脉冲位置调制
 | |||||||||||||||
| 调制方式 | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 连续调制 | |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| 脉冲调制 | |||||||||||||||
| 模拟 | PAM · PDM · PPM | ||||||||||||||
| 数字 | PCM · PWM | ||||||||||||||
| 扩频 | |||||||||||||||
| CSS · DSSS · THSS · FHSS | |||||||||||||||
| 另见 | |||||||||||||||
| 调制 · 线路码 · 调制解调器 · ΔΣ调制 · OFDM · FDM | |||||||||||||||
脉冲位置调制（英语：Pulse-position modulation，PPM）是一种调制信号的方法，假如现在有M个比特的信号，此种方法会将这M个比特的资料借由传递一个脉冲，此脉冲有2M不同的可能(借由将原资料做时间偏移所得)，[1][2] 此种调制每个＂T＂秒会重复一次，因此会使得传输速率变为＂M/T＂(比特/秒)。因为光通信系统中较少甚至没有多路径干扰的问题，所以脉冲位置调制主要在光通信系统中被广泛使用。
历史
[编辑]一种早期的脉冲位置调制例子，是公元前350年由Aeneas Stymphalus所发明的希腊油压信号系统，主要是将水钟原理应用在时间信号上[3] ；这个系统使用相同的充水容器，其排水功能可以自由开关，同时有另一个漂浮的棒子标示著预先决定的编码代表着一些军事讯息。操作员会将这些容器放在山丘上使其在一定距离内可以互相被看见。如果要寄送讯息的话，操作员可以使用火把标示出排水功能的开始与结束，棒子上的记号代表着预定传输的讯息。
在现代，脉冲位置调制的起源可以追溯到1853年的电报时分复用（Time-Division Multiplexing）技术，并与脉冲编码调制（Pulse-code modulation）以及脉冲宽度调制（Pulse-width modulation）一同发展。[4] 在1960年代早期，美国国家航空航天局的Don Mathers and Doug Spreng将脉冲位置调制运用在无线电控制（Radio Control，R/C）系统上。至今，脉冲位置调制已经被广泛运用在各种应用上，其中包含了光纤通信、远太空通信、以及各类无线电控制系统上。
同步问题
[编辑]使用脉冲位置调制的一个关键困难点是，必须将接收端收到的每一个信号的开始的时间作适当的对齐，才能够确保所收到的信号能正确的排序，变成完整的讯息。差异脉冲位置调制便因此衍生而出，每一个脉冲相位在编码时，皆会考虑他前一个传输的信号，这样使得接收端只需要测量成功传输的信号收到时间彼此之间的差异，便能正确地对齐。此外，我们可以借由一些方式来限制两个邻近的信号错误的传递，所以在量测脉冲之间的延迟，若有错误只会影响到两个信号，而不会影响到这段讯息。
除了接收端接收信号的同步问题，脉冲位置调制有另外一个缺点就是本身对于具有频率选择性衰减的通道所造成的多路径干扰相当敏感，尤其是当接收端收到的每一个脉冲会包含其他通道脉冲所传来的回音。因为传送的信息将会依照到达时间做编码(不论是与前一个信号做比较，或者直接与一个共通的计时器比较)，因此如果没办法精确地校正脉冲相位对于传输脉冲的关系，通道间所造成的回音将会使得这项技术的运行变的极为困难。借由使用与雷达系统相同技术，依赖接收信号所抵达的时间以及同步方式，从接收信号中获得回音出现可能的范围，让多通道所造成的负面影响可以在脉冲位置调制系统中被减少。
非相干性侦测
[编辑]脉冲位置调制最主要的优点之一是他是一个 M-ary 的非相干性调制技术，这代表着接收端不需要使用锁相环去追踪载波的相位。这使得脉冲位置调制便成为光传输系统的潜力技术之一，因为光传输系统的相干性相位角调制与侦测是相当困难且昂贵的。常见可以取代脉冲位置调制且相似的其他方法只有 M-ary 频率偏移调制（M-ary Frequency Shift Keying），是脉冲位置调制在频域的对偶形式。
两个有相同带宽、平均能量跟传输速率的脉冲位置调制与M-ary频率偏移调制会在一个有高斯噪声(AWGN)的通道上有相同的表现。然而，若在频率选择性衰落（Frequency Selective Fading）以及频率平坦衰落（Frequency Flat Fading）的通道上，他们的表现就会大不相同。频率选择性衰落会产生严重干扰编码脉冲位置调制资料的回音，但对频率偏移调制只会选择性的影响某些编码资料。相反地，在频率平坦衰落通道对于频率偏移调制的干扰会多于脉冲位置调制，几乎所有的频率偏移在此通道上皆会因衰落的影响而受损，而由于脉冲位置调制的时间较短，故只会有少部分的编码资料受到损害。
另外，光传输系统通常比较少多通道干扰的问题，这也让脉冲位置调制是光传输系统适合使用的调制方式的原因之一。
在无线电频率（RF）通信上之应用
[编辑]在一个低能量且长波长（i.e.低频率）的窄频无线电频率通道上最主要会被平坦衰落所影响，因此脉冲位置调制会比频率偏移调制适合作为此种通道的调制方式。一种拥有这些特性常见的应用，是第一次在1960年早期，于高频区间（3M~30MHz）的顶端（最低至27MHz）至超高频区间（30M~300MHz）的底端（在30MHz至75MHz之间）使用，同时也是用于模型飞机、模型船与模型车的无线电控制(也被称作数字比例无线电控制)。脉冲位置调制被应用于这些系统中，每一个脉冲的座标位置代表着一个传输端控制器的角度位置，或一个二比特开关的可能状态。每个框架中的脉冲波数量与可使用且可控制的通道数量相同。针对这种应用使用脉冲位置调制的好处是，解码时所需要用到的电子零件非常简单，所以可以使得接收端/解码端的零件非常轻小(模型飞机本身也需要尽量轻)。为了模型无线电控制所做的伺服系统（Servomechanism）包含了一些需要将脉冲转换成马达位置的电子零件-这表示接收端必须要从接收到的无线信号的中频段（intermediate frequency）撷取一些信息，并从连续资料流中分离出不同通道的讯息，并将这些控制信号分别输入到每一个服务器。
脉冲位置调制在无线电控制上的编码
[编辑]一个完整的脉冲位置调制框架约22.5毫秒（这个数字会因为制造商不同而异），信号在状态低的时间约为0.3毫秒，并会有一个开始框架（状态高的时间超过22毫秒）。每一个通道（最多八个）会被在状态高的时间编码（状态高的时间+0.3乘以状态低的时间为伺服脉冲宽度调制之脉冲宽度）。更复杂的无线电控制系统现在通常是建立在脉冲编码调制（Pulse code Modulation）之上，虽然更加复杂但也能提供更好的稳定性跟可信赖性。在21世纪早期2.4GHz的跳频扩频无线电控制系统来临时才被改变。脉冲位置调制同时会被运用在ISO/IEC 15693非接触性智能卡的通信以及产品电子代码（Electronic Product Code）的在射频识别上的高频实作。
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ K. T. Wong. Narrowband PPM Semi-Blind Spatial-Rake Receiver & Co-Channel Interference Suppression (PDF). European Transactions on Telecommunications (The Hong Kong Polytechnic University). March 2007, 18 (2): 193–197 [2016-08-14]. doi:10.1002/ett.1147. （原始内容 (PDF)存档于2015-09-23）.
- ^ Yuichiro Fujiwara. Self-synchronizing pulse position modulation with error tolerance. IEEE Transactions on Information Theory. 2013, 59: 5352–5362. arXiv:1301.3369
. doi:10.1109/TIT.2013.2262094.
- ^ Michael Lahanas. Ancient Greek Communication Methods. （原始内容存档于2014-11-02）.
- ^ Ross Yeager & Kyle Pace. Copy of Communications Topic Presentation: Pulse Code Modulation. Prezi. [2016-08-14]. （原始内容存档于2019-06-12）.
