¿Cómo funciona la comunicación inalámbrica?

Este es un problema que siempre me ha desconcertado un poco. ¿Cómo funciona realmente la comunicación inalámbrica de alta frecuencia (más de 100MHz de todos modos)? Entiendo que tiene una antena y, para recibirla, la amplifica y comprueba un 1 o 0 lógico e invierte la transmisión.

Lo que no entiendo es cómo un IC puede comunicarse a tales velocidades. Tomemos por ejemplo wifi, 2.4GHz. ¿Hay un chip que realmente procesa cada bit 2.4 mil millones de veces por segundo? Eso parece imposible. ¿Alguien podría explicar cómo un transmisor y un receptor realmente funcionan eléctricamente?

Lo importante a tener en cuenta aquí es la frecuencia portadora y la modulación.

2.4GHz es la frecuencia de su portadora, en los formatos de modulación modernos estará en el aire en todo momento. El transmisor irradia todo el tiempo que está enviando la señal.

¿Cómo se envían realmente los datos?

La modulación de fase es el método más común. Puedes pensar muy claramente sobre lo que está sucediendo, en un temporizador establecido vas a cambiar de fase o no. Wikipedia tiene un buen gráfico de QPSK , donde en realidad está enviando dos señales al mismo tiempo fuera de fase y cada una codifica un poco. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/QPSK_timing_diagram.png ">

Esto puede parecer un poco confuso, pero ves que cada vez que cambian el bit que están enviando hay un cambio repentino en la señal. PSK tiene la tasa de error de bit más baja de las diferentes técnicas de modulación para la misma tasa de baudios. Esto significa que para la misma tasa de error de bit permitida, tiene la velocidad de enlace más alta con PSK.

Espero que la imagen te permita entender lo que está sucediendo detrás de escena. Avíseme si puedo publicar más para ayudar a que esto sea comprensible.

¿Qué hardware hace esto?

Esta sección la mantengo breve porque hay muchas formas diferentes de abordar esto con hardware. El circuito que permite que la mayoría de los circuitos integrados hagan TX o RX internos proviene de la celda Gilbert .

Cuando hacerlo

Si modula a la frecuencia correcta directamente antes de irradiar y demodula directamente antes de recibir la señal con la que su circuito trata en cualquier otro lugar, será una señal de velocidad más lenta que es digital y su circuito puede manejar.

Si bien esquivaré la pregunta de modulación, estoy bastante familiarizado con el lado IC de las cosas.

"¿Cómo se puede comunicar un IC a velocidades superiores a 100MHz?"

Comenzaré con un caso simple. Intel ha diseñado un procesador que funciona a una frecuencia de reloj de 3.8GHz. Esto es realizar múltiples operaciones lógicas y almacenar los resultados en cada ciclo. Por lo tanto, no solo se pueden procesar las señales a 2.4GHz +, su computadora probablemente ya lo haga.

¡La razón de esto es que los transistores en un IC son RÁPIDOS! En un proceso SiGe BiCMOS de 130 nm, la frecuencia de ganancia unitaria aparece como 230 GHz. Me imagino que podría hacer un circuito que funcione al menos 5-10% de ese valor, y esto ni siquiera es un proceso de vanguardia.

Si desea maximizar la velocidad del reloj en serie, puede utilizar un circuito llamado des-serializador, que es básicamente un registro de desplazamiento de alta frecuencia. Necesitaría la circuitería de muy alta frecuencia para la entrada y luego convertirla a un formato paralelo a una velocidad de datos más baja. Esto se usa comúnmente en protocolos de alta velocidad como HDMI.

Si bien hay algunas excepciones especiales, la mayoría de las comunicaciones por radio generalmente se logran con la ayuda de la conversión ascendente y descendente.

Básicamente, un transmisor comienza con un circuito para modular la información (ya sea voz o datos) en una señal de baja frecuencia conveniente con la que es fácil trabajar: unas pocas decenas o cientos de kilohercios para aplicaciones de banda estrecha, a menudo entre 10 y 45 MHz. para bandas más anchas. A estas frecuencias, los circuitos analógicos funcionan bien, o uno puede usar un convertidor D / A en la salida de un DSP que realiza la modulación matemáticamente. (Para velocidades de datos superiores a las que puede manejar un "chip DSP", se utiliza la lógica paralela en un ASIC o FPGA, por lo que cada ruta individual solo tendrá que calcular cada 8a o 32a o la muestra más grande que necesite el DA).

El transmisor también contiene un oscilador o sintetizador para generar una señal más cercana a la frecuencia deseada del transmisor, y un mezclador que multiplica las dos señales juntas, causando la generación de frecuencias de suma y diferencia. La suma o la diferencia será la frecuencia de transmisión deseada, y se selecciona mediante un filtro, se amplifica y se envía a la antena. (Ocasionalmente se necesitan múltiples etapas de conversión)

El receptor funciona de la misma manera, solo a la inversa. Una señal de oscilador local se resta de la señal de antena amplificada (o al revés), creando una frecuencia de diferencia intermedia que está de vuelta en el rango más conveniente para trabajar (en receptores de transmisión AM, típicamente 455 KHz - para FM, tradicionalmente 10.7 KHz y luego volvió a bajar a 455 KHz, aunque hoy también se mantiene en 10.7 MHz). Esta frecuencia intermedia puede ser procesada por un circuito demodulador, o digitalizada en un convertidor A / D rápido y alimentada a un DSP potencialmente paralelo para completar el proceso.

Si el ancho de banda deseado de los datos a transmitir es inferior a aproximadamente 10 KHz, se puede usar una tarjeta de sonido de computadora para hacer un receptor o transmisor de alto rendimiento, colocando la frecuencia intermedia a, digamos, 10 KHz y utilizando un software para procesar un ancho de banda que abarca 5 -15 KHz.

Hoy en día, una técnica común es explotar algunas propiedades de los números complejos y hacer la modulación / demodulación equilibrada alrededor de una frecuencia central de 0, de modo que contenga frecuencias positivas y negativas. Al usar dos fases del oscilador y algo llamado mezclador de rechazo de imagen, una de las dos frecuencias resultantes se cancela y la otra se refuerza. Sin embargo, se necesitan dos convertidores D / A o A / D, uno para la fase "I" y el otro para la "Q". Puede hacer esto con una tarjeta de sonido estéreo, aunque las tapas de bloqueo de CC crearán un agujero en la banda de paso justo en el medio, a lo que se convierte en frecuencia 0.

100 MHz es la frecuencia portadora, no la velocidad de transmisión de datos. Una modulación de la frecuencia portadora es lo que transporta los datos. La radio AM varía la amplitud de la señal para modularla. FM varía ligeramente la frecuencia de la frecuencia portadora. PSK es modulación por desplazamiento de fase. Cambia la fase de la señal portadora.

Un modulador asigna los datos y aplica la modulación al operador para enviarlos. Un demodulador recibe el portador y separa la modulación de él extrayendo los datos.