Come funziona la comunicazione wireless?

Questo è un problema che mi ha sempre sconcertato un po '. Come funziona effettivamente la comunicazione wireless ad alta frequenza (più di 100 MHz)? Capisco che ha un'antenna e per riceverla la amplifica e controlla 1 o 0 logici e si inverte per la trasmissione.

Quello che non capisco è come un IC può comunicare a tali velocità? Prendiamo ad esempio il wifi, a 2,4 GHz. Esiste un chip che sta effettivamente elaborando ogni bit 2,4 miliardi di volte al secondo? Sembra impossibile. Qualcuno potrebbe spiegare come un trasmettitore e un ricevitore funzionano effettivamente elettricamente?

La cosa importante da notare qui è la frequenza portante e la modulazione.

2.4GHz è la frequenza portante, nei moderni formati di modulazione sarà sempre in onda. Il trasmettitore si irradia per tutto il tempo in cui si invia il segnale.

Come vengono effettivamente inviati i dati?

La modulazione di fase è il metodo più comune. Puoi pensare a ciò che sta accadendo molto chiaramente, con un timer impostato cambierai fase o no. Wikipedia ha un buon grafico di QPSK , dove in realtà stai inviando due segnali contemporaneamente fuori fase e ognuno codifica un po '. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/QPSK_timing_diagram.png ">

Questo può sembrare un po 'confuso, ma ogni volta che cambiano il bit che stanno inviando c'è un improvviso cambiamento nel segnale. PSK ha il più basso tasso di errore in bit delle diverse tecniche di modulazione per lo stesso baud rate. Ciò significa che per lo stesso tasso di errore bit consentito si ha la massima velocità di collegamento con PSK.

Spero che l'immagine ti permetta di capire cosa sta succedendo dietro le quinte. Fammi sapere se posso postare di più per aiutare a renderlo comprensibile.

Quale hardware fa questo?

Questa sezione è breve perché ci sono molti modi diversi di affrontarlo con l'hardware. Il circuito che consente alla maggior parte dei circuiti integrati di eseguire TX o RX interni proviene dalla cella Gilbert .

Quando farlo?

Se moduli direttamente sulla frequenza corretta prima di irradiare e demodula direttamente prima di ricevere il segnale, il tuo circuito si occupa di qualsiasi altro posto sarà un segnale a velocità più bassa che è digitale e che il tuo circuito può gestire.

Mentre eviterò la domanda sulla modulazione, conosco abbastanza bene il lato IC delle cose.

"Come può un circuito integrato comunicare a velocità superiori a 100 MHz?"

Inizierò con un caso semplice. Intel ha progettato un processore che funziona a una frequenza di clock di 3,8 GHz. Ciò sta eseguendo più operazioni logiche e memorizzando i risultati ogni ciclo. Pertanto, non solo i segnali possono essere elaborati a 2,4 GHz +, probabilmente il tuo computer lo fa già.

La ragione di ciò è che i transistor su un circuito integrato sono VELOCI! In un processo SiGe BiCMOS a 130 nm, la frequenza del guadagno unitario è elencata come 230 GHz. Immagino che potrei realizzare un circuito che funzioni almeno il 5-10% di quel valore, e questo non è nemmeno un processo all'avanguardia.

Se si desidera massimizzare la frequenza di clock seriale, è possibile utilizzare un circuito chiamato De-Serializer, che è fondamentalmente un registro a scorrimento ad alta frequenza. Avresti bisogno dei circuiti ad altissima frequenza per l'ingresso, e poi convertili in un formato parallelo con una velocità dati inferiore. Questo è comunemente usato nei protocolli ad alta velocità come HDMI.

Mentre ci sono alcune eccezioni speciali, la maggior parte delle comunicazioni radio viene generalmente raggiunta con l'aiuto di upconversion e downconversion.

Fondamentalmente, un trasmettitore inizia con un circuito per la modulazione di informazioni (sia esso voce o dati) su un segnale di bassa frequenza convenientemente facile da lavorare - poche decine o centinaia di kilohertz per applicazioni a banda stretta, spesso da 10 a 45 MHz per quelli a banda più ampia. A queste frequenze i circuiti analogici funzionano bene, oppure si può effettivamente utilizzare un convertitore D / A all'uscita di un DSP che effettua la modulazione matematicamente. (Per velocità di dati superiori a quelle che un "chip DSP" è in grado di gestire, viene utilizzata la logica parallela in un ASIC o FPGA, quindi ogni singolo percorso potrebbe dover calcolare solo ogni 8 o 32 o qualunque campione necessario dal DA).

Il trasmettitore contiene anche un oscillatore o un sintetizzatore per generare un segnale più vicino alla frequenza del trasmettitore desiderata e un mixer che moltiplica i due segnali insieme, causando la generazione di frequenze di somma e differenza. La somma o la differenza sarà la frequenza di trasmissione desiderata, ed è selezionata da un filtro, amplificata e inviata all'antenna. (Occasionalmente sono necessarie più fasi di conversione)

Il ricevitore funziona allo stesso modo, solo al contrario. Un segnale di oscillatore locale viene sottratto dal segnale dell'antenna amplificata (o viceversa), creando una frequenza di differenza intermedia che è di nuovo nella gamma più conveniente con cui lavorare (nei ricevitori di trasmissione AM, in genere 455 KHz - per FM, tradizionalmente 10,7 KHz e poi convertito di nuovo in 455 KHz, anche se oggi stare a 10,7 MHz funziona anche). Questa frequenza intermedia può essere elaborata da una circuizione del demodulatore o digitalizzata in un convertitore A / D veloce e immessa in un DSP potenzialmente parallelo per completare il processo.

Se la larghezza di banda desiderata dei dati da trasmettere è inferiore a circa 10 KHz, si può effettivamente utilizzare una scheda audio del computer per creare un ricevitore o trasmettitore ad alte prestazioni, posizionando la frequenza intermedia a dire 10 KHz e utilizzando il software per elaborare una larghezza di banda 5 -15 KHz.

Oggi una tecnica comune è sfruttare alcune proprietà di numeri complessi e fare la modulazione / demodulazione in equilibrio attorno a una frequenza centrale di 0, in modo che contenga sia frequenze positive che negative. Usando due fasi dell'oscillatore e qualcosa chiamato un mixer di rifiuto dell'immagine, una delle due frequenze risultanti si annulla e l'altra si rinforza. Tuttavia, sono necessari due convertitori D / A o A / D: uno per la fase "I" e l'altro per la "Q". Puoi fare questo con una scheda audio stereo, anche se i tappi di blocco CC creeranno un buco nella banda passante proprio nel mezzo, a ciò che viene convertito in frequenza 0.

100 MHz è la frequenza portante, non la velocità di trasmissione dei dati. Una modulazione della frequenza portante è ciò che trasporta i dati. La radio AM varia l'ampiezza del segnale per modulare. FM varia leggermente la frequenza dalla frequenza portante. PSK è il key shifting di fase. Cambia la fase del segnale portante.

Un modulatore assegna i dati e applica la modulazione al corriere per inviarli. Un demodulatore riceve il corriere e separa la modulazione da esso estraendo i dati.