Wie kann eine Kommunikation über 24 GHz möglich sein?

Ich habe den Artikel gelesen, dass Google das US-amerikanische Funkspektrum für das ballonbasierte Internet nutzen will . Es heißt, dass für die Kommunikation ein Frequenzspektrum von über 24 GHz verwendet werden soll.

Ist es jemals möglich, diese hohe Frequenz mit piezoelektrischen Kristallen zu erzeugen? Oder verwenden sie einen PLL- Frequenzvervielfacher?

Selbst wenn es möglich ist, dieses Hochfrequenzsignal zu erzeugen, und Sie bei jeder Signalperiode 1 Bit senden möchten, muss ein Prozessor vorhanden sein, der viel schneller als 24 GHz arbeitet. Wie ist das auf einem Ballon möglich?

HF-Kommunikationen übertragen nicht ein Informationsbit pro Zyklus der Trägerwelle - das wäre eine digitale Basisbandkommunikation und erfordert eine unglaubliche Menge an Bandbreite. Im Übrigen können Sie FPGAs mit integrierten 28-Gbit / s-Serdes-Festplattenblöcken kaufen. Diese können Daten für 100G Ethernet serialisieren und deserialisieren (4x25G + Codierungsaufwand). Ich nehme an, die 'Grundfrequenz' in diesem Fall beträgt tatsächlich 14 GHz (Datenrate / 2 - überlegen Sie, warum das so ist!) Und sie benötigen eine Bandbreite von etwa 200 MHz bis 14 GHz. Sie reichen nicht bis nach DC, da sie den 64b66b-Leitungscode verwenden. Die Frequenz, die zum Ansteuern der Serdes-Module verwendet wird, würde durch eine Art VCO erzeugt, der an einen Quarzreferenzoszillator phasenverriegelt ist.

In der HF-Welt wird das Nachrichtensignal auf einen Träger aufmoduliert, der dann zur Übertragung mit Mischern auf die erforderliche Frequenz hochkonvertiert wird. Diese Ballons haben wahrscheinlich ein Basisband von weniger als 100 MHz, was bedeutet, dass die digitalen Daten anfänglich auf einen Träger mit relativ niedriger Frequenz (Zwischenfrequenz) von ungefähr 100 MHz moduliert werden. Diese Modulation kann digital erfolgen und die modulierte ZF durch einen Hochgeschwindigkeits-DAC erzeugt werden. Dann wird diese Frequenz mit einem 23,9-GHz-Oszillator und einem Mischer auf 24 GHz übersetzt. Das resultierende Signal reicht von 23,95 bis 24,05 GHz, 100 MHz Bandbreite.

Es gibt viele Möglichkeiten, Hochfrequenzoszillatoren in diesem Band zu bauen. Eine Methode besteht darin, eine DRO zu bauen, bei der es sich um einen dielektrischen Resonanzoszillator handelt. Stellen Sie sich dies als LC-Tank-Schaltung vor - es wird eine Frequenz geben, bei der sie "mitschwingt" und entweder eine sehr hohe oder eine sehr niedrige Impedanz erzeugt. Sie können sich dies auch als schmales Bandpassfilter vorstellen. In einer Digitalanzeige wird ein Stück Dielektrikum verwendet - normalerweise eine Art Keramik, glaube ich - das bei der Frequenz von Interesse mitschwingt. Die physische Größe und Form bestimmen die Frequenz. Alles, was Sie tun müssen, um daraus eine Frequenzquelle zu machen, ist eine Verstärkung hinzuzufügen. Es gibt auch Möglichkeiten, spezielle Dioden zu verwenden, die einen negativen Widerstand aufweisen. Eine Gunn-Diode ist ein Beispiel. Wenn eine Gunn-Diode korrekt vorgespannt wird, schwingt sie mit mehreren GHz. Eine andere Möglichkeit ist ein sogenannter YIG-Oszillator. YIG steht für Yttrium Iron Garnet. Es ist üblich, Bandpassfilter zu bauen, indem eine kleine YIG-Kugel genommen und mit einem Paar Übertragungsleitungen gekoppelt wird. YIG ist zufällig empfindlich gegenüber Magnetfeldern. Sie können also die Mittenfrequenz des Filters durch Variieren des umgebenden Magnetfelds einstellen oder überstreichen. Fügen Sie einen Verstärker hinzu und Sie haben einen abstimmbaren Oszillator. Es ist relativ einfach, eine YIG in eine PLL einzufügen. Die Stärke eines YIG ist, dass es möglich ist, einen sehr breitbandigen glatten Sweep zu erzeugen. Daher werden sie häufig in HF-Testgeräten wie Spektral- und Netzwerkanalysatoren sowie Sweeping- und CW-HF-Quellen verwendet. Eine andere Methode besteht darin, einfach eine Reihe von Frequenzvervielfachern zu verwenden. Jedes nichtlineare Element (wie eine Diode) erzeugt Frequenzkomponenten mit einem Vielfachen der Eingangsfrequenz (2x, 3x, 4x, 5x usw.).

Hier ist mein Versuch, eine Zusammenfassung für Laien zu erstellen, die sich aus dieser Antwort ergibt .

Wenn wir über Kommunikation sprechen, die "bei 24 GHz" stattfindet, beziehen wir uns auf einen kleinen Frequenzbereich. Damit das Signal "bei 24 GHz" nicht auf allen anderen Frequenzen über die Signale tritt, ist die Abweichung des Signals von einer 24-GHz-Sinuswelle stark eingeschränkt .

Der springende Punkt bei einem Radio- "Band" ist, dass durch die Begrenzung der Abweichung des Signals von einer Sinuswelle Filter erstellt werden können, die Signale entfernen, die sich zu stark von Ihrer Sinuswelle unterscheiden, und diese so unterdrücken und nur beibehalten Das Signal, an dem Sie interessiert sind.

Zum Beispiel wird hier zufälliges Rauschen gefiltert, um nur Frequenzen zwischen 190 Hz und 210 Hz zu enthalten:

Beachten Sie, dass es nicht so weit von einer (200 Hz) Sinuswelle entfernt ist. Zum Vergleich: Hier ist das Rauschen so gefiltert, dass es 150 Hz bis 250 Hz enthält:

Beachten Sie, dass es sich viel mehr von einer perfekten Sinuswelle unterscheidet. Wenn Sie nun eine 24-GHz-Sinuswelle nehmen und diese willkürlich ein- und ausschalten, sieht der Empfänger sie nicht so, wie Sie sie senden , da das willkürliche Ein- und Ausschalten des Signals außerhalb des 24-GHz-Bereichs liegt . Der Empfänger filtert Frequenzen außerhalb des 24-GHz-Bereichs heraus und verzerrt so das Signal. Fazit: Wenn Sie das Signal naiv durch Ein- und Ausschalten von Bits modulieren, funktioniert dies nicht mit der Idee, unerwünschte Frequenzen herauszufiltern.

Vor dem Filtern sah das obige Signal folgendermaßen aus:

Betrachten Sie es als das, was ein Funkempfänger sieht, bevor er unerwünschte Frequenzen herausfiltert. Ich denke, das ist eine vernünftige Annäherung für Laien. Beachten Sie, dass die horizontale Skalierung hier genau so ist wie in den obigen Abbildungen - Sie sehen, dass alle Frequenzen höher als 200 Hz sind. Frequenzen unter 200 Hz sind ebenfalls vorhanden, aber mit bloßem Auge nicht erkennbar.

(Die Mathematik funktioniert bei Hz- oder GHz-Skalen genauso. Lassen Sie sich also nicht abschrecken.)

FM-Radio sendet auf einer Trägerfrequenz von 98 MHz + -10 MHz, aber jeder Sender verfügt nur über Informationen im Wert von etwa 200 kHz (belegte Bandbreite). In ähnlicher Weise sendet DirecTV auf einer Trägerfrequenz von 14 GHz, aber das Signal hat wahrscheinlich nur 10 oder 100 MHz belegte Bandbreite.

Vermutlich möchte Google das 24-GHz-Band nutzen, um Signale mit viel geringerer belegter Bandbreite zu übertragen. Wenn jedoch jemand tatsächlich eine so große Menge an Bandbreite übertragen möchte, kann dies durch verschiedene Modulationstechniken unter Verwendung mehrerer Träger erfolgen.

Was die eigentliche Elektronik angeht, habe ich schon 24-GHz-MMICs gesehen. Außerdem nehmen Sie an, dass ein einzelner "Prozessor" erforderlich ist. Bei FDMA könnten 24 1-Gbit / s-Modems gestapelt werden. Das 100-Gbit / s-Ethernet, zu dem Xilinx in der Lage ist, verwendet meines Erachtens parallele Quad-GMII-Schnittstellen.

Die EM-Spektren sind ein Kontinuum, und wenn Sie die Frequenz erhöhen, wechseln Sie schließlich von HF zu optisch. Es gibt Laser-Kommunikationssysteme mit Sichtverbindung.