Modulación de posición de pulso

Modulación de la posición del pulso ()PPM) es una forma de modulación de señal en la que M bits de mensaje están codificados por la transmisión de un solo pulso en uno de ${displaystyle 2^{M}$ posibles cambios de tiempo requeridos. Esto se repite cada uno T segundos, tal que la tasa de bits transmitida es ${displaystyle M/T}$ bits por segundo. Es fundamentalmente útil para sistemas de comunicaciones ópticas, que tienden a tener poca o ninguna interferencia multipática.

Historia

Un uso antiguo de la modulación de posición de pulso fue el sistema de semáforo hidráulico griego inventado por Eneas Estínfalo alrededor del año 350 a.C. que utilizó el principio del reloj de agua para las señales de tiempo. En este sistema, el drenaje de agua actúa como dispositivo de tiempo y se utilizan antorchas para señalar los pulsos. El sistema utilizaba contenedores llenos de agua idénticos cuyo desagüe se podía abrir y cerrar, y un flotador con una varilla marcada con varios códigos predeterminados que representaban mensajes militares. Los operadores colocarían los contenedores en colinas para que pudieran verse unos a otros a la distancia. Para enviar un mensaje, los operadores usarían antorchas para señalar el comienzo y el final del drenaje del agua, y la marca en la varilla adherida al flotador indicaría el mensaje.

En los tiempos modernos, la modulación de posición de pulso tiene su origen en la multiplexación por división de tiempo del telégrafo, que se remonta a 1853, y evolucionó junto con la modulación de código de pulso y la modulación de ancho de pulso. A principios de la década de 1960, Don Mathers y Doug Spreng de la NASA inventaron la modulación de posición de pulso utilizada en los sistemas de control de radio (R/C). PPM se está utilizando actualmente en comunicaciones de fibra óptica, comunicaciones de espacio profundo y continúa usándose en sistemas R/C.

Sincronización

Una de las principales dificultades de implementar 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 diferencialmente como modulación de posición de pulso diferencial, en la que cada posición de pulso se codifica en relación con la 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 de trayectos múltiples

Además de los problemas relacionados con la sincronización del receptor, la principal desventaja de PPM es que es intrínsecamente sensible a la interferencia de trayectos múltiples que surge en canales con desvanecimiento selectivo de frecuencia, donde 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 diferencialmente o en relación con un reloj común), la presencia de uno o más ecos puede hacer extremadamente difícil, si no imposible, determinar con precisión la posición correcta del pulso correspondiente al pulso transmitido. La multitrayectoria en los sistemas de modulación de posición de pulso se puede mitigar fácilmente usando las mismas técnicas que se usan en los sistemas de radar que se basan totalmente en 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 PPM es que es una técnica de modulación M-aria que puede implementarse de manera no coherente, de modo que el receptor no necesita usar un bucle de sincronización de fase (PLL) para rastrear la fase del portador. Esto lo convierte en un candidato adecuado para los sistemas de comunicaciones ópticas, donde la detección y modulación de fase coherente son difíciles y extremadamente costosas. La única otra técnica común de modulación no coherente M-aria es la modulación por desplazamiento de frecuencia M-aria (M-FSK), que es el dominio de frecuencia dual a PPM.

PPM frente a M-FSK

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

Los sistemas de comunicaciones ópticas tienden a tener distorsiones débiles de trayectos múltiples y PPM es un esquema de modulación viable en muchas de estas 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 el desvanecimiento plano, y PPM es más adecuado que M-FSK para usarse en estos escenarios. Una aplicación común con estas características de canal, que se usó 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 de VHF de gama baja (30 MHz a 75 MHz para uso RC dependiendo de la ubicación), es el control de radio de modelos de aviones, barcos y automóviles, originalmente conocido como "proporcional digital" radio control. En estos sistemas se emplea PPM, donde la posición de cada pulso representa la posición angular de un control analógico en el transmisor, o los posibles estados de un interruptor binario. El número de pulsos por cuadro da el número de canales controlables disponibles. La ventaja de usar PPM para este tipo de aplicación es que la electrónica requerida para decodificar la señal es extremadamente simple, lo que conduce a unidades receptoras/decodificadoras pequeñas y livianas (los modelos de aviones requieren piezas que sean lo más livianas posible). Los servos hechos 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 extraer primero la información de la señal de radio recibida a través de su sección de frecuencia intermedia y luego desmultiplexar los canales separados del flujo en serie., y alimenta los pulsos de control a cada servo.

Codificación PPM para radio control

Un marco PPM completo dura aproximadamente 22,5 ms (puede variar según la implementación) y el estado de señal baja siempre es de 0,3 ms. Comienza con un cuadro de inicio (estado alto durante más de 2 ms). Cada canal (hasta 8) está codificado por el tiempo del estado alto (PPM estado alto + (0,3 × PPM estado bajo) = ancho de pulso servo PWM).

Los sistemas de control de radio más sofisticados ahora se basan a menudo en la modulación de código de pulso, que es más compleja pero ofrece una mayor flexibilidad y confiabilidad. La llegada de los sistemas de radiocontrol 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 electrónico de producto (EPC) Clase 1 para etiquetas RFID.