Kann die drahtlose Kommunikation synchron sein?

Ich verstehe, dass bei der synchronen Kommunikation Sender und Empfänger eine gemeinsame Uhr benötigen. Ist es möglich, dass die drahtlose Kommunikation synchron ist? Kann ein gemeinsames Taktelement für diesen Zweck vorhanden sein?

Ja. Zumindest irgendwie.

Da Sie aus einem kabelgebundenen Hintergrund kommen, werde ich von dort aus die Analogie erstellen:

Wenn UART nur funktioniert, weil Empfänger- und Sendertakte so ähnlich sind, dass sie für einen kurzen Burst von Bits nicht auseinander driften, gilt dies auch für die drahtlose digitale Kommunikation.

Wenn Ihre Symbolrate niedrig genug ist und der Empfänger genau die vom Sender verwendete Symbolrate kennt, kann der Empfänger die Symbole extrahieren, ohne zuerst die Logik auszuführen, um die Taktwiederherstellung durchzuführen .

In Hochgeschwindigkeits-, Mobil- und Streaming-Systemen kann dies im Allgemeinen nicht angenommen werden: Keine zwei Oszillatoren in diesem Universum sind genau gleich, und wenn Sie viele Symbole übertragen, müssen Sie daher sicherstellen, dass der Empfänger dasselbe hat Probentakt als Sender.

Wenn Sie nun versucht haben, das Äquivalent von SPI in die drahtlose Domäne zu übertragen:

• Datensignal
• Rechteckwellen-Taktsignal

Sie werden feststellen, dass das Rechteckwellen-Taktsignal eine wirklich schlechte spektrale Form hat - es hat eine unendliche Bandbreite, und selbst wenn Sie eine gewisse "Rundung" an den Kanten akzeptieren, benötigen Sie immer noch etwa das 5- bis 7-fache der tatsächlichen Datensignalbandbreite um deine Rechteckwelle zu transportieren.

Daher wird dies im Allgemeinen nicht getan.

Ich bin sicher, dass frühere drahtlose Kommunikationen eine Art sekundären Träger hatten, der zum Ableiten einer Symboluhr verwendet wurde, aber ich habe das in keinem modernen Standard gesehen.

Sie können entweder die "synchronisierte asynchrone" Route wählen, wie ich es nennen würde (und dies ist ein Begriff, den ich gerade erfunden habe):

• Senden Sie eine Präambel eines bekannten Signals, die es dem Empfänger ermöglicht, seine eigene Rate relativ zur Rate des Senders zu schätzen und von dort aus nur für die Dauer eines Bursts zu arbeiten

oder die "kontinuierliche Taktwiederherstellungsregelschleife".

Die zweite Methode wird auf viele verschiedene Arten ausgeführt, je nachdem, welches System Sie betrachten und wie komplex sich die Designer die Herstellung des Empfängers leisten können.

Ein sehr typisches Schema ist, dass Sie erkennen, dass die gesamte digitale Kommunikation im Wesentlichen pulsförmig ist .

Ohne die Zeit dazu zu haben: Sie können wirklich nicht unendlich kurze Impulse mit einer Amplitude von +1, -1, -1, +1, -1, +1 ... über einen Kanal endlicher Bandbreite senden.

Daher wenden Sie eine Pulsform an, die dazu dient, den Übergang zwischen diesen zu glätten . die Idee ist , dass bei den nach wie vor, genauen Symbolzeiten, die Werte sind genau die Symbole , die Sie senden wollten, aber dazwischen gibt es einen glatten, mit begrenzten Bandbreite Austausch.

Sie werden dies bereits erkennen, wenn Sie mit kabelgebundenen Bussen gearbeitet haben: Sie kennen das Augendiagramm . Das exakt gleiche Diagramm wird in der drahtlosen Kommunikation verwendet. Für eine gute kurzfristige drahtgebundene Kommunikation würde man jedoch normalerweise erwarten, dass das Auge nahezu quadratisch ist, während die Impulsformung mit einer runderen Form beabsichtigt ist (wenn auch notwendig). von Anfang an in drahtlosen Kommunikationen.

Dies impliziert sehr geometrisch, dass Ihr Signal "Form" genau zum richtigen Zeitpunkt Extrema hat, dh Orte, an denen Ihre Ableitung 0 ist.

Sie können jetzt einen Mechanismus erstellen, der die Steigung des Signals zu den Zeiten betrachtet, zu denen Sie Ihre Symbolzeiten annehmen. Wenn diese Steigung negativ ist, oh, wir sind zu spät, probieren Sie besser etwas früher, wenn sie positiv ist, probieren Sie etwas später. Beachten Sie, dass dies nicht bei allen Symbolübergängen der Fall ist (Übergänge mit demselben Symbol haben normalerweise nicht die maximale Amplitude zum richtigen Abtastzeitpunkt), aber normalerweise bei den meisten Übergängen.

Wenn Sie nur minimale Statistiken erstellen, können Sie diese auf einen (kleinen) Symbolratenfehler einstellen.

Wir Leute für drahtlose Kommunikation investieren also Bandbreite, die wir zur Übertragung von Informationen verwenden könnten (wofür wir bezahlt werden), um die Symbolrate synchronisierbar zu machen. Es ist kein direktes Äquivalent zu einem "synchronen Bus" in der kabelgebundenen Welt, denn abgesehen von einigen besonders seltsamen Systemen, von denen ich sicher bin, dass sie existieren (lieber Leser, wenn Sie eines kennen, lassen Sie es mich in den Kommentaren wissen), werden wir es tun Vermeiden Sie unbedingt einen separaten Symboluhrträger. Aber es ist im Wesentlichen die gleiche Idee: eine Möglichkeit zu haben, die Informationen darüber zu verschieben, wann die Symbole in den Empfänger abgetastet werden sollen.

Ich verstehe, dass bei der synchronen Kommunikation Sender und Empfänger eine gemeinsame Uhr benötigen. Ist es möglich, dass die drahtlose Kommunikation synchron ist? Kann ein gemeinsames Taktelement für diesen Zweck vorhanden sein?

Bei regulären verdrahteten Kommunikationen kann eine gemeinsame Uhr erreicht werden, ohne dass ein separater Uhrdraht verwendet werden muss. Ich denke hier an die Manchester-Codierung: -

Daten und Takt werden mit einem Exklusiv-ODER-Gatter kombiniert, um ein einzelnes Signal zu erzeugen, das decodiert werden kann, ohne auf einen separaten Taktdraht zurückzugreifen. Es ist ein Signal, das sowohl Taktinformationen als auch Daten gleichzeitig überträgt.

Da dies nun ein einzelnes (kombiniertes) Signal ist, ist es sehr gut geeignet, als Funkwelle (mit geeigneten Modulationstechniken) übertragen zu werden.

GSM verwendet sorgfältig optimierte 13-MHz-Oszillatoren (in Echtzeit in jedem Teilnehmerhandgerät optimiert), um ein Verschieben der Start- und Stoppzeiten der GSM-Sprach- / Datenpakete zu vermeiden.

Somit muss sich GSM nicht um Paketkollisionen und Wiederholungsversuche kümmern.

======= bezüglich Telemetrie aus Raketen- / Raketentests

Die NASA und ihre Vorläuferorganisationen entwickelten verschiedene "Codierungs" -Methoden, deren Definitionen unter der IRIG Inter Range Instrumentation Group standardisiert wurden. Einige dieser Muster haben lange Laufzeiten von 111111s oder 000000000s ohne Taktinformationen, und die bodengestützten Phasenregelkreise stellen die Daten einwandfrei wieder her ---- ohne dass ein paralleler Funk- / Funkkanal für Uhren benötigt wird; Es gibt sehr wenig Zeitjitter zwischen einer Rakete und der Bodenantenne. Um Hunderte von Sensoren auf dem Flugkörper zu handhaben, die alle in einen seriellen Datenstrom gemultiplext sind, wird einmal pro Frame ein spezielles SYNCH_WORD-Muster eingefügt.

Um zu funktionieren, hat ein solcher Downlink dieses Verhalten

1) Durchlaufen der Frequenzspanne, die die unvermeidbaren Doppler-Verschiebungen abdecken soll, während jeder HF-Träger auf Identifizierungsmuster getestet wird (die erwartete Bitrate)

2) Sobald die richtige Bitrate gefunden ist, eine Phasenverriegelung für die Bitübergänge durchführen; Dies ist in den meisten Fällen langsam, da die PLL eine schmale Bandbreite hat, um ein leichtes Aufbrechen der Phasenverriegelung aufgrund von Rauschbursts zu vermeiden. oder die anfängliche Sperre kann breitbandig erfolgen, und dann wird die Schleifenbandbreite stark verringert, bis die Doppler-Verschiebungen gerade noch aufgenommen sind (diese Verfolgung von Doppler erfordert möglicherweise einen Regelkreis höherer Ordnung).

3) Sobald wir eine Bit-Sperre haben, muss das Telemetriesystem den "Anfang des Rahmens" finden, damit die Daten des ersten Sensors und die Daten des zweiten Sensors usw. korrekt aus dem seriellen Bitstrom extrahiert werden können. Dies kann eine Weile dauern, da das Telemetriesystem BESTIMMT sein muss und daher den Bitstrom immer wieder auf das erwartete SPEZIELLE Bitmuster testet. Eine falsche Rahmensperre bedeutet, dass alle Daten unbrauchbar sind.

Beachten Sie die verschiedenen "synchronen" Ansätze:

a) Das Telemetriesystem wählt den richtigen HF-Kanal aus

b) das Telemetriesystem verriegelt sich mit der Bitrate und wird so mit dieser synchron

c) Das Telemetriesystem verriegelt sich mit dem Start von Frame und wird so synchron mit diesem

Da die PLUTO-Sonde nach dem Passieren von PLUTO und dem Aufnehmen vieler Fotos und anderer Sensordaten Daten zur Erde übertrug, betrug die Downlink-Datenrate etwa 100 Bit pro Sekunde, wobei sich der HF-Träger im 8-GHz-Bereich befand.

Während sich die Erde drehte, durchliefen die 3 NASA DeepSpace 70-Meter-Antennen jeweils diesen Prozess der "Erfassung" und empfingen dann diesen 100-Bit-Datenstrom für die nächsten 8 Stunden, die alle synchron abliefen.

Die NASA-Systeme waren gesperrt: RF, Bit, Frame.

============= Geschichte ================

Warum wurde IRIG definiert? weil die FM-Telemetrie etwa 20 bis 25 dB SignalNoiseRatio benötigt, damit saubere Daten auf diesen Schreibern aufgezeichnet werden können.

Während digitale Daten (auch ohne Fehlerkorrektur) bei 10 dB (oder 7 dB, je nachdem, wie Ihre Bandbreite definiert ist) SNR gut funktionieren. Bei etwa 0,1% Fehlerrate.

Mit der endlichen HF-Sendeleistung eines zu testenden Flugkörpers konnten die Luft- und Raumfahrtprojekte buchstäblich keine Telemetrie von Flugkörpern erhalten, die aus der atmostphere austraten, es sei denn, es wurden nur wenige SLOW-Sensoren verwendet. Inakzeptabel.

Durch Verringern des SNR von 27 dB auf 7 dB, was einem Unterschied von 20 dB entspricht, und angesichts des Range ^ 2-Effekts der HF-Energiedispersion hatten die Luft- und Raumfahrtunternehmen plötzlich die 10-fache Reichweite, auch ohne Fehlererkennung.

Bedeutung der Telemetrie: Die Sowjets verwendeten 320.000 Sensoren beim endgültigen (immer noch explodierten!) Start der N1. Bei früheren 3 Starts wurden nur 700 Sensoren verwendet.

Ja, dies erfolgt durch Zusammenführen des Takt- und Nutzdaten-Signals in einem (drahtlosen) Kanal.

Beispiele sind Manchester-Code oder Pulspositionsmodulation . In beiden Fällen wird das Starten der Taktwiederherstellung auf der Empfängerseite (z. B. durch Synchronisieren einer PLL) häufig durch die Verwendung einer bestimmten Präambel im Header eines Datenrahmens vereinfacht.

Eine Anwendung, bei der beispielsweise drahtloses PPM verwendet wird, ist das Sekundärüberwachungsradar (ADS-B usw.) .
Ein Oszillogramm eines ADS-B - Rahmen gezeigt hier .

Normalerweise werden Systeme, die die Uhr von einem einzelnen Kanal wiederherstellen, wie UARTs als "asynchron" bezeichnet, während "synchrone" Systeme mehrere Kanäle benötigen. Daher stimme ich den Behauptungen nicht zu, dass die Verwendung von Manchester-Codierung oder ähnlichem "synchron" ist.

Selbst wenn Sie mehrere Kanäle verwenden, ist es in Funksystemen schwierig sicherzustellen, dass die Signale zur gleichen Zeit oder sogar mit einem zuverlässigen Versatz ankommen, da Beugungs- oder Mehrwegeeffekte auftreten können. Der Doppler-Effekt kann auch Ihre Ergebnisse verzerren.

GSM-Systeme basieren auf Zeitschlitzen (TDMA), aber meines Wissens wird die zentrale Uhr nur verwendet, um zu steuern, welche mobilen Geräte in einem bestimmten Zeitschlitz senden dürfen - sie bestimmt keine Bitgrenzen.