Jak możliwa jest komunikacja ponad 24 GHz?

15

Przeczytałem artykuł, który Google chce, aby amerykańskie spektrum bezprzewodowe dla Internetu opartego na balonach . Mówi się, że do komunikacji wykorzystuje widmo częstotliwości ponad 24 GHz.

Czy kiedykolwiek jest możliwe wygenerowanie tak wysokiej częstotliwości za pomocą kryształów piezoelektrycznych? A może używają mnożnika częstotliwości PLL ?

Nawet jeśli możliwe jest wygenerowanie tego sygnału wysokiej częstotliwości, a jeśli chcesz wysłać 1 bit na każdy okres sygnału, musi istnieć procesor działający znacznie szybciej niż 24 GHz. Jak to możliwe na balonie?

tcak
źródło
11
24GHz jest proponowanym RF carrier frequency, nie sygnałem bandwidthani bit rate. (Media informacyjne rzadko rozumieją szczegóły techniczne.) Artykuł dotyczy wniosku Google o zgodę organów nadzoru, co jest zaledwie pierwszym krokiem do legalnej działalności. Artykuł wydaje się nie wyszczególniać, jakiego rodzaju modulacji zamierzają użyć.
MarkU
Niektóre czujniki radarowe pracują z jeszcze wyższymi częstotliwościami przy 70 GHz, nie wiem, jak to robią (nie jestem inżynierem RF), więc przy jakiejś modulacji lub czymś, co powinno być w stanie komunikować się nawet w tym paśmie.
Arsenał
1
@Arsenal Zwykle jest to german lub krzem / german, które są używane w takich aplikacjach o wysokiej częstotliwości - nietrudno jest stworzyć małe układy, które działają dobrze w paśmie 10 GHz.
J ...
6
Warto wspomnieć, że chociaż nie myślimy o tym w tych kategoriach, światło widzialne wynosi np. 590 THz dla zieleni.
Random832
5
Um, zrobić sobie sprawę, że można zrobić modulacja amplitudy większości sygnałów między MHz i THz sygnału (Tera Hertz) z nic więcej, ale ręce, prawda? Jak w: machnij ręką przed anteną / falowodem / źródłem światła. Jeśli więc twoje nagie ciało jest w stanie to zrobić, nic dziwnego, że możesz to zrobić również przy odrobinie elektroniki :) To również uwypukla fakt, że nie potrzebujesz oscylacji mechanicznej, aby uzyskać częstotliwość odniesienia. Możesz mieć związane elektrony lub pojedyncze atomy lub cząsteczki oscylować!
Przywróć Monikę

Odpowiedzi:

31

Komunikacja RF nie przesyła jednego bitu informacji na cykl fali nośnej - byłaby to cyfrowa komunikacja w paśmie podstawowym i wymaga niewiarygodnej przepustowości. Nawiasem mówiąc, możesz kupić układy FPGA z wbudowanymi twardymi blokami Serdes 28 Gb / s. Mogą one serializować i deserializować dane dla sieci Ethernet 100G (4x25G + narzut kodowania). Przypuszczam, że „podstawowa” częstotliwość w tym przypadku wynosiłaby 14 GHz (szybkość danych / 2 - zastanów się, dlaczego tak jest!) I wymagają one około 200 MHz do 14 GHz przepustowości. Nie idą aż do DC ze względu na użycie kodu linii 64b66b. Częstotliwość wykorzystywana do sterowania modułami Serdes byłaby generowana przez pewnego rodzaju VCO, który jest fazowo zablokowany w krystalicznym oscylatorze odniesienia.

W świecie RF sygnał wiadomości jest modulowany na nośną, która jest następnie konwertowana w górę do wymaganej częstotliwości do transmisji z mikserami. Balony te mają prawdopodobnie pasmo podstawowe mniejsze niż 100 MHz, co oznacza, że ​​początkowo dane cyfrowe są modulowane na nośnej stosunkowo niskiej częstotliwości (częstotliwości pośredniej) wynoszącej około 100 MHz. Ta modulacja może być wykonana cyfrowo, a modulowany IF generowany przez szybki przetwornik cyfrowo-analogowy. Następnie częstotliwość ta jest tłumaczona do 24 GHz za pomocą oscylatora 23,9 GHz i miksera. Otrzymany sygnał będzie rozciągał się z 23,95 do 24,05 GHz, 100 MHz szerokości pasma.

Istnieje wiele sposobów budowy oscylatorów wysokiej częstotliwości w tym paśmie. Jedną z metod jest zbudowanie DRO, który jest oscylatorem rezonansowym dielektrycznym. Pomyśl o tym jak o obwodzie czołgu LC - będzie pewna częstotliwość, w której „rezonuje” i albo generuje bardzo wysoką, albo bardzo niską impedancję. Można również pomyśleć o tym jak o wąskim filtrze pasmowoprzepustowym. W DRO używa się dielektryka - zazwyczaj, jak sądzę, pewnego rodzaju ceramiki - który rezonuje z częstotliwością zainteresowania. Fizyczny rozmiar i kształt określają częstotliwość. Wszystko, co musisz zrobić, aby zmienić go w źródło częstotliwości, to dodać trochę wzmocnienia. Istnieją również sposoby użycia specjalnych diod, które wykazują opór ujemny. Dioda Gunna jest jednym z przykładów. Właściwe przesunięcie diody Gunna spowoduje, że oscyluje ona przy kilku GHz. Inną możliwością jest coś, co nazywa się oscylatorem YIG. YIG oznacza granat żelazny itru. Często buduje się filtry pasmowoprzepustowe, biorąc małą kulkę YIG i łącząc ją z parą linii transmisyjnych. Zdarza się, że YIG jest wrażliwy na pola magnetyczne, więc można dostroić lub zamiatać środkową częstotliwość filtra, zmieniając otaczające pole magnetyczne. Dodaj wzmacniacz, a otrzymasz przestrojony oscylator. Stosunkowo łatwo jest umieścić YIG w PLL. Moc YIG polega na tym, że można go wykorzystać do uzyskania bardzo szerokiego pasma gładkiego przemiatania, a zatem są one często stosowane w urządzeniach do testowania częstotliwości radiowych, takich jak analizatory widma i sieci oraz źródła zamiatania i CW o częstotliwości radiowej. Inną metodą jest po prostu użycie zestawu mnożników częstotliwości. Każdy element nieliniowy (taki jak dioda) będzie wytwarzał składowe częstotliwości przy wielokrotnościach częstotliwości wejściowej (2x, 3x, 4x, 5x itd.).

alex.forencich
źródło
4
Czy możesz przedstawić laika podsumowanie? Ta odpowiedź jest w 100% technobabble!
Lekkość ściga się z Moniką
4
@LightnessRacesinOrbit TL; DR : 1) Częstotliwość sygnalizacyjna 24 GHz nie oznacza 24 Gbaud; 2) RF 24GHz może być generowany przy użyciu znacznie niższego sygnału częstotliwości, który procesor może obsłużyć (np. 100 MHz bezpośrednio z szybkiego przetwornika DAC), stałego zasilania wysokiej częstotliwości i miksera (jak te 6-tranzystorowe superheterodyne radiowe); 3) Oscylator wielogighercowy jest teraz bardzo łatwy do zbudowania, z wieloma możliwymi sposobami.
Maxthon Chan,
@MaxthonChan: Miałem na myśli w odpowiedzi :)
Lekkość ściga się z Moniką
@LightnessRacesinOrbit To jest moja próba napisania streszczenia laika, dlatego poprzedziłem go „TL; DR” pogrubioną czcionką.
Maxthon Chan,
@ Max Tak, rozumiem i doceniam to. Sugeruję, aby wstawić go do odpowiedzi, ponieważ komentarze są przejściowe. Na zdrowie
Lekkość ściga się z Moniką
6

Oto moja próba laika streszczenia, na podstawie tej odpowiedzi .

Kiedy mówimy o komunikacji odbywającej się „przy 24 GHz”, mamy na myśli niewielki zakres częstotliwości. Aby sygnał „przy 24 GHz” nie deptał wszystkich sygnałów na wszystkich innych częstotliwościach, istnieje twardy limit, na ile sygnał może różnić się od fali sinusoidalnej 24 GHz .

Cały sens posiadania radia „zespół” jest to, że poprzez umieszczenie limitu na ile sygnał ten może się różnić w sinusoida, możliwe staje się tworzenie filtrów, które sygnały usuń, które różnią się zbytnio od swojej sinusoida, a tym samym ich powstrzymywania i utrzymywanie tylko sygnał, który Cię interesuje.

Na przykład tutaj jest losowy szum filtrowany tak, aby zawierał tylko częstotliwości między 190 Hz a 210 Hz:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Zauważ, że nie jest tak daleko od fali sinusoidalnej (200 Hz). Dla porównania, oto szum filtrowany tak, aby zawierał od 150 Hz do 250 Hz:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Zauważ, że różni się znacznie od idealnej fali sinusoidalnej. Teraz, jeśli weźmiesz falę sinusoidalną 24 GHz i zaczniesz dowolnie włączać i wyłączać jej bity, odbiornik nie zobaczy tego w sposób, w jaki ją wysyłasz , ponieważ arbitralne włączanie / wyłączanie bitów spowoduje, że sygnał spadnie poza zakres 24 GHz . Odbiornik odfiltruje częstotliwości spoza zakresu 24 GHz, zniekształcając w ten sposób sygnał. Podsumowując: jeśli modulujesz sygnał naiwnie poprzez włączanie i wyłączanie bitów, nie będzie działać z pomysłem filtrowania niepożądanych częstotliwości.

Przed filtrowaniem powyższy sygnał wyglądał następująco:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Pomyśl o tym jako o tym, co widzi odbiornik radiowy, zanim odfiltruje niepożądane częstotliwości. Myślę, że to rozsądne przybliżenie laika. Zauważ, że tutaj skala pozioma jest dokładnie taka sama jak na powyższych zdjęciach - wszystkie częstotliwości są wyższe niż 200-nieparzyste Hz. Występują również częstotliwości poniżej 200 Hz, ale nie są one widoczne gołym okiem.

(matematyka działa tak samo w skalach Hz lub GHz, więc nie zniechęcaj się)

Roman Starkov
źródło
Dla laika RF, takiego jak ja, jest to DOSKONAŁA odpowiedź. Jakie równanie (-a) opisują twardy limit?
Ben Simmons,
1
@BenSimmons twardy limit należy do projektanta RF do wyboru, a kompromisem jest to, ile widma częstotliwości Twój sygnał „zjada” i odbiera od innych zastosowań, w porównaniu do ilości informacji, które można nieść podany stosunek sygnału do szumu. Zobacz twierdzenie Shannona-Hartleya . Tak więc wysoka przepustowość oznacza, że ​​pozwalasz, aby sygnał bardzo różnił się od twojej fali sinusoidalnej 24 GHz, a niska przepustowość = mniejsze różnice są dozwolone.
Roman Starkov
Ciekawy. Czy moc hałasu jest wszędzie dość stała? Zastanawiam się tylko, jak decyduje się moc sygnału. Czy kiedykolwiek „dostosowuje się” do środowiska, na przykład czy zmienia się poziom hałasu?
Ben Simmons,
2
@ BenSimmons szum RF nie jest zdecydowanie stały; nadajniki wytwarzane przez człowieka wytwarzają duży hałas, ponieważ idealna transmisja jest niemożliwa, ale aktywność słoneczna itp. powoduje również zakłócenia RF. Niektóre szumy nie są odbierane, ale raczej dodawane przez wzmacniacze odbiornika itp. Uważam, że Wi-Fi a / b / g zwykle transmituje z maksymalną możliwą mocą, aby osiągnąć najlepszy stosunek sygnału do szumu, podczas gdy telefony komórkowe zmieniają moc nadawania w celu oszczędzania baterii (nie cytuj mnie w tym! ...). Wieże komórkowe, wieże telewizyjne itp. Są nadawane do wielu odbiorników i dlatego nie mogą tak naprawdę regulować mocy w oparciu o jakiekolwiek sprzężenie zwrotne.
Roman Starkov,
Wieża telefonu komórkowego steruje poziomem mocy transmisji telefonu, który jest stale aktualizowany w celu utrzymania stałego SNR. Nazywa się to „kontrolą mocy w zamkniętej pętli”. Jest to wymagane nie tylko w celu zminimalizowania zużycia energii, ale także w wyniku kodowania CDMA. Ponieważ stacja bazowa jest pojedynczą anteną, może używać kodów ortogonalnych, które nie zakłócają się wzajemnie. Jednak nie jest możliwe osiągnięcie wymaganej synchronizacji w celu użycia kodów ortogonalnych w inny sposób, więc sygnały telefonów komórkowych zakłócają się wzajemnie i moc transmisji musi być kontrolowana, aby to zminimalizować.
alex.forencich,
0

Radio FM nadaje na częstotliwości nośnej 98 MHz + -10 MHz, ale każda stacja ma tylko informacje o wartości około 200 kHz (zajęte pasmo). Podobnie, DirecTV transmituje na częstotliwości nośnej 14GHz, ale sygnał to prawdopodobnie tylko 10 lub 100 MHz zajmowanej szerokości pasma.

Przypuszczalnie Google chce wykorzystać pasmo 24 GHz do przesyłania sygnałów o znacznie mniejszej zajętej przepustowości. Ale jeśli ktoś chciałby faktycznie przesłać tak dużą przepustowość, można to zrobić za pomocą różnych technik modulacji z wykorzystaniem wielu nośnych.

Jeśli chodzi o rzeczywistą elektronikę, widziałem wcześniej MMIC 24 GHz. Zakładasz również, że potrzebny jest pojedynczy „procesor”. Możesz mieć 24 modemy 1 Gb / s ułożone w stos przy FDMA. Sieć Ethernet 100 Gb / s, do której Xilinx jest zdolny, jak omówiono powyżej, myślę, że używa równoległych interfejsów Quad GMII.

Widma EM są kontinuum, a wraz ze wzrostem częstotliwości ostatecznie przechodzisz z RF na optyczne. Istnieją systemy laserowej komunikacji liniowej w zasięgu wzroku.

Jotorious
źródło