Zasada PPM: Informacja w Czasie

Modulacja Pozycji Impulsów (PPM) to technika modulacji cyfrowej, w której informacja jest kodowana w momencie czasowym lub pozycji impulsu sygnału. Wyobraź sobie perkusistę, który może uderzyć w bęben tylko raz na kilka sekund. Zamiast uderzać mocniej lub słabiej (jak w Modulacji Amplitudy) albo na dłużej lub krócej (jak w Modulacji Szerokości Impulsu), perkusista przekazuje wiadomość, zmieniając to, w którym dokładnie momencie w danym oknie czasowym następuje uderzenie. To jest esencja PPM.

W PPM wszystkie impulsy mają tę samą, stałą amplitudę i czas trwania. Jedynym parametrem, który ulega zmianie w celu reprezentacji danych, jest czas wysłania impulsu względem zsynchronizowanego punktu odniesienia.

Jak Działa PPM: Symbole i Szczeliny Czasowe

Proces kodowania w PPM opiera się na podziale czasu na dobrze zdefiniowane ramki i szczeliny:

1. Ramka Czasowa (T): Czas jest dzielony na ramki o stałym czasie trwania. Każda ramka jest przeznaczona do przesłania jednego symbolu.
2. Szczeliny Czasowe: Każda ramka jest dalej dzielona na określoną liczbę mniejszych, równych szczelin czasowych. Liczba dostępnych szczelin jest zdeterminowana przez liczbę bitów, jaką będzie reprezentował każdy symbol.
3. Kodowanie: Aby zakodować grupę $M$ bitów, system przesyła pojedynczy impuls w jednej z $2^M$ możliwych szczelin czasowych. Każda unikalna kombinacja bitów odpowiada unikalnej pozycji impulsu.

Przykład i Szybkość Transmisji

Załóżmy, że chcemy zakodować 2 bity na symbol ($M=2$). Daje to $2^2 = 4$ możliwe kombinacje bitów ('00', '01', '10', '11'). Ramka czasowa $T$ jest dzielona na 4 szczeliny czasowe. Mapowanie może wyglądać następująco:

• '00' → Impuls w szczelinie 1
• '01' → Impuls w szczelinie 2
• '10' → Impuls w szczelinie 3
• '11' → Impuls w szczelinie 4

Ponieważ $M$ bitów jest przesyłanych co $T$ sekund, przepływność bitową ($R_b$) oblicza się jako: $R_b = \frac{M}{T}$ bitów na sekundę.

Zalety i Wyzwania PPM

Zalety

• Wysoka Wydajność Energetyczna: Nadajnik jest albo wyłączony, albo wysyła impuls z pełną mocą. To sprawia, że jest bardzo energooszczędny, ponieważ energia nie jest marnowana na pośrednie poziomy amplitudy. Cała energia impulsu jest skoncentrowana w krótkim czasie.
• Doskonała Odporność na Szum: Ponieważ informacja nie jest zawarta w amplitudzie impulsu, odbiornik musi jedynie wykryć obecność impulsu w określonej szczelinie czasowej, a nie jego dokładny kształt czy moc. To czyni PPM bardzo odpornym na szum addytywny, który głównie wpływa na amplitudę.

Wady i Wyzwania

• Wymaga Precyzyjnej Synchronizacji: To jest główna wada PPM. Zegar odbiornika musi być idealnie zsynchronizowany z zegarem nadajnika, aby znać dokładny moment rozpoczęcia każdej ramki. Jakiekolwiek przesunięcie zegara spowoduje, że odbiornik będzie szukał impulsów w niewłaściwych szczelinach, co prowadzi do katastrofalnych błędów.
• Wysoka Wrażliwość na Wielodrogowość i Echa: W kanałach bezprzewodowych odbita kopia impulsu (echo) może dotrzeć do odbiornika później niż impuls bezpośredni. Odbiornik może pomylić to echo z prawidłowym impulsem wysłanym w późniejszej szczelinie, co prowadzi do całkowicie błędnej interpretacji danych. To sprawia, że PPM najlepiej nadaje się do kanałów z minimalnymi odbiciami, takich jak światłowody.
• Wymagane Szerokie Pasmo: Przesyłanie bardzo krótkich, ostrych impulsów wymaga znacznej szerokości pasma kanału. Im krótszy impuls, tym szersze jego widmo częstotliwości.

Zastosowania i Zaawansowany Wariant

Typowe Zastosowania

PPM jest szczególnie przydatne w systemach, gdzie wydajność energetyczna i odporność na szum są krytyczne, a dostępny jest czysty, kontrolowany kanał:

• Komunikacja Optyczna: Idealne dla podczerwieni (np. piloty do telewizora) i systemów światłowodowych, gdzie łatwo jest generować precyzyjne, krótkie impulsy światła, a wielodrogowość nie jest głównym problemem.
• Systemy Radiowe: Używane w niektórych zastosowaniach radiowych krótkiego zasięgu, takich jak identyfikacja radiowa (RFID) oraz w komunikacji ultraszerokopasmowej (UWB).

Zaawansowany Wariant: Różnicowa PPM (DPPM)

Aby częściowo przezwyciężyć rygorystyczny wymóg synchronizacji, można użyć różnicowej PPM. W DPPM informacja nie jest kodowana w absolutnej pozycji impulsu w ramce, ale w różnicy czasu między kolejnymi impulsami.

Chociaż czyni to system mniej wrażliwym na powolne dryfty zegara, wprowadza nowy problem: propagację błędu. Jeśli odbiornik nie wykryje poprawnie jednego impulsu, nie będzie w stanie określić punktu odniesienia dla następnego, co spowoduje kaskadę kolejnych błędów.

Interaktywna Demonstracja PPM