Czy komunikacja bezprzewodowa może być synchroniczna?

Rozumiem, że w komunikacji synchronicznej nadawca i odbiorca potrzebują wspólnego zegara. Czy jest możliwe, aby komunikacja bezprzewodowa była synchroniczna? Czy może być jakiś wspólny element taktowania?

Tak. Przynajmniej trochę.

Ponieważ pochodzisz z przewodowego tła, zbuduję analogię z tego miejsca:

Tam, gdzie UART działa tylko dlatego, że zegary odbiornika i nadajnika są na tyle podobne, że w przypadku krótkiej serii bitów nie rozchodzą się, to samo dotyczy bezprzewodowej komunikacji cyfrowej.

Jeśli twoja szybkość symboli jest wystarczająco niska, a odbiornik dokładnie zna szybkość symboli, której używa nadajnik, wówczas odbiornik może wyodrębnić symbole bez uprzedniej logiki w celu przywrócenia zegara .

W wysokim tempie, systemy mobilne i strumieniowe, ogólnie, to nie można założyć: żadne dwa oscylatory w tym wszechświecie są dokładnie takie same, a co za tym idzie, kiedy transmitować wiele symboli, należy dokonać bardzo pewny, że odbiornik ma takie same próbkuj zegar jako nadajnik.

Teraz, jeśli próbujesz przenieść ekwiwalent SPI do domeny bezprzewodowej:

• Sygnał danych
• Sygnał zegara fali prostokątnej

zauważysz, że sygnał zegara fali prostokątnej ma naprawdę zły kształt widmowy - ma nieskończoną szerokość pasma, a nawet jeśli zaakceptujesz pewne „zaokrąglanie” na krawędziach, nadal potrzebujesz około 5 do 7 razy więcej niż rzeczywista szerokość pasma sygnału danych do transportu fali prostokątnej.

Dlatego na ogół tak się nie dzieje.

Jestem pewien, że wcześniejsze bezprzewodowe urządzenia komunikacyjne miały jakąś dodatkową nośną, która została wykorzystana do wyprowadzenia zegara symbolu, ale nie widziałem tego w żadnych współczesnych standardach.

Możesz albo przejść, jak to nazwałbym (a to właśnie wymyśliłem), trasę „zsynchronizowaną asynchronicznie”:

• wysłać preambułę znanego sygnału, który pozwala odbiornikowi oszacować własną szybkość względem prędkości nadajnika i po prostu pracować stamtąd przez czas trwania serii

lub „pętla kontroli ciągłego odzyskiwania zegara”.

Drugi jest naprawdę zrobiony na wiele różnych sposobów, w zależności od systemu, na który patrzysz i od tego, jak skomplikowani projektanci mogą sobie pozwolić na wykonanie odbiornika.

Jednym z bardzo typowych schematów jest to, że zdajesz sobie sprawę, że cała komunikacja cyfrowa ma w zasadzie charakter impulsowy .

Bez czasu, aby w pełni się w to zaangażować: Naprawdę nie można wysyłać nieskończenie krótkich impulsów o amplitudzie +1, -1, -1, +1, -1, +1 ... kanałem o skończonej przepustowości.

Dlatego stosujesz kształt impulsu, który służy do wygładzania przejścia między nimi; Chodzi o to, że nadal, w dokładnych czasach symboli, wartości są dokładnie symbolami, które chcesz wysłać, ale pomiędzy nimi jest płynna, ograniczona przepustowość wymiana.

Już to rozpoznasz, jeśli pracujesz z przewodowymi autobusami: znasz schemat oka . Dokładny ten sam schemat jest używany w komunikacji bezprzewodowej, jednak zazwyczaj dla dobrej krótkoterminowej komunikacji przewodowej można oczekiwać, że oko będzie prawie kwadratowe, podczas gdy kształtowanie impulsu o okrągłym kształcie jest celowe (aczkolwiek konieczne) od samego początku w komunikacji bezprzewodowej.

To bardzo geometrycznie implikuje, że dokładnie we właściwym czasie „kształt” sygnału ma ekstrema, tj. Miejsca, w których pochodna wynosi 0.

Możesz teraz zbudować mechanizm, który patrzy na nachylenie sygnału w czasach, w których zakładasz, że twój czas to symbol. Jeśli to nachylenie jest ujemne, och, spóźnimy się, lepiej próbkuj trochę wcześniej, jeśli jest dodatnie, próbkuj trochę później. Zauważ, że nie dotyczy to wszystkich przejść symboli (przejścia tego samego symbolu zwykle nie mają maksymalnej amplitudy we właściwym czasie próbkowania), ale zwykle tak jest w przypadku większości przejść.

Wykonaj kilka minimalnych statystyk, a możesz to dostosować do błędu (małej) szybkości symbolu.

Tak więc, nasi komunikatorzy bezprzewodowi inwestują przepustowość, którą moglibyśmy wykorzystać do przesyłania informacji (za co płacimy) w celu synchronizacji szybkości transmisji symboli. Nie jest to bezpośredni odpowiednik „synchronicznej magistrali” w świecie przewodowym, ponieważ oprócz kilku szczególnie dziwnych systemów, które na pewno istnieją (drogi czytelniku, jeśli znasz, daj mi znać w komentarzach), będziemy pamiętaj, aby uniknąć posiadania osobnego nośnika zegara symbolu. Ale to w zasadzie ten sam pomysł: mieć sposób na popchnięcie informacji o tym, kiedy symbole powinny być próbkowane do odbiornika.

Rozumiem, że w komunikacji synchronicznej nadawca i odbiorca potrzebują wspólnego zegara. Czy jest możliwe, aby komunikacja bezprzewodowa była synchroniczna? Czy może być jakiś wspólny element taktowania?

W zwykłych połączeniach kablowych można uzyskać wspólny zegar bez uciekania się do stosowania oddzielnego drutu zegarowego. Mam tu na myśli kodowanie Manchesteru: -

Dane i zegar są łączone z bramką Exclusive-OR w celu wytworzenia pojedynczego sygnału, który można dekodować bez uciekania się do osobnego przewodu zegarowego. Jest to sygnał, który przenosi jednocześnie informacje o zegarze i dane.

Biorąc pod uwagę, że jest to teraz pojedynczy (połączony) sygnał, bardzo dobrze nadaje się do transmisji w postaci fali radiowej (z odpowiednimi technikami modulacji).

GSM używa dokładnie dostosowanych (dostosowywanych w czasie rzeczywistym, w każdym zestawie słuchawkowym) oscylatorów 13 MHz, aby uniknąć przesunięcia czasu rozpoczęcia i zakończenia pakietów głosu / danych GSM.

Dlatego GSM nie musi się martwić kolizją pakietów i spróbować ponownie.

======= dotyczące telemetrii z badań rakiet / rakiet

NASA i jej organizacje prekursorowe opracowały różne metody „kodowania”, z definicjami znormalizowanymi w ramach IRIG Inter Range Instrumentation Group. Niektóre z tych wzorców mają długie serie 111111 lub 000000000, bez informacji o taktowaniu, a naziemne pętle synchronizacji fazowej dobrze odzyskują dane ---- bez równoległego kanału radiowego / bezprzewodowego wymaganego dla zegarów; pomiędzy pociskiem a anteną naziemną występuje bardzo niewielki jitter synchronizacji. Aby obsłużyć setki czujników pocisku, wszystkie zmultipleksowane w szeregowy strumień danych, specjalny wzór SYNCH_WORD jest wstawiany po ramce.

Aby działać, takie łącze w dół ma takie zachowanie

1) zmieść spodziewany zakres częstotliwości, który będzie obejmował nieuniknione przesunięcia Dopplera, podczas testowania każdej nośnej RF pod kątem identyfikowania wzorców (oczekiwana przepływność)

2) po znalezieniu właściwej przepływności należy kontynuować blokowanie fazy w przejściach bitów; jest to w większości przypadków powolne, ponieważ PLL ma szerokość pasma WĄSKIEGO, aby uniknąć łatwego przerywania blokady fazy z powodu impulsów szumowych; lub początkową blokadę można wykonać szerokopasmowo, a następnie szerokość pasma pętli zostaje mocno zaciśnięta, aż przesunięcia Dopplera są ledwo dostosowane (to śledzenie Dopplera może wymagać pętli sterowania wyższego rzędu)

3) gdy mamy blokadę bitów, system telemetrii musi znaleźć „początek ramki”, aby dane pierwszego czujnika i dane drugiego czujnika itp. Mogły zostać poprawnie wyodrębnione ze strumienia bitów szeregowych; może to chwilę potrwać, ponieważ system telemetryczny MUSI BYĆ PEWNY, a zatem w kółko testuje strumień bitów pod kątem oczekiwanego SPECJALNEGO wzorca bitów. Nieprawidłowa blokada ramki oznacza, że ​​wszystkie dane są bezużyteczne.

Zwróć uwagę na różne podejścia „synchroniczne”:

a) system telemetryczny wybiera właściwy kanał RF

b) system telemetrii blokuje się, a tym samym synchronizuje z przepływnością

c) system telemetrii blokuje się, synchronizując w ten sposób początek ramki

Gdy sonda PLUTO transmitowała dane na ziemię, po przejściu PLUTO i pobraniu wielu zdjęć i innych danych czujnika, szybkość transmisji łącza w dół wynosiła około 100 bitów na sekundę, z nośną RF w zakresie 8 GHz.

Gdy ziemia się obracała, 3 anteny NASA DeepSpace o długości 70 metrów przeszły przez ten proces „akwizycji”, a następnie otrzymały ten 100-bitowy strumień danych przez następne 8 godzin, wszystkie zachodzące synchronicznie.

Systemy NASA zostały zablokowane: RF, bit, ramka.

============= historia ================

Dlaczego zdefiniowano IRIG? ponieważ telemetria FM potrzebuje około 20-25 dB SignalNoiseRatio, aby czyste dane mogły być drukowane na tych rejestratorach wykresów.

Podczas gdy dane cyfrowe (nawet bez korekcji błędów) działają dobrze przy 10dB (lub 7dB, w zależności od sposobu zdefiniowania przepustowości) SNR. Przy około 0,1% poziomie błędu.

Dzięki skończonej mocy nadajnika RF w testowanym pocisku, projekty kosmiczne dosłownie nie mogły uzyskać telemetrii z pocisków, które opuściły atmosferę, chyba że użyto tylko kilku czujników SLOW. Gorszący.

Zmniejszając SNR z 27dB do 7dB, co stanowi różnicę 20dB, i biorąc pod uwagę efekt rozproszenia energii RF w zakresie ^ 2, firmy z branży lotniczej nagle miały 10-krotnie większy zasięg, nawet bez poprawnego wykrywania błędów.

Znaczenie telemetrii: Sowieci zastosowali 320 000 czujników podczas ostatniego (wciąż eksplodującego!) Uruchomienia N1. Wcześniejsze 3 uruchomiono tylko 700 czujników.

Tak, odbywa się to poprzez połączenie zegara i sygnału danych ładunku w jednym (bezprzewodowym) kanale.

Przykładami są kod Manchester lub modulacja pozycji tętna . W obu przypadkach (rozpoczęcie) odzyskiwanie zegara po stronie odbiornika (np. Przez synchronizację PLL) jest często uproszczone przez zastosowanie odrębnej preambuły w nagłówku ramki danych.

Jedną z aplikacji, w których stosuje się na przykład bezprzewodowy PPM, jest radar wtórnego nadzoru (ADS-B itp . ) . Tutaj
pokazano oscylogram ramki ADS-B .

Zwykle systemy, które odzyskują zegar z jednego kanału, nazywane są „asynchronicznymi”, podobnie jak UART, podczas gdy systemy „synchroniczne” wymagają wielu kanałów. Nie zgadzam się więc z twierdzeniami, że stosowanie kodowania Manchester lub podobnego jest „synchroniczne”.

W systemach radiowych, nawet jeśli korzystasz z wielu kanałów, trudno jest zapewnić, aby sygnały docierały w tym samym czasie, a nawet z niezawodnym przekrzywieniem, ponieważ mogą występować efekty dyfrakcyjne lub wielościeżkowe. Efekt Dopplera może również wypaczyć twoje wyniki.

Systemy GSM są oparte na szczelinie czasowej (TDMA), ale o ile rozumiem, zegar centralny służy tylko do kontrolowania, który sprzęt mobilny może transmitować w dowolnej szczelinie czasowej - nie określa granic bitów.