Come è possibile la comunicazione oltre 24 GHz?

Ho letto l'articolo Google vuole lo spettro wireless degli Stati Uniti per Internet basato su palloncini . Dice di utilizzare uno spettro di frequenza superiore a 24 GHz per la comunicazione.

È mai possibile generare quell'alta frequenza usando cristalli piezoelettrici? O stanno usando un moltiplicatore di frequenza PLL ?

Anche se è possibile generare quel segnale ad alta frequenza e se si desidera inviare 1 bit su ogni periodo di segnale, deve esserci un processore che funziona molto più velocemente di 24 GHz. Com'è possibile su un pallone?

Le comunicazioni RF non trasmettono un po 'di informazioni per ciclo dell'onda portante: si tratterebbe di comunicazioni in banda base digitale e richiederebbero incredibili quantità di larghezza di banda. Per inciso, è possibile acquistare FPGA con blocchi rigidi serdes integrati da 28 Gbps. Questi possono serializzare e deserializzare i dati per Ethernet 100G (4x25G + overhead di codifica). Suppongo che la frequenza "fondamentale" in questo caso sia effettivamente di 14 GHz (velocità dei dati / 2 - pensa al perché!) E richiedono da 200 MHz a 14 GHz di larghezza di banda. Non vanno fino in fondo a causa dell'utilizzo del codice di linea 64b66b. La frequenza utilizzata per pilotare i moduli serdes verrebbe generata da una sorta di VCO bloccato in fase su un oscillatore di riferimento a cristallo.

Nel mondo RF, il segnale del messaggio viene modulato su un vettore che viene quindi convertito nella frequenza richiesta per la trasmissione con i mixer. Questi palloncini hanno probabilmente una banda di base inferiore a 100 MHz, il che significa che inizialmente i dati digitali sono modulati su un vettore di frequenza relativamente bassa (frequenza intermedia) di circa 100 MHz. Questa modulazione può essere eseguita in modo digitale e l'IF modulato generato da un DAC ad alta velocità. Quindi questa frequenza viene tradotta fino a 24 GHz con un oscillatore a 23,9 GHz e un mixer. Il segnale risultante si estende da 23,95 a 24,05 GHz, 100 MHz di larghezza di banda.

Esistono molti modi per costruire oscillatori ad alta frequenza in quella banda. Un metodo consiste nel costruire un DRO, che è un oscillatore di risonanza dielettrica. Pensa a questo come a un circuito di serbatoio LC - ci sarà una certa frequenza in cui "risuonerà" e genererà un'impedenza molto alta o molto bassa. Potresti anche pensare a questo come a un filtro passa-banda stretto. In un DRO, viene utilizzato un pezzo di dielettrico - di solito, credo, una sorta di ceramica che risuona alla frequenza di interesse. Le dimensioni e la forma fisica determinano la frequenza. Tutto quello che devi fare per trasformarlo in una sorgente di frequenza è aggiungere un certo guadagno. Esistono anche modi per utilizzare diodi speciali che presentano resistenza negativa. Un diodo di Gunn è un esempio. La polarizzazione corretta di un diodo Gunn farà oscillare a diversi GHz. Un'altra possibilità è qualcosa chiamata oscillatore YIG. YIG sta per Yttrium Iron Garnet. È comune costruire filtri passa-banda prendendo una piccola sfera YIG e accoppiandola a una coppia di linee di trasmissione. YIG sembra essere sensibile ai campi magnetici, quindi puoi sintonizzare o spazzare la frequenza centrale del filtro variando il campo magnetico ambientale. Aggiungi un amplificatore e hai un oscillatore sintonizzabile. È relativamente facile inserire uno YIG in un PLL. Il potere di uno YIG è che è possibile utilizzarlo per produrre una scansione uniforme a banda molto ampia, e quindi sono spesso utilizzati in apparecchiature di test RF come analizzatori di spettro e di rete e fonti di spazzamento e CW RF. Un altro metodo è semplicemente usare un sacco di moltiplicatori di frequenza. Qualsiasi elemento non lineare (come un diodo) produrrà componenti di frequenza a multipli della frequenza di ingresso (2x, 3x, 4x, 5x, ecc.).

Ecco il mio tentativo di riassunto di un profano, adattato da questa risposta .

Quando parliamo di comunicazione avvenuta "a 24 GHz", ci riferiamo a una piccola gamma di frequenze. Affinché il segnale "a 24 GHz" non calpesti tutti i segnali a tutte le altre frequenze, esiste un limite rigido alla quantità di segnale che può differire da un'onda sinusoidale a 24 GHz .

Il punto centrale di avere una "banda" radio è che ponendo un limite a quanto il segnale può differire da un'onda sinusoidale, diventa possibile creare filtri che rimuovono segnali che differiscono troppo dal tuo sinusoidale, sopprimendo così pure e mantenendo solo il segnale che ti interessa.

Ad esempio, qui viene filtrato il rumore casuale per contenere solo frequenze comprese tra 190 Hz e 210 Hz:

Osservare che non è così lontano da un'onda sinusoidale (200 Hz). Per fare un confronto, ecco il rumore filtrato per contenere da 150 Hz a 250 Hz:

Nota come differisce molto di più da un'onda sinusoidale perfetta. Ora, se prendi un'onda sinusoidale a 24 GHz e inizi ad accenderla e spegnerla arbitrariamente, il ricevitore lo farà non lo vedrà nel modo in cui lo invii , perché l'attivazione / disattivazione arbitraria dei bit farà cadere il segnale al di fuori dell'intervallo di 24 GHz . Il ricevitore filtrerà le frequenze al di fuori dell'intervallo di 24 GHz, distorcendo così il segnale. La linea di fondo è: se moduli il segnale in modo ingenuo attivando e disattivando i bit, non funzionerà con l'idea di filtrare le frequenze indesiderate.

Prima del filtraggio, il segnale sopra appariva così:

Pensa a ciò che vede un ricevitore radio prima di filtrare le frequenze indesiderate. Penso che sia una ragionevole approssimazione dei laici. Nota che la scala orizzontale qui è esattamente la stessa delle immagini sopra - quello che vedi sono tutte le frequenze più alte di 200-dispari Hz. Sono presenti anche frequenze inferiori a 200 Hz, ma non sono evidenti a occhio nudo.

(la matematica funziona allo stesso modo su scala Hz o GHz, quindi non lasciarti scoraggiare)

La radio FM trasmette su una frequenza portante di 98 MHz + -10 MHz, ma ogni stazione ha solo circa 200 kHz di informazioni (larghezza di banda occupata). Allo stesso modo, DirecTV trasmette su una frequenza portante di 14 GHz, ma il segnale è probabilmente solo 10 o 100 di MHz di larghezza di banda occupata.

Presumibilmente, Google vuole utilizzare la banda a 24 GHz per trasportare segnali con una larghezza di banda occupata molto più bassa. Ma se qualcuno volesse effettivamente trasmettere una così grande quantità di larghezza di banda, ciò può essere fatto, con varie tecniche di modulazione usando più carrier.

Per quanto riguarda l'elettronica reale, ho già visto MMIC a 24 GHz. Inoltre, si presume che sia necessario un singolo "processore". Potresti avere 24 modem da 1 Gbit / secondo impilati facendo FDMA. L'ethernet da 100 Gb / sec di cui Xilinx è in grado, come discusso sopra, penso che usi interfacce Quad GMII parallele.

Gli spettri EM sono un continuum e quando si aumenta la frequenza, alla fine si passa da RF a ottico. Esistono sistemi Laser Comm line-of-sight esistenti.