF

Los canales de RF (radiofrecuencia) de banda estrecha con baja potencia y longitudes de onda largas (es decir, baja frecuencia) se ven afectados principalmente por desvanecimiento plano , y PPM es más adecuado que M-FSK para ser utilizado en estos escenarios. Una aplicación común con estas características de canal, utilizada por primera vez a principios de la década de 1960 con frecuencias de HF de gama alta (tan bajas como 27 MHz) en las frecuencias de banda VHF de gama baja (30 MHz a 75 MHz para uso RC dependiendo de la ubicación), es el control por radio de modelos de aviones , barcos y automóviles, originalmente conocido como control de radio "digital proporcional". PPM se utiliza en estos sistemas, con la posición de cada pulso representando la posición angular de un control analógico en el transmisor, o posibles estados de un interruptor binario. El número de pulsos por cuadro da el número de canales controlables disponibles. La ventaja de utilizar PPM para este tipo de aplicación es que la electrónica necesaria para decodificar la señal es extremadamente simple, lo que conduce a unidades receptoras/decodificadoras pequeñas y ligeras (los modelos de aviones requieren piezas que sean lo más ligeras posible). Los servos fabricados para el control de radio modelo incluyen algunos de los componentes electrónicos necesarios para convertir el pulso en la posición del motor: el receptor debe primero extraer la información de la señal de radio recibida a través de su sección de frecuencia intermedia , luego demultiplexar los canales separados del flujo serial y enviar los pulsos de control a cada servo.

Codificación PPM para control de radio

Una trama PPM completa dura aproximadamente 22,5 ms (puede variar según la implementación) y el estado bajo de la señal siempre es de 0,3 ms. Comienza con una trama de inicio (estado alto durante más de 2 ms). Cada canal (hasta 8) se codifica por el tiempo del estado alto más el estado bajo. (Estado alto de PPM + 0,3 = ancho de pulso PWM del servo ).

Los sistemas de control por radio más sofisticados se basan ahora en la modulación por impulsos codificados , que es más compleja pero ofrece mayor flexibilidad y fiabilidad. La aparición de los sistemas de control por radio FHSS en la banda de 2,4 GHz a principios del siglo XXI cambió aún más esta situación.

La modulación de posición de pulso también se utiliza para la comunicación con la tarjeta inteligente sin contacto ISO/IEC 15693 , así como en la implementación HF del protocolo de Código de producto electrónico (EPC) Clase 1 para etiquetas RFID .

Véase también

Referencias

^ KT Wong (marzo de 2007). "Receptor de rastrillo espacial semiciego PPM de banda estrecha y supresión de interferencias cocanal" (PDF) . Transacciones europeas sobre telecomunicaciones . 18 (2). Universidad Politécnica de Hong Kong: 193–197. doi :10.1002/ett.1147. Archivado desde el original (PDF) el 23 de septiembre de 2015. Consultado el 26 de septiembre de 2013 .
^ Yuichiro Fujiwara (2013). "Modulación de posición de pulso autosincronizada con tolerancia de error". IEEE Transactions on Information Theory . 59 : 5352–5362. arXiv : 1301.3369 . doi :10.1109/TIT.2013.2262094.
^ Michael Lahanas. "Métodos de comunicación en la antigua Grecia". Archivado desde el original el 2 de noviembre de 2014.
^ Ross Yeager y Kyle Pace. "Copia de la presentación del tema de comunicaciones: Modulación por código de pulsos". Prezi .

[1] KT Wong (marzo de 2007). "Receptor de rastrillo espacial semiciego PPM de banda estrecha y supresión de interferencias cocanal" (PDF) . Transacciones europeas sobre telecomunicaciones . 18 (2). Universidad Politécnica de Hong Kong: 193–197. doi :10.1002/ett.1147. Archivado desde el original (PDF) el 23 de septiembre de 2015. Consultado el 26 de septiembre de 2013 .

[2] Yuichiro Fujiwara (2013). "Modulación de posición de pulso autosincronizada con tolerancia de error". IEEE Transactions on Information Theory . 59 : 5352–5362. arXiv : 1301.3369 . doi :10.1109/TIT.2013.2262094.

[3] Michael Lahanas. "Métodos de comunicación en la antigua Grecia". Archivado desde el original el 2 de noviembre de 2014.

[4] Ross Yeager y Kyle Pace. "Copia de la presentación del tema de comunicaciones: Modulación por código de pulsos". Prezi .