Impulsi asukoha modulatsioon

PPM

Impulsi asukoha modulatsioon (inglise keeles pulse-position modulation, lühend PPM) on signaalitöötluses kasutatav signaali moduleerimise vorm, mille korral M signaalibitti kodeeritakse saatmiseks ühte impulssi, mille asukoha nihe on üks 2^M võimalikust. Saatmist korratakse iga T sekundi tagant nii, et saavutatav bitikiirus on M/T bitti sekundis. Sellist modulatsiooni viisi kasutatakse peamiselt optilistes suhtlusmeetodites, kuna neis peaaegu täielikult puudub mitme raja interferents. Lisaks on PPM levinud raadiosides ning mujal elektroonikas.

Ajalugu

PPM-i meenutavat kontseptsiooni kasutasid juba antiikkreeklased oma hüdrauliliste telegraafidega, mille leiutas Aeneas Stymphalus umbes aastal 350 eKr. Süsteem koosnes kahe otsenähtavusega mäe tippu paigutatud veega täidetud anumast, mida sai kraaniga sulgeda, ning tõrvikutest. Veeanuma peale olid eelnevalt määratud kõrgustele kirjutatud eelnevalt määratud sõnumid. Info edastamiseks tõstis saatja pool läidetud tõrviku. Seda nähes tõstis vastuvõttev pool oma tõrviku. Olles sedasi end sünkrooninud, avati korraga veekraanid anumatel. Kui saatev pool tõrviku seejärel langetas, suleti veekraanid ja vastuvõttev pool sai veetaseme järgi anumalt välja lugeda, millist sõnumit parajasti edastati.

Tänapäevase PPM-i alged on aga elektriliste telegraafisüsteemide aegmultipleksimises, mille juured ulatuvad aastasse 1853, ja mis arenes kõrvuti pulsskood- ja pulsi laiuse modulatsiooniga. Raadiosides kasutamiseks mõtlesid PPM-i välja NASA insenerid Don Mathers ja Doug Spreng 1960. aastate algul. Tänapäeval on PPM kasutusel kiudoptilistes lahendustes, süvakosmoses suhtlemiseks ning endiselt kaugjuhitavates mudelites.

Probleemkohad

Sünkroonimine

Üks PPM-i kasutamisel esinevaid murekohti on vajadus vastuvõtva seadme lokaalne kell sünkroonida täpselt saadetava sümboli algusega, et saada usaldusväärsed lugemid. Selle lahendamiseks on PPM sageli implementeeritud diferentsiaalse modulatsioonina, kus iga impulss on kodeeritud sõltuvalt eelmisest. Sel juhul peab vastuvõttev pool mõõtma ainult kahe järjestikuse impulsi saabumise ajavahet, mitte absoluutset ajavahet saatmise algushetkega. Vigade levimine on võimalik piirata kahele järjestikusele sümbolile, nii et mõõteviga ei mõjuta kõiki tulevasi sümboleid.

Tundlikkus mitme raja interferentsi suhtes

Suurimaks PPM-i murekohaks peetakse tundlikkust mitme raja interferentsi suhtes, mis tekib valikulise sumbumisega edastuskanalites, mille korral vastuvõetud signaal sisaldab ühte või mitut kaja iga saadetud impulsi kohta. Kuna informatsioon kodeeritakse saabumise järjekorras kas diferentsiaalselt, või suhteliselt mingist ühisest kellasignaalist, siis kajakomponentide esinemine muudab õige impulsi asukoha määramise peaaegu võimatuks. Mitme raja interferentsi saab parandada, kasutades samu tehnoloogiaid nagu radarisüsteemides.

Mittekoherentne tuvastamine

PPM-i üheks suurimaks eeliseks on asjaolu, et see on M-bitiline modulatsioon, mida saab implementeerida mittekoherentselt, nii et vastuvõtja ei pea saatja signaali faasi jälgimiseks kasutama faasilukustusega tsükleid. See teeb PPM-i sobilikuks optiliste süsteemide jaoks, kus faasimodulatsioon ja -tuvastamine on keerulised ja kallid. Ainus teine M-bitiline mittekoherentne modulatsioon on M-bitiline sagedusnihet kasutav M-FSK, mis on PPM-i paariline sagedusdomeenis.

Kasutus raadiosides

PPM on raadiosides peamiselt kasutusel mudelautode, -laevade, -lennukite jms puldiga kaugjuhtimisel – varem tunti seda tehnoloogiat nimetusega "digitaalne proportsionaalne raadiojuhtimine". PPM on neis süsteemides kasutusel kujul, kus iga impulsi asukoht vastab mingi kangi kindlale asendile kaugjuhtimispuldil või lüliti olekule sellel. Impulsside arv igas saadetavas kaadris määrab ära kasutamiseks olevate kanalite arvu. PPM-i suurimaks eeliseks raadiosides on asjaolu, et selle dekodeerimiseks vajaminev elektroonika on ülilihtne, ja nii on võimalik valmistada odavamaid seadmeid. Lisaks ei kaalu need eriti palju, mis on eriti oluline mudellennunduses. Mudelisminduses kasutatakse metoodikat, kus raadiost vastuvõtjani jõuab PPM-signaal, ning vastuvõttev elektroonika teisendab selle PWM-signaaliks, kuna servomootoritel on sisseehitatud elektroonika, mille abil sellisest PWM signaalist tõlgendada mootori asukoht. Selliseks kasutuseks peab vastuvõtja esmalt raadiosignaalist vajaliku sageduse pealt informatsiooni eraldama ja sellest infojadast demultiplekseerima eraldi kanalid, muutma need PWM-iks ja siis PWM väljundid mootorite sisenditeks edastama.

PPM-i kodeerimine raadiosides kasutamiseks

Ühe terve PPM signaali kaadri pikkus on üldjuhul 22,5 ms (võib sõltuvalt tootjast varieeruda). Signaali madal oleku pikkus on alati 0,3 ms. Täiskaader algab alati nn startkaadriga - kõrge olek üle 2 ms. Iga kanal (kuni 8) kodeeritakse signaali kõrge oleku järgi valemiga PPM kõrge olek + 0.3 * PPM madal olek = Servo PPM impulsi laius.

Arenenumad raadiosidesüsteemid kasutavad tänapäeval impulsskoodi modulatsiooni, mis on keerulisem, kuid pakub suuremat usaldusväärsust ja paindlikkust. 2.4 GHz sagedusel töötava FHSS raadioside süsteemide tulek 21 sajandi algul muutis seda veelgi.

Lisaks mudelismindusele on PPM kasutusel ka ISO/IEC 15693 standardit järgivates kontaktivabades kaartides ja kõrgsageduslikes RFID-kaartides.