การมอดูเลชั่นตำแหน่งพัลส์

การมอดูเลชั่นตำแหน่งพัลส์ ( PPM ) เป็นรูปแบบหนึ่งของการมอดูเลชั่น สัญญาณ ซึ่ง บิตข้อความ Mบิตจะถูกเข้ารหัสโดยการส่งพัลส์เดียวในช่วงเวลาที่ต้องการ^[¹^]^[²^]^[³^] ทำซ้ำทุกๆTวินาที ทำให้มีอัตราการส่งบิตเป็นบิตต่อวินาที โดยส่วนใหญ่มีประโยชน์สำหรับ ระบบ สื่อสารด้วยแสงซึ่งมักมีการรบกวน จากหลายเส้นทาง น้อยหรือไม่มีเลย $2^{M}$ $M/T$

ประวัติศาสตร์

การใช้การปรับตำแหน่งพัลส์ในสมัยโบราณคือระบบสัญญาณน้ำแบบไฮดรอลิกของกรีกที่คิดค้นโดย Aeneas Stymphalus เมื่อราว 350 ปีก่อนคริสตกาล ซึ่งใช้ หลักการของ นาฬิกาน้ำในการกำหนดเวลาสัญญาณ^{[ 4 ]}ในระบบนี้ การระบายน้ำทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์กำหนดเวลา และใช้คบเพลิงในการส่งสัญญาณพัลส์ ระบบนี้ใช้ภาชนะบรรจุน้ำที่เหมือนกันซึ่งสามารถเปิดและปิดการระบายน้ำได้ และลูกลอยที่มีแท่งที่ทำเครื่องหมายด้วยรหัสต่างๆ ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าซึ่งแสดงถึงข้อความทางทหาร ผู้ปฏิบัติงานจะวางภาชนะไว้บนเนินเขาเพื่อให้สามารถมองเห็นกันได้จากระยะไกล ในการส่งข้อความ ผู้ปฏิบัติงานจะใช้คบเพลิงเพื่อส่งสัญญาณเริ่มต้นและสิ้นสุดการระบายน้ำ และเครื่องหมายบนแท่งที่ติดอยู่กับลูกลอยจะบ่งบอกถึงข้อความ

ในยุคปัจจุบัน การมอดูเลชั่นตำแหน่งพัลส์มีต้นกำเนิดมาจากการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งเวลา ของโทรเลข ซึ่งย้อนกลับไปถึงปี 1853 และพัฒนาควบคู่ไปกับการมอดูเลชั่นรหัสพัลส์และการมอดูเลชั่นความกว้างพัลส์ [ ⁵^]^ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ดอน แมเธอร์สและดัก สเปร็งจากNASAได้คิดค้นการมอดูเลชั่นตำแหน่งพัลส์ที่ใช้ใน ระบบ ควบคุมวิทยุ (R/C) ปัจจุบัน PPM ถูกนำมาใช้ในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง การสื่อสารในอวกาศลึก และยังคงถูกใช้ในระบบ R/C ต่อไป

การซิงโครไนซ์

หนึ่งในความยากลำบากที่สำคัญของการนำเทคนิคนี้ไปใช้คือ ตัวรับสัญญาณต้องได้รับการซิงโครไนซ์อย่างถูกต้องเพื่อให้เวลาของนาฬิกาภายในตรงกับจุดเริ่มต้นของแต่ละสัญลักษณ์ ดังนั้นจึงมักใช้วิธีการแบบ ดิฟเฟอเรนเชียล ( Differential Pulse-Position Modulation ) โดยที่ตำแหน่งของแต่ละพัลส์จะถูกเข้ารหัสโดยสัมพันธ์กับพัลส์ก่อนหน้า ทำให้ตัวรับสัญญาณต้องวัดเฉพาะความแตกต่างของเวลาที่พัลส์มาถึงเท่านั้น นอกจากนี้ยังสามารถจำกัดการแพร่กระจายของข้อผิดพลาดไปยังสัญลักษณ์ที่อยู่ติดกันได้ เช่น ข้อผิดพลาดในการวัดความล่าช้าแบบดิฟเฟอเรนเชียลของพัลส์หนึ่งจะส่งผลกระทบต่อเพียงสองสัญลักษณ์เท่านั้น แทนที่จะส่งผลกระทบต่อการวัดทั้งหมดที่ตามมา

ความไวต่อการรบกวนจากหลายเส้นทาง

นอกเหนือจากปัญหาเกี่ยวกับการซิงโครไนซ์ของตัวรับแล้ว ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของ PPM คือความไวต่อการรบกวนจากสัญญาณหลายเส้นทางที่เกิดขึ้นในช่องสัญญาณที่มีการลดทอนแบบเลือกความถี่ ซึ่งสัญญาณของตัวรับจะมีเสียงสะท้อนหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งเสียงจากแต่ละพัลส์ที่ส่ง เนื่องจากข้อมูลถูกเข้ารหัสในเวลาที่มาถึง (ไม่ว่าจะแบบดิฟเฟอเรนเชียลหรือแบบสัมพันธ์กับนาฬิกาทั่วไป) การมีเสียงสะท้อนหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งเสียงอาจทำให้การกำหนดตำแหน่งพัลส์ที่ถูกต้องซึ่งสอดคล้องกับพัลส์ที่ส่งทำได้ยากมาก หรืออาจเป็นไปไม่ได้เลย การรบกวนจากสัญญาณหลายเส้นทางในระบบการปรับตำแหน่งพัลส์สามารถลดทอนได้ง่ายโดยใช้เทคนิคเดียวกันกับที่ใช้ในระบบเรดาร์ซึ่งอาศัยการซิงโครไนซ์และเวลาการมาถึงของพัลส์ที่ได้รับอย่างสมบูรณ์เพื่อหาตำแหน่งระยะทางในกรณีที่มีเสียงสะท้อน

การตรวจจับที่ไม่สอดคล้องกัน

ข้อดีหลักประการหนึ่งของ PPM คือเป็น เทคนิคการมอดูเลชั่นแบบ M -ary ที่สามารถนำไปใช้ได้โดยไม่เกิดความสอดคล้องกัน ทำให้ตัวรับไม่จำเป็นต้องใช้ลูปเฟสล็อก (PLL) เพื่อติดตามเฟสของคลื่นพาหะ จึงทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับระบบสื่อสารด้วยแสง ซึ่งการมอดูเลชั่นและการตรวจจับเฟสแบบสอดคล้องกันทำได้ยากและมีราคาแพงมาก เทคนิคการมอดูเลชั่นแบบ M -ary ที่ไม่เกิดความสอดคล้องกันอีกวิธีหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปคือ การเข้ารหัสแบบเปลี่ยนความถี่M -ary (M-FSK) ซึ่งเป็นเทคนิคคู่ขนานในโดเมนความถี่ของ PPM

PPM เทียบกับ M-FSK

ระบบ PPM และ M-FSK ที่มีแบนด์วิดท์ กำลังเฉลี่ย และอัตราการส่งข้อมูล M/T บิตต่อวินาทีเท่ากัน จะมีประสิทธิภาพเหมือนกันใน ช่อง สัญญาณรบกวนแบบเกาส์เซียนสีขาว (AWGN) อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของทั้งสองระบบจะแตกต่างกันอย่างมากเมื่อเปรียบเทียบ ช่อง สัญญาณเฟดแบบเลือกความถี่และแบบความถี่คงที่เฟดแบบเลือกความถี่จะสร้างเสียงสะท้อนที่รบกวนอย่างมากสำหรับค่าเวลา M ใดๆ ที่ใช้ในการเข้ารหัสข้อมูล PPM แต่จะรบกวนเฉพาะค่าความถี่ M ที่เป็นไปได้บางส่วนที่ใช้ในการเข้ารหัสข้อมูลสำหรับ M-FSK เท่านั้น ในทางกลับกัน เฟดแบบความถี่คงที่รบกวน M-FSK มากกว่า PPM เนื่องจากค่าความถี่ M ที่เป็นไปได้ทั้งหมดได้รับผลกระทบจากเฟด ในขณะที่ระยะเวลาสั้นของพัลส์ PPM หมายความว่ามีเพียงไม่กี่ค่าเวลา M เท่านั้นที่ได้รับผลกระทบจากเฟดอย่างรุนแรง

ระบบสื่อสารด้วยแสงมักมีการบิดเบือนจากสัญญาณหลายเส้นทางน้อย และ PPM เป็นรูปแบบการมอดูเลตที่ใช้งานได้จริงในหลายๆ แอปพลิเคชันดังกล่าว

การประยุกต์ใช้งานด้านการสื่อสารคลื่นวิทยุ

ช่องสัญญาณ RF (คลื่นความถี่วิทยุ) แบบแถบความถี่แคบที่มีกำลังต่ำและความยาวคลื่นยาว (เช่น ความถี่ต่ำ) ได้รับผลกระทบหลักจากปรากฏการณ์เฟดแบบราบเรียบ (flat fading ) และ PPM เหมาะสมกว่า M-FSK ในการใช้งานในสถานการณ์เหล่านี้ แอปพลิเคชันทั่วไปอย่างหนึ่งที่มีลักษณะช่องสัญญาณเหล่านี้ ซึ่งเริ่มใช้ครั้งแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1960 กับ ความถี่ HF ระดับสูง (ต่ำสุดที่ 27 MHz) ไปจนถึงความถี่ VHFระดับต่ำ(30 MHz ถึง 75 MHz สำหรับการใช้งาน RC ขึ้นอยู่กับสถานที่) คือการควบคุมวิทยุของเครื่องบินจำลองเรือ และรถยนต์ ซึ่งเดิมเรียกว่าการควบคุมวิทยุแบบ "ดิจิทัลสัดส่วน" (digital proportional radio control) PPM ถูกนำมาใช้ในระบบเหล่านี้ โดยตำแหน่งของแต่ละพัลส์แสดงถึงตำแหน่งเชิงมุมของการควบคุมแบบอนาล็อกบนเครื่องส่งสัญญาณ หรือสถานะที่เป็นไปได้ของสวิตช์ไบนารี จำนวนพัลส์ต่อเฟรมจะบอกจำนวนช่องสัญญาณที่ควบคุมได้ ข้อดีของการใช้ PPM สำหรับการใช้งานประเภทนี้คือ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นในการถอดรหัสสัญญาณนั้นเรียบง่ายมาก ซึ่งส่งผลให้ได้หน่วยรับ/ถอดรหัสที่มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา (เครื่องบินจำลองต้องการชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้) เซอร์โวที่ผลิตขึ้นสำหรับวิทยุควบคุมเครื่องบินจำลองนั้นมีวงจรอิเล็กทรอนิกส์บางส่วนที่จำเป็นในการแปลงพัลส์เป็นตำแหน่งของมอเตอร์อยู่แล้ว – ตัวรับสัญญาณจะต้องดึงข้อมูลจากสัญญาณวิทยุที่ได้รับผ่านส่วนความถี่กลาง ก่อน จากนั้นจึง แยกช่องสัญญาณแต่ละช่องออกจากกระแสข้อมูลแบบอนุกรม และส่งพัลส์ควบคุมไปยังเซอร์โวแต่ละตัว

การเข้ารหัส PPM สำหรับการควบคุมด้วยวิทยุ

เฟรม PPM ที่สมบูรณ์ใช้เวลาประมาณ 22.5 มิลลิวินาที (อาจแตกต่างกันไปตามการใช้งาน) และสถานะสัญญาณต่ำจะมีระยะเวลา 0.3 มิลลิวินาทีเสมอ โดยเริ่มต้นด้วยเฟรมเริ่มต้น (สถานะสูงนานกว่า 2 มิลลิวินาที) แต่ละช่องสัญญาณ (สูงสุด 8 ช่อง) จะถูกเข้ารหัสด้วยเวลาของสถานะสูงบวกกับสถานะต่ำ (สถานะสูงของ PPM + 0.3 = ความกว้างของพัลส์ PWM ของเซอร์โว )

ปัจจุบันระบบควบคุมวิทยุที่ซับซ้อนมากขึ้นมักใช้การมอดูเลชั่นแบบพัลส์โค้ดซึ่งมีความซับซ้อนกว่าแต่ให้ความยืดหยุ่นและความน่าเชื่อถือมากกว่า การเกิดขึ้นของ ระบบควบคุมวิทยุ FHSS ย่านความถี่ 2.4 GHz ในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 ได้เปลี่ยนแปลงสิ่งนี้ไปอีกขั้น

การมอดูเลชั่นตำแหน่งพัลส์ยังใช้สำหรับการสื่อสารกับสมาร์ทการ์ดแบบไร้สัมผัส ISO/IEC 15693 รวมถึงใน การใช้งาน HFของ โปรโตคอล Electronic Product Code (EPC) Class 1 สำหรับแท็ก RFID ด้วย

ดูเพิ่มเติม

[

[

[

[ 4 ]

5