Tengo entendido que en la comunicación sincrónica, el emisor y el receptor necesitan un reloj común. ¿Es posible que la comunicación inalámbrica sea sincrónica? ¿Puede haber algún elemento de relojería común para tal fin?
Sí. Más o menos, al menos.
Como vienes de un fondo de cableado, construiré la analogía a partir de ahí:
Mientras que la UART sólo funciona porque los relojes del receptor y del transmisor son lo suficientemente similares como para que, durante una breve ráfaga de bits, no se distancien, lo mismo ocurre con las comunicaciones digitales inalámbricas.
Si su tasa de símbolos es lo suficientemente baja, y el receptor conoce exactamente la tasa de símbolos que utiliza el transmisor, entonces el receptor puede extraer los símbolos sin ejecutar primero la lógica para hacer recuperación del reloj .
En los sistemas de alta velocidad, móviles y de flujo continuo, generalmente, esto no se puede asumir: no hay dos osciladores en este universo que sean exactamente el mismo, y por lo tanto, cuando se transmiten muchos símbolos, hay que asegurarse de que el receptor tiene el mismo reloj de muestreo que el transmisor.
Ahora bien, si tratas de llevar el equivalente de SPI al ámbito inalámbrico:
te darás cuenta de que la señal de reloj de onda cuadrada tiene una forma espectral realmente mala - tiene un ancho de banda infinito, e incluso si aceptas algo de "redondeo" en los bordes, seguirías necesitando entre 5 y 7 veces el ancho de banda de la señal de datos real para transportar tu onda cuadrada.
Por lo tanto, eso generalmente no se hace.
Estoy seguro de que las comunicaciones inalámbricas anteriores tenían algún tipo de portadora secundaria que se utilizaba para derivar un reloj de símbolos, pero no he visto eso en ningún estándar moderno.
Puedes optar por lo que yo llamaría (y es un término que acabo de inventar) la ruta "asíncrona sincronizada":
o el modo "bucle de control de recuperación de reloj continuo".
El segundo se hace realmente de muchas maneras diferentes, dependiendo del sistema que estés viendo, y de lo complejo que los diseñadores puedan permitirse hacer el receptor.
Un esquema muy típico es que te des cuenta de que todas las comunicaciones digitales son en esencia en forma de pulso .
Sin tener tiempo para entrar de lleno en eso: Realmente no se pueden enviar pulsos infinitamente cortos con amplitud +1, -1, -1, +1, -1, +1... por un canal de ancho de banda finito.
Por lo tanto, se aplica una forma de pulso, que sirve para suave la transición entre estos; la idea es que todavía, en el exacto veces, los valores son exactamente los símbolos que querías enviar, pero entre medias, hay un intercambio suave y limitado por el ancho de banda.
Ya lo reconocerás si has trabajado con autobuses cableados: conoces el diagrama de ojo . En las comunicaciones inalámbricas se utiliza exactamente el mismo diagrama, aunque, normalmente, para una buena comunicación por cable de corta duración, se espera que el ojo sea casi cuadrado, mientras que la conformación del pulso con una forma más redondeada es intencionada (aunque también necesaria) desde el principio en las comunicaciones inalámbricas.
Esto, muy geométricamente, implica que en los momentos exactos, la "forma" de su señal tiene extremos, es decir, lugares donde su derivada es 0.
Ahora puedes construir un mecanismo que mire la pendiente de la señal en los momentos que supones que son tus tiempos de símbolo. Si esa pendiente es negativa, oh, llegamos demasiado tarde, mejor muestrear un poco antes, si es positiva, muestrear un poco más tarde. Obsérvese que esto no es así para todas las transiciones de símbolos (las transiciones del mismo símbolo suelen hacer no tienen la máxima amplitud en el tiempo de muestreo correcto), pero es el caso de más transiciones, por lo general.
Haz unas estadísticas mínimas, y podrás hacer que esto se ajuste a un (pequeño) error de tasa de símbolos.
Así que los profesionales de las comunicaciones inalámbricas invertimos el ancho de banda que podríamos utilizar para transmitir información (que es por lo que nos pagan) en hacer que la tasa de símbolos sea sincronizable. No es un equivalente directo a un "bus síncrono" en el mundo del cable, porque aparte de algunos sistemas especialmente extraños que estoy seguro de que existen (querido lector, si conoces alguno, házmelo saber en los comentarios), nos aseguraremos de evitar tener una portadora de reloj de símbolos separada. Pero en esencia se trata de la misma idea: tener una forma de meter la información sobre cuándo deben muestrearse los símbolos en el receptor.
Su "asíncrono sincronizado" es la recuperación del reloj - ethernet y todo tipo de protocolos por cable tienen eso.
Creo que su respuesta debe abordar la codificación de Manchester. Así es como se hace; nunca he oído hablar de una segunda portadora para el reloj.
@Lundin Debo admitir que no se me ocurre una buena razón para hacer la codificación Manchester en lugar de comunicaciones con forma de pulso adecuada; eso sólo duplica el ancho de banda. No sé cualquier norma moderna que hace Manchester, ¿tendría una referencia para mí?
Entiendo que en la comunicación sincrónica, el emisor y el receptor necesitan un reloj común. ¿Es posible que la comunicación sea sincrónica? ¿Puede haber algún elemento de relojería común para tal fin?
En las comunicaciones regulares con cableado se puede conseguir un reloj común sin tener que recurrir a la aplicación de un cable de reloj separado. Estoy pensando en la codificación Manchester: -
Los datos y el reloj se combinan con una puerta Exclusive-OR para producir una única señal que pueda descodificarse sin recurrir a un cable de reloj separado. Es una señal que transporta simultáneamente información de reloj y datos.
Dado que se trata de una señal única (combinada), resulta muy adecuada para ser transmitida como onda de radio (con técnicas de modulación adecuadas).
El GSM utiliza osciladores de 13MHz cuidadosamente ajustados (ajustados en tiempo real, en cada teléfono de abonado), para evitar la deriva de los tiempos de inicio y parada de los paquetes de voz/datos del GSM.
Así, el GSM no tiene que preocuparse por la colisión de paquetes ni por los reintentos.
\======= en relación con la telemetría de las pruebas de cohetes/misiles
La NASA, y sus organizaciones precursoras, desarrollaron varios métodos de "codificación", con definiciones estandarizadas bajo el IRIG Inter Range Instrumentation Group. Algunos de estos patrones tienen largos recorridos de 111111s o 000000000s sin información de reloj, y los bucles de bloqueo de fase basados en tierra recuperan los datos perfectamente ---- sin necesidad de ningún canal de radio/inalámbrico paralelo para los relojes; hay muy poca fluctuación de tiempo entre un misil y la antena de tierra. Para manejar cientos de sensores en el misil, todos multiplexados en un flujo de datos en serie, se inserta un patrón especial SYNCH_WORD una vez por trama.
Para que funcione, dicho enlace descendente tiene este comportamiento
1) barrer el intervalo de frecuencias previsto para cubrir los inevitables desplazamientos Doppler, mientras se prueba cada portadora de RF para identificar patrones (la tasa de bits prevista)
2) una vez que se ha encontrado la velocidad de bits adecuada, se persigue un bloqueo de fase a las transiciones de bits; esto es lento en la mayoría de los casos porque el PLL tiene un ancho de banda ROJO para evitar que se rompa fácilmente el bloqueo de fase debido a las ráfagas de ruido; o el bloqueo inicial se puede hacer de banda ancha, y luego el ancho de banda del bucle se reduce severamente, hasta que los desplazamientos Doppler se acomodan apenas (este seguimiento del Doppler puede requerir un bucle de control de orden superior)
3) una vez que tenemos un bloqueo de bits, el sistema de telemetría necesita encontrar el "inicio de la trama", para que los datos del primer sensor y los del segundo, etc, puedan ser extraídos correctamente del flujo de bits en serie; esto puede llevar un tiempo, porque el sistema de telemetría TIENE QUE ESTAR SEGURO, y por lo tanto prueba el flujo de bits para el patrón de bits ESPECIAL esperado una y otra vez. Un bloqueo incorrecto de la trama significa que todos los datos son inútiles.
Observe los distintos enfoques "sincrónicos":
a) el sistema de telemetría elige el canal de RF correcto
b) el sistema de telemetría se bloquea y se sincroniza con la tasa de bits
c) el sistema de telemetría se bloquea y se sincroniza con el inicio de la trama
Mientras la sonda PLUTO transmitía datos a la Tierra, después de pasar por PLUTO y tomar muchas fotos y otros datos de los sensores, la velocidad de datos del enlace descendente era de unos 100 bits por segundo, con la portadora de radiofrecuencia en el rango de 8GHz.
A medida que la Tierra giraba, las 3 antenas de 70 metros de DeepSpace de la NASA pasaban por este proceso de "adquisición" y luego recibían ese flujo de datos de 100 bits durante las siguientes 8 horas, todo ello de forma sincronizada.
Los sistemas de la NASA estaban bloqueados: RF, bit, frame.
\============= historia ================
¿Por qué se definió IRIG? porque la telemetría FM necesita unos 20-25 dB de SignalNoiseRatio para que los datos sean limpios y se puedan trazar en esos registradores gráficos.
Mientras que los datos digitales (incluso sin corrección de errores) funcionan bien con una SNR de 10dB (o 7dB, dependiendo de cómo se defina el ancho de banda). Con una tasa de error de aproximadamente el 0,1%.
Con una potencia de RF de transmisor finita en un misil bajo prueba, los proyectos aeroespaciales literalmente no podían obtener telemetría de los misiles que salían de la atmósfera, a menos que se utilizaran algunos sensores LENTOS. Inaceptable.
Bajando la SNR de 27dB a 7dB, una diferencia de 20dB, y teniendo en cuenta el efecto Range^2 de la dispersión de la energía de RF, las empresas aeroespaciales de repente tenían 10X el alcance, incluso sin error-detección-corrección.
Importancia de la telemetría: los soviéticos utilizaron 320.000 sensores en el lanzamiento final (¡aún así explotó!) del N1. En los 3 lanzamientos anteriores sólo se utilizaron 700 sensores.
Eso implica que podría tardar mucho tiempo en bloquearse, y que sería vulnerable a desbloquearse en caso de doppler repentino. ¿Se hizo todo "en vivo", o se hizo algo de esto "retroactivamente" grabando un flujo y volviéndolo a analizar hasta lograr el encuadre correcto?
Sí, se hace fusionando la señal de reloj y la de datos de carga útil en un solo canal (inalámbrico).
Los ejemplos son Código de Manchester o Modulación de la posición de los impulsos . En ambos casos (iniciando el) recuperación del reloj en el lado del receptor (por ejemplo, mediante la sincronización de un PLL) suele simplificarse utilizando un preámbulo distinto en la cabecera de una trama de datos.
Una de las aplicaciones en las que se utiliza el PPM inalámbrico es, por ejemplo Radar de vigilancia secundaria (ADS-B, etc.) .
Se muestra un oscilograma de una trama ADS-B aquí .
Normalmente, los sistemas que recuperan el reloj de un solo canal se denominan "asíncronos", como las UART, mientras que los sistemas "síncronos" requieren varios canales. Así que no estoy de acuerdo con las afirmaciones de que utilizar la codificación Manchester o similar es "síncrono".
En los sistemas de radio, aunque se utilicen varios canales, es difícil asegurar que las señales lleguen al mismo tiempo, o incluso con un sesgo fiable, porque puede haber efectos de difracción o multitrayectoria. El efecto Doppler también puede sesgar los resultados.
Los sistemas GSM se basan en franjas horarias (TDMA), pero por lo que tengo entendido el reloj central sólo se utiliza para controlar qué equipo móvil puede transmitir en una franja horaria determinada, no determina los límites de los bits.
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