Wie funktioniert die drahtlose Kommunikation?

Das ist ein Problem, das mich immer ein bisschen verblüfft. Wie funktioniert die drahtlose Hochfrequenzkommunikation (mehr als 100 MHz) tatsächlich? Ich verstehe, dass es eine Antenne hat und zum Empfangen verstärkt es und prüft auf eine logische 1 oder 0 und zum Senden umgekehrt.

Was ich nicht verstehe ist, wie ein IC bei solchen Geschwindigkeiten kommunizieren kann? Nehmen Sie zum Beispiel WiFi, 2,4 GHz. Gibt es einen Chip, der tatsächlich jedes Bit 2,4 Milliarden Mal pro Sekunde verarbeitet? Das scheint unmöglich. Könnte jemand erklären, wie ein Sender und ein Empfänger tatsächlich elektrisch arbeiten?

Das Wichtige hierbei ist die Trägerfrequenz und die Modulation.

2,4 GHz ist Ihre Trägerfrequenz, in modernen Modulationsformaten wird sie jederzeit in der Luft sein. Der Sender strahlt die gesamte Zeit aus, in der Sie das Signal senden.

Wie werden die Daten tatsächlich gesendet?

Phasenmodulation ist die häufigste Methode. Sie können sich genau überlegen, was gerade passiert. Bei einem eingestellten Timer ändern Sie entweder die Phase oder nicht. Wikipedia hat eine gute grafische Darstellung von QPSK , bei der Sie zwei Signale gleichzeitig phasenverschoben senden und jedes ein Bit codiert. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/QPSK_timing_diagram.png ">

Dies mag ein wenig verwirrend aussehen, aber Sie sehen, wenn sie das gesendete Bit ändern, kommt es zu einer plötzlichen Signalverschiebung. PSK hat die niedrigste Bitfehlerrate der verschiedenen Modulationstechniken bei gleicher Baudrate. Dies bedeutet, dass Sie bei gleicher zulässiger Bitfehlerrate die höchste Verbindungsgeschwindigkeit mit PSK haben.

Ich hoffe, das Bild zeigt Ihnen, was sich hinter den Kulissen abspielt. Lassen Sie mich wissen, ob ich mehr posten kann, um dies verständlich zu machen.

Welche Hardware macht das?

In diesem Abschnitt werde ich mich kurz fassen, da es viele verschiedene Möglichkeiten gibt, dies mit Hardware anzugehen. Die Schaltung, mit der die meisten ICs intern TX oder RX ausführen können, stammt aus der Gilbert-Zelle .

Wann soll es gemacht werden?

Wenn Sie direkt vor dem Abstrahlen auf die richtige Frequenz modulieren und direkt vor dem Empfang des Signals demodulieren, verarbeitet Ihre Schaltung alles andere als ein Signal mit niedrigerer Geschwindigkeit, das digital ist und das Ihre Schaltung verarbeiten kann.

Während ich der Modulationsfrage ausweichen werde, bin ich mit der IC-Seite der Dinge ziemlich gut vertraut.

"Wie kann ein IC mit Geschwindigkeiten über 100 MHz kommunizieren?"

Ich beginne mit einem einfachen Fall. Intel hat einen Prozessor entwickelt, der mit einer Taktfrequenz von 3,8 GHz arbeitet. Dies führt mehrere logische Verknüpfungen durch und speichert die Ergebnisse in jedem Zyklus. Somit können nicht nur Signale mit 2,4 GHz + verarbeitet werden, Ihr Computer tut dies wahrscheinlich bereits.

Der Grund dafür ist, dass Transistoren auf einem IC SCHNELL sind! In einem 130-nm-SiGe-BiCMOS-Prozess wird die Frequenz der Verstärkung eins mit 230 GHz angegeben. Ich denke, ich könnte eine Schaltung herstellen, die mindestens 5-10% dieses Wertes ausmacht, und dies ist nicht einmal ein Prozess der Spitzenklasse.

Wenn Sie die serielle Taktrate maximieren möchten, können Sie eine Schaltung verwenden, die als De-Serializer bezeichnet wird und im Grunde genommen ein Hochfrequenz-Schieberegister ist. Sie benötigen die sehr hochfrequente Schaltung für den Eingang und konvertieren ihn dann in ein paralleles Format mit einer niedrigeren Datenrate. Dies wird häufig in Hochgeschwindigkeitsprotokollen wie HDMI verwendet.

Obwohl es einige Ausnahmen gibt, wird die meiste Funkkommunikation normalerweise mit Hilfe von Aufwärts- und Abwärtskonvertierung erreicht.

Grundsätzlich beginnt ein Sender mit einer Schaltung zum Modulieren von Informationen (sei es Sprache oder Daten) auf ein Signal mit einer bequemen niedrigen Frequenz, mit der leicht gearbeitet werden kann - einige zehn oder hundert Kilohertz für Schmalbandanwendungen, häufig irgendwo zwischen 10 und 45 MHz für breitbandige. Bei diesen Frequenzen funktionieren analoge Schaltungen gut, oder man kann tatsächlich einen D / A-Wandler am Ausgang eines DSP verwenden, der die Modulation mathematisch ausführt. (Für Datenraten, die höher sind, als ein "DSP-Chip" verarbeiten kann, wird eine parallele Logik in einem ASIC oder FPGA verwendet, sodass jeder einzelne Pfad möglicherweise nur jeden 8. oder 32. Abtastwert oder einen beliebigen von der DA benötigten Abtastwert berechnen muss.)

Der Sender enthält auch einen Oszillator oder Synthesizer zum Erzeugen eines Signals, das näher an der gewünschten Senderfrequenz liegt, und einen Mischer, der die beiden Signale miteinander multipliziert, wodurch Summen- und Differenzfrequenzen erzeugt werden. Die Summe oder die Differenz entspricht der gewünschten Sendefrequenz und wird durch ein Filter ausgewählt, verstärkt und an die Antenne gesendet. (Gelegentlich sind mehrere Konvertierungsstufen erforderlich.)

Der Empfänger funktioniert genauso, nur in umgekehrter Richtung. Ein lokales Oszillatorsignal wird vom verstärkten Antennensignal subtrahiert (oder umgekehrt), wodurch eine Zwischendifferenzfrequenz erzeugt wird, die wieder in dem Bereich liegt, mit dem das Arbeiten bequemer ist (bei AM-Rundfunkempfängern üblicherweise 455 kHz - für FM) 10,7 KHz und dann wieder herunter auf 455 KHz konvertiert, obwohl es heute auch funktioniert, bei 10,7 MHz zu bleiben). Diese Zwischenfrequenz kann von einer Demodulatorschaltung verarbeitet oder in einem schnellen A / D-Wandler digitalisiert und in einen potenziell parallelen DSP eingespeist werden, um den Prozess abzuschließen.

Wenn die gewünschte Bandbreite der zu übertragenden Daten weniger als etwa 10 kHz beträgt, kann man tatsächlich eine Computersoundkarte verwenden, um einen Hochleistungsempfänger oder -sender herzustellen, indem die Zwischenfrequenz auf etwa 10 kHz positioniert wird und Software zum Verarbeiten einer Bandbreite verwendet wird, die 5 umspannt -15 kHz.

Heutzutage besteht eine übliche Technik darin, einige Eigenschaften komplexer Zahlen auszunutzen und die Modulation / Demodulation um eine Mittenfrequenz von 0 herum auszugleichen, so dass sie sowohl positive als auch negative Frequenzen enthält. Durch die Verwendung von zwei Phasen des Oszillators und einem so genannten Image Reject Mixer wird eine der beiden resultierenden Frequenzen aufgehoben und die andere verstärkt. Es werden jedoch zwei D / A- oder A / D-Wandler benötigt - einer für die "I" -Phase und der andere für das "Q". Sie können dies mit einer Stereo-Soundkarte tun, obwohl die DC-Sperrkappen genau in der Mitte ein Loch im Durchlassbereich erzeugen, das auf die Frequenz 0 konvertiert wird.

100 MHz ist die Trägerfrequenz, nicht die Datenübertragungsrate. Eine Modulation der Trägerfrequenz trägt die Daten. AM-Radio variiert die Amplitude des Signals, um es zu modulieren. FM ändert die Frequenz geringfügig von der Trägerfrequenz. PSK ist Phasenumtastung. Es ändert die Phase des Trägersignals.

Ein Modulator bearbeitet die Daten und wendet eine Modulation auf den Träger an, um sie zu senden. Ein Demodulator empfängt den Träger und trennt die Modulation vom Extrahieren der Daten.