脉冲位置调制
脉波位置调变（英语：Pulse-position modulation，PPM）是一种调变讯号的方法，假如现在有M个位元的讯号，此种方法会将这M个位元的资料借由传递一个脉冲，此脉冲有2M不同的可能(借由将原资料做时间偏移所得)，[1][2] 此种调变每个＂T＂秒会重复一次，因此会使得传输速率变为＂M/T＂(位元/秒)。因为光通信系统中较少甚至没有多路径干扰的问题，所以脉波位置调变主要在光通信系统中被广泛使用。
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| 调变方式 | |||||||||||||||
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| 连续调变 | |||||||||||||||
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| 脉冲调变 | |||||||||||||||
| 模拟 | PAM · PDM · PPM | ||||||||||||||
| 数字 | PCM · PWM | ||||||||||||||
| 扩频 | |||||||||||||||
| CSS · DSSS · THSS · FHSS | |||||||||||||||
| 另见 | |||||||||||||||
| 调变 · 线路码 · 调制解调器 · ΔΣ调变 · OFDM · FDM | |||||||||||||||
历史 编辑
一种早期的脉波位置调变例子，是西元前350年由Aeneas Stymphalus所发明的希腊油压信号系统，主要是将水钟原理应用在时间讯号上[3] ；这个系统使用相同的充水容器，其排水功能可以自由开关，同时有另一个漂浮的棒子标示著预先决定的编码代表著一些军事讯息。操作员会将这些容器放在山丘上使其在一定距离内可以互相被看见。如果要寄送讯息的话，操作员可以使用火把标示出排水功能的开始与结束，棒子上的记号代表著预定传输的讯息。
在现代，脉波位置调变的起源可以追溯到1853年的电报分时多工（Time-Division Multiplexing）技术，并与脉冲编码调变（Pulse-code modulation）以及脉冲宽度调变（Pulse-width modulation）一同发展。[4] 在1960年代早期，美国太空总署的Don Mathers and Doug Spreng将脉波位置调变运用在无线电控制（Radio Control，R/C）系统上。至今，脉波位置调变已经被广泛运用在各种应用上，其中包含了光纤通讯、远太空通讯、以及各类无线电控制系统上。
同步问题 编辑
使用脉波位置调变的一个关键困难点是，必须将接收端收到的每一个讯号的开始的时间作适当的对齐，才能够确保所收到的讯号能正确的排序，变成完整的讯息。差异脉波位置调变便因此衍生而出，每一个脉冲相位在编码时，皆会考虑他前一个传输的讯号，这样使得接收端只需要测量成功传输的讯号收到时间彼此之间的差异，便能正确地对齐。此外，我们可以借由一些方式来限制两个邻近的讯号错误的传递，所以在量测脉冲之间的延迟，若有错误只会影响到两个讯号，而不会影响到这段讯息。
对多路径干扰的敏感性 编辑
除了接收端接收讯号的同步问题，脉波位置调变有另外一个缺点就是本身对于具有频率选择性衰减的通道所造成的多路径干扰相当敏感，尤其是当接收端收到的每一个脉冲会包含其他通道脉冲所传来的回音。因为传送的资讯将会依照到达时间做编码(不论是与前一个讯号做比较，或者直接与一个共通的计时器比较)，因此如果没办法精确地校正脉冲相位对于传输脉冲的关系，通道间所造成的回音将会使得这项技术的运行变的极为困难。借由使用与雷达系统相同技术，依赖接收讯号所抵达的时间以及同步方式，从接收讯号中获得回音出现可能的范围，让多通道所造成的负面影响可以在脉波位置调变系统中被减少。
非相干性侦测 编辑
脉波位置调变最主要的优点之一是他是一个 M-ary 的非相干性调变技术，这代表著接收端不需要使用锁相环去追踪载波的相位。这使得脉波位置调变便成为光传输系统的潜力技术之一，因为光传输系统的相干性相位角调变与侦测是相当困难且昂贵的。常见可以取代脉波位置调变且相似的其他方法只有 M-ary 频率偏移调变（M-ary Frequency Shift Keying），是脉波位置调变在频域的对偶形式。
脉波位置调变与M-ary频率偏移调变 编辑
两个有相同频宽、平均能量跟传输速率的脉波位置调变与M-ary频率偏移调变会在一个有高斯杂讯(AWGN)的通道上有相同的表现。然而，若在频率选择性衰落（Frequency Selective Fading）以及频率平坦衰落（Frequency Flat Fading）的通道上，他们的表现就会大不相同。频率选择性衰落会产生严重干扰编码脉波位置调变资料的回音，但对频率偏移调变只会选择性的影响某些编码资料。相反地，在频率平坦衰落通道对于频率偏移调变的干扰会多于脉波位置调变，几乎所有的频率偏移在此通道上皆会因衰落的影响而受损，而由于脉波位置调变的时间较短，故只会有少部分的编码资料受到损害。
另外，光传输系统通常比较少多通道干扰的问题，这也让脉波位置调变是光传输系统适合使用的调变方式的原因之一。
在无线电频率（RF）通信上之应用 编辑
在一个低能量且长波长（i.e.低频率）的窄频无线电频率通道上最主要会被平坦衰落所影响，因此脉波位置调变会比频率偏移调变适合作为此种通道的调变方式。一种拥有这些特性常见的应用，是第一次在1960年早期，于高频区间（3M~30MHz）的顶端（最低至27MHz）至超高频区间（30M~300MHz）的底端（在30MHz至75MHz之间）使用，同时也是用于模型飞机、模型船与模型车的无线电控制(也被称作数位比例无线电控制)。脉波位置调变被应用于这些系统中，每一个脉冲的座标位置代表著一个传输端控制器的角度位置，或一个二位元开关的可能状态。每个框架中的脉冲波数量与可使用且可控制的通道数量相同。针对这种应用使用脉波位置调变的好处是，解码时所需要用到的电子零件非常简单，所以可以使得接收端/解码端的零件非常轻小(模型飞机本身也需要尽量轻)。为了模型无线电控制所做的伺服系统（Servomechanism）包含了一些需要将脉冲转换成马达位置的电子零件-这表示接收端必须要从接收到的无线讯号的中频段（intermediate frequency）撷取一些资讯，并从连续资料流中分离出不同通道的讯息，并将这些控制讯号分别输入到每一个伺服器。
脉波位置调变在无线电控制上的编码 编辑
一个完整的脉波位置调变框架约22.5毫秒（这个数字会因为制造商不同而异），讯号在状态低的时间约为0.3毫秒，并会有一个开始框架（状态高的时间超过22毫秒）。每一个通道（最多八个）会被在状态高的时间编码（状态高的时间+0.3乘以状态低的时间为伺服脉冲宽度调变之脉冲宽度）。更复杂的无线电控制系统现在通常是建立在脉冲编码调变（Pulse code Modulation）之上，虽然更加复杂但也能提供更好的稳定性跟可信赖性。在21世纪早期2.4GHz的跳频扩频无线电控制系统来临时才被改变。脉波位置调变同时会被运用在ISO/IEC 15693非接触性智慧卡的通信以及产品电子代码（Electronic Product Code）的在射频识别上的高频实作。
参见 编辑
参考文献 编辑
- ^ K. T. Wong. Narrowband PPM Semi-Blind Spatial-Rake Receiver & Co-Channel Interference Suppression (PDF). European Transactions on Telecommunications (The Hong Kong Polytechnic University). March 2007, 18 (2): 193–197 [2016-08-14]. doi:10.1002/ett.1147. （原始内容 (PDF)存档于2015-09-23）.
- ^ Yuichiro Fujiwara. Self-synchronizing pulse position modulation with error tolerance. IEEE Transactions on Information Theory. 2013, 59: 5352–5362. arXiv:1301.3369
. doi:10.1109/TIT.2013.2262094.
- ^ Michael Lahanas. Ancient Greek Communication Methods. （原始内容存档于2014-11-02）.
- ^ Ross Yeager & Kyle Pace. Copy of Communications Topic Presentation: Pulse Code Modulation. Prezi. [2016-08-14]. （原始内容存档于2019-06-12）.
