펄스 위치 변조

Pulse-position modulation

PPM(Pulse-Position Modulation, PPM)은 2 가능한 시간 이동 중 하나로 단일 펄스를 전송하여 M 메시지 비트를 인코딩하는 신호 변조 형태다.[1][2] 전송된 비트 전송률이 초당 비트인 것처럼 T초마다 반복된다. 주로 다중 경로 간섭이 거의 없거나 없는 경향이 있는 광통신 시스템에 유용하다.

역사

고대 맥박 위치 변조의 사용은 기원전 350년경 아이네이아스 스티름팔루스에 의해 발명된 그리스 유압 세마포어 시스템으로, 수시계의 원리를 시간 신호에 사용했다.[3] 이 시스템에서는 물의 배수가 타이밍 장치 역할을 하며, 횃불을 사용하여 펄스를 신호한다. 이 시스템은 배수구를 켜고 끌 수 있는 물을 가득 채운 동일한 컨테이너와 군사 메시지를 나타내는 다양한 미리 정해진 코드가 표시된 막대가 달린 부유물을 사용했다. 작업자들은 컨테이너를 언덕 위에 놓아 멀리 떨어진 곳에서 서로 볼 수 있도록 했다. 메시지를 보내기 위해, 운영자들은 횃불을 사용하여 물 배수의 시작과 끝을 신호할 것이고, 플로트에 부착된 막대의 표시는 메시지를 나타낼 것이다.

현대에 와서 펄스 위치 변조는 1853년으로 거슬러 올라가는 전신 시분할 다중화에 기원을 두고 있으며, 펄스 코드 변조 및 펄스 폭 변조와 함께 진화하였다.[4] 1960년대 초 NASA의 돈 매더스와 더그 스렝은 무선 제어(R/C) 시스템에 사용되는 펄스 위치 변조를 발명했다. PPM은 현재 광섬유 통신, 심우주 통신에 사용되고 있으며, R/C 시스템에서는 계속 사용되고 있다.

동기화

이 기법을 구현하는 데 있어 중요한 어려움 중 하나는 수신기가 각 기호의 시작과 로컬 시계를 정렬하기 위해 적절하게 동기화되어야 한다는 것이다. 따라서 그것은 종종 차동 펄스 위치 변조로서 차등적으로 구현되는데, 이때 각 펄스 위치는 이전과 비교하여 인코딩되므로 수신기는 연속적인 펄스 도착 시간의 차이만 측정해야 한다. 오차의 전파를 인접 기호로 제한할 수 있으므로, 한 펄스의 미분 지연을 측정하는 오류는 모든 연속적인 측정에 영향을 미치지 않고 두 기호에만 영향을 미칠 수 있다.

다중 경로 간섭에 대한 민감도

수신기 동기화와 관련된 문제를 제외하고, PPM의 주요 단점은 주파수 선택적 페이딩이 있는 채널에서 발생하는 다중 경로 간섭에 본질적으로 민감하며, 수신기의 신호에는 전송된 각 펄스의 메아리가 하나 이상 포함되어 있다는 것이다. 정보는 도착 시간(미분 또는 공통 클럭에 상대적)에 암호화되므로, 하나 이상의 메아리가 존재하면 전송된 펄스에 해당하는 정확한 펄스 위치를 정확하게 결정하는 것이 불가능하지는 않더라도 극히 어려울 수 있다. 펄스 위치 변조 시스템의 다중 경로는 수신된 펄스의 동기화 및 도착 시간에 전적으로 의존하는 레이더 시스템에서 사용되는 기법과 동일한 기법을 사용하여 메아리가 있는 상태에서 범위 위치를 확보함으로써 쉽게 완화될 수 있다.

일관성 없는 탐지

PPM의 주요 장점 중 하나는 수신기가 캐리어의 위상을 추적하기 위해 위상 잠금 루프(PL)를 사용할 필요가 없을 정도로 일관성 없이 구현할 수 있는 M-ary 변조 기법이라는 점이다. 이를 통해 일관성 있는 위상 변조 및 검출이 어렵고 비용이 매우 많이 드는 광통신 시스템에 적합한 후보군이 될 수 있다. 다른 유일한 일반적인 M-ary 비일관 변조 기법은 M-ary 주파수 편이 변조(M-FSK)이며, 이는 PPM에 대한 주파수 영역 이중이다.

PPM 대 M-FSK

초당 M/T 비트의 대역폭, 평균 전력 및 전송 속도가 동일한 PPM 및 M-FSK 시스템은 가우스 노이즈(AWGN) 채널에서 동일한 성능을 가진다. 그러나 주파수 선택적 채널과 주파수 플래트 페이딩 채널을 비교할 때 성능은 크게 다르다. 주파수 선택적 페이딩은 PPM 데이터를 인코딩하는 데 사용되는 M 시간 변동에 대해 매우 파괴적인 메아리를 생성하는 반면, M-FSK 데이터를 인코딩하는 데 사용되는 M 가능한 주파수 변동의 일부만 선택적으로 교란시킨다. 반면 주파수 플래트 페이딩은 PPM보다 M-FSK의 경우 가능한 주파수 변동의 모든 M이 페이딩에 의해 손상되는 반면 PPM 펄스의 지속 시간이 짧다는 것은 M 시간 변동의 일부만 페이딩에 의해 심하게 손상되는 것을 의미하기 때문이다.

광통신 시스템은 약한 다중경로 왜곡을 보이는 경향이 있으며, PPM은 그러한 많은 애플리케이션에서 실행 가능한 변조 체계다.

RF 통신 애플리케이션

저전력 및 긴 파장(즉, 저주파)을 가진 협대역 RF(무선 주파수) 채널은 주로 플랫 페이딩에 의해 영향을 받으며, 이러한 시나리오에 사용되는 M-FSK보다 PPM이 더 적합하다. 이러한 채널 특성을 가진 공통적인 애플리케이션 중 하나는 1960년대 초반에 로우엔드 VHF 대역 주파수(장소에 따라 RC 사용을 위해 30MHz~75MHz)로 최상위 HF(낮은 27MHz) 주파수로 처음 사용되었으며, 원래 "디지털 비례" 무선 제어로 알려진 모델 항공기, 보트 및 자동차의 무선 제어다. PPM은 송신기에서 아날로그 제어의 각도 위치 또는 바이너리 스위치의 가능한 상태를 나타내는 각 펄스의 위치를 사용하여 이러한 시스템에 사용된다. 프레임당 펄스 수는 제어 가능한 채널 수를 제공한다. 이러한 유형의 응용에 PPM을 사용할 경우의 이점은 신호를 해독하는 데 필요한 전자 장치가 매우 간단하여 소형 경량 수신기/데코더 유닛(모델 항공기는 가능한 한 가벼운 부품을 필요로 한다)으로 이어진다는 것이다. 모델 무선 제어를 위해 만들어진 서보에는 펄스를 모터 위치로 변환하는 데 필요한 전자 장치가 포함되어 있다. 수신기는 먼저 중간 주파수 섹션을 통해 수신된 무선 신호에서 정보를 추출한 다음 시리얼 스트림에서 별도의 채널을 디멀티플렉스하고 제어 펄스를 에 공급해야 한다. 각 서보

무선 제어를 위한 PPM 인코딩

전체 PPM 프레임은 약 22.5ms(제조업체마다 다를 수 있음)이며 신호 로우 상태는 항상 0.3ms이다. 시작 프레임(2ms 이상 높은 상태)으로 시작한다. 각 채널(최대 8)은 하이 상태의 시간(PPM 하이 상태 + 0.3 × (PPM 로우 상태) = 서보 PWM 펄스 폭)에 의해 인코딩된다.

보다 정교한 무선 제어 시스템은 이제 더 복잡하지만 더 큰 유연성과 신뢰성을 제공하는 펄스 코드 변조를 기반으로 하는 경우가 많다. 21세기 초 2.4GHz 대역 FHSS 무선 제어 시스템의 등장은 이것을 더욱 변화시켰다.

펄스 위치 변조는 RFID 태그에 대한 EPC(전자제품 코드) 클래스 1 프로토콜의 HF 구현뿐만 아니라 ISO/IEC 15693 비접촉식 스마트 카드와의 통신에도 사용된다.

참고 항목

참조

  1. ^ K. T. Wong (March 2007). "Narrowband PPM Semi-Blind Spatial-Rake Receiver & Co-Channel Interference Suppression" (PDF). European Transactions on Telecommunications. The Hong Kong Polytechnic University. 18 (2): 193–197. doi:10.1002/ett.1147. Archived from the original (PDF) on 2015-09-23. Retrieved 2013-09-26.
  2. ^ Yuichiro Fujiwara (2013). "Self-synchronizing pulse position modulation with error tolerance". IEEE Transactions on Information Theory. 59: 5352–5362. arXiv:1301.3369. doi:10.1109/TIT.2013.2262094.
  3. ^ Michael Lahanas. "Ancient Greek Communication Methods". Archived from the original on 2014-11-02.
  4. ^ Ross Yeager & Kyle Pace. "Copy of Communications Topic Presentation: Pulse Code Modulation". Prezi.