Jak możliwa jest komunikacja ponad 24 GHz?

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?

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.).

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:

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:

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:

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)

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.