¿Cómo es posible una comunicación a más de 24 GHz?

Question

He leído el artículo Google quiere el espectro inalámbrico de EE.UU. para Internet en globo . Dice utilizar más de 24 GHz de espectro de frecuencias para la comunicación.

¿Es posible generar una frecuencia tan alta utilizando cristales piezoeléctricos? ¿O están utilizando un PLL ¿multiplicador de frecuencia?

Aunque sea posible generar esa señal de alta frecuencia, y si se quiere enviar 1 bit en cada periodo de señal, debe haber un procesador que trabaje mucho más rápido que 24 GHz. ¿Cómo es eso posible en un globo?

Answer 1

Las comunicaciones por radiofrecuencia no transmiten un bit de información por ciclo de la onda portadora: eso serían las comunicaciones digitales en banda base y requieren cantidades increíbles de ancho de banda. Por cierto, se pueden comprar FPGAs con bloques duros serdes de 28 Gbps incorporados. Estos pueden serializar y deserializar datos para 100G ethernet (4x25G + sobrecarga de codificación). Supongo que la frecuencia "fundamental" en este caso sería en realidad de 14 GHz (velocidad de datos/2 - ¡piensa por qué es así!) y requieren alrededor de 200 MHz a 14 GHz de ancho de banda. No llegan hasta la CC porque utilizan el código de línea 64b66b. La frecuencia utilizada para conducir los módulos serdes sería generada por algún tipo de VCO que está bloqueado en fase a un oscilador de referencia de cristal.

En el mundo de la radiofrecuencia, la señal del mensaje se modula en una portadora que luego se convierte a la frecuencia necesaria para su transmisión mediante mezcladores. Estos globos probablemente tienen una banda base de menos de 100 MHz, lo que significa que inicialmente los datos digitales se modulan sobre una portadora de frecuencia relativamente baja (frecuencia intermedia) de unos 100 MHz. Esta modulación puede hacerse digitalmente y la FI modulada generada por un DAC de alta velocidad. A continuación, esta frecuencia se traslada a 24 GHz con un oscilador de 23,9 GHz y un mezclador. La señal resultante se extenderá de 23,95 a 24,05 GHz, 100 MHz de ancho de banda.

Hay muchas formas de construir osciladores de alta frecuencia en esa banda. Un método es construir un DRO, que es un oscilador de resonancia dieléctrica. Piense en esto como un circuito tanque LC - habrá alguna frecuencia en la que "resonará" y generará una impedancia muy alta o muy baja. También se puede considerar como un filtro paso banda estrecho. En un visualizador, se utiliza un trozo de dieléctrico -creo que suele ser algún tipo de cerámica- que resuena a la frecuencia de interés. El tamaño físico y la forma determinan la frecuencia. Lo único que hay que hacer para convertirlo en una fuente de frecuencia es añadirle algo de ganancia. También hay formas de utilizar diodos especiales que presentan resistencia negativa. Un diodo Gunn es un ejemplo. Si se polariza correctamente un diodo Gunn, oscilará a varios GHz. Otra posibilidad es un oscilador YIG. YIG son las siglas de Yttrium Iron Garnet. Es habitual construir filtros paso banda tomando una pequeña esfera de YIG y acoplándola a un par de líneas de transmisión. El YIG es sensible a los campos magnéticos, por lo que se puede sintonizar o barrer la frecuencia central del filtro variando el campo magnético ambiente. Añade un amplificador y tendrás un oscilador sintonizable. Es relativamente fácil colocar un YIG en un PLL. El poder de un YIG es que es posible utilizarlo para producir un barrido suave de banda muy ancha, y de ahí que se utilicen a menudo en equipos de prueba de RF como analizadores de espectro y de red y fuentes de RF de barrido y CW. Otro método consiste simplemente en utilizar un montón de multiplicadores de frecuencia. Cualquier elemento no lineal (como un diodo) producirá componentes de frecuencia en múltiplos de la frecuencia de entrada (2x, 3x, 4x, 5x, etc.). Se puede utilizar una cadena de multiplicadores, filtros paso banda y amplificadores para producir frecuencias muy altas.

Answer 2

Este es mi intento de resumen para profanos, adaptado de esta respuesta .

Cuando hablamos de comunicación "a 24 GHz", nos referimos a una pequeña gama de frecuencias. Para que la señal "a 24 GHz" no pisotee las señales de todas las demás frecuencias, hay una límite estricto de la diferencia permitida entre la señal y una onda senoidal de 24 GHz .

El objetivo de tener una "banda" de radio es que, al poner un límite a la diferencia entre la señal y una onda senoidal, sea posible crear filtros que eliminen las señales que difieren de una onda senoidal. demasiado de su onda senoidal, suprimiéndolas así y quedándote sólo con la señal que te interesa.

Por ejemplo, aquí hay ruido aleatorio filtrado para contener sólo frecuencias entre 190 Hz y 210 Hz:

Observa que no está tan lejos de una onda senoidal (200 Hz). Para comparar, aquí tienes ruido filtrado para contener de 150 Hz a 250 Hz:

Observa cómo difiere mucho más de una onda senoidal perfecta. Ahora bien, si tomamos una onda senoidal de 24 GHz y empezamos a encender y apagar trozos de ella arbitrariamente, el receptor no lo veo de la forma que lo envías porque activar/desactivar bits arbitrariamente hará que la señal quede fuera del rango de 24 GHz. El receptor filtrará las frecuencias fuera del rango de 24 GHz, distorsionando así la señal. En resumen: si modulas la señal ingenuamente activando y desactivando bits, no funcionará con la idea de filtrar las frecuencias no deseadas.

Antes del filtrado, la señal anterior tenía este aspecto:

Piense que es lo que ve un receptor de radio antes de filtrar las frecuencias no deseadas. Creo que es una aproximación razonable. Fíjate en que la escala horizontal aquí es exactamente la misma que en las imágenes anteriores: lo que ves son todas las frecuencias superiores a 200-impar Hz. Las frecuencias por debajo de 200 Hz también están ahí, pero no son evidentes a simple vista.

(las matemáticas funcionan igual a escalas de Hz o GHz, así que no dejes que esto te desanime).

Answer 3

La radio FM transmite en una frecuencia portadora de 98MHz +-10MHz, pero cada emisora sólo tiene unos 200khz de información (ancho de banda ocupado). Del mismo modo, DirecTV transmite en una frecuencia portadora de 14GHz, pero la señal es probablemente sólo 10 o 100's de MHz de ancho de banda ocupado.

Presumiblemente, Google quiere utilizar la banda de 24GHz para transportar señales con un ancho de banda ocupado mucho menor. Pero si alguien quisiera transmitir realmente un ancho de banda tan grande, se puede hacer, mediante diversas técnicas de modulación utilizando múltiples portadoras.

En cuanto a la electrónica real, he visto MMIC de 24 GHz antes. Además, se supone que es necesario un único "procesador". Podrías tener 24 módems de 1Gbit/s apilados haciendo FDMA. La ethernet de 100Gb/s que Xilinx es capaz de hacer, como se ha comentado antes, creo que usa interfaces GMII Quad paralelas.

El espectro electromagnético es un continuo y, al aumentar la frecuencia, se pasa de la radiofrecuencia a la óptica. Existen sistemas de comunicación láser con línea de visión directa.