Como funciona a comunicação sem fio?
Esse é um problema que sempre me deixou um pouco confuso. Como funciona a comunicação sem fio de alta frequência (mais do que 100 MHz)? Eu entendo que ele tem antenas e, para recebê-lo, amplifica-o e verifica se há 1 ou 0 lógico e invertido para transmissão.
O que eu não entendo é como um IC pode se comunicar em tais velocidades? Tomemos, por exemplo, wifi, 2.4GHz. Existe um chip que está realmente processando cada bit 2,4 bilhões de vezes por segundo? Isso parece impossível. Alguém poderia explicar como um transmissor e um receptor realmente funcionam eletricamente?
No seu exemplo, 2,4 GHz é a frequência da operadora , não a taxa de dados (medida em Baud e não em Hz). O max. taxa de dados é de aproximadamente 100-1000 vezes mais baixa do que a frequência da portadora (dependendo de muitos factores, por exemplo, tipo de modulação, a SNR, etc)
— coalhada
O importante a ser observado aqui é a frequência e a modulação da portadora.
2.4GHz é a frequência da sua operadora; em formatos modernos de modulação, ela estará sempre no ar. O transmissor irradia o tempo todo que você está enviando o sinal.
Como os dados são realmente enviados?
A modulação de fase é o método mais comum. Você pode pensar muito claramente no que está acontecendo: em um cronômetro definido, você mudará de fase ou não. A Wikipedia possui um bom gráfico do QPSK , no qual você está enviando dois sinais ao mesmo tempo fora de fase e cada um codifica um pouco. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/QPSK_timing_diagram.png ">
Isso pode parecer um pouco confuso, mas você vê que sempre que eles mudam o que estão enviando, há uma mudança repentina no sinal. O PSK tem a menor taxa de erro de bit das diferentes técnicas de modulação para a mesma taxa de transmissão. Isso significa que, para a mesma taxa de erro de bits permitida, você tem a velocidade de link mais alta com o PSK.
Espero que a imagem permita que você entenda o que está acontecendo nos bastidores. Deixe-me saber se posso postar mais para ajudar a tornar isso compreensível.
Que hardware faz isso?
Esta seção eu estou mantendo breve, porque existem muitas maneiras diferentes de abordar isso com o hardware. O circuito que permite que a maioria dos ICs execute TX ou RX interno é proveniente da célula Gilbert .
Quando fazer isso?
Se você modula a frequência correta diretamente antes de irradiar e desmodula diretamente antes de receber o sinal com o qual seu circuito lida em qualquer outro lugar, será um sinal de velocidade mais lenta digital e com o qual o seu circuito pode lidar.
Os chips realmente usam a célula Gilbert? Parece propenso a ruídos, variações térmicas e alto consumo de energia ... #
— tyblu
@tyblu, quantos receptores de baixa potência você já viu. Este é o fundamento da modulação e desmodulação do CI. Eles têm muitos fatores em seu design.
As células de Gilbert são definitivamente legítimas. O principal benefício de uma célula de Gilbert é que você pode obter ganhos com isso.
@tyblu, @ w5vo, acredito que você pode fazer com que uma célula Gilbert tenha uma potência mais baixa, mas exige uma maior potência recebida da linha RX. Além disso, a maioria das circuitos de IC RX pode ser colocada no modo de baixo consumo de energia.
Enquanto vou me esquivar da questão da modulação, estou bastante familiarizado com o lado do IC.
"Como um IC pode se comunicar a velocidades superiores a 100MHz?"
Vou começar com um caso simples. A Intel projetou um processador que opera com uma frequência de relógio de 3,8 GHz. Isso está executando várias operações lógicas e armazenando os resultados a cada ciclo. Assim, não só os sinais podem ser processados ​​a 2.4GHz +, como provavelmente o seu computador já o faz.
A razão para isso é que os transistores em um IC são RÁPIDOS! Em um processo SiGe BiCMOS de 130nm, a frequência de ganho da unidade é listada como 230GHz. Eu acho que eu poderia fazer um circuito que funcione de pelo menos 5 a 10% desse valor, e esse nem é um processo de ponta.
Se você deseja maximizar a taxa de clock serial, pode usar um circuito chamado De-Serializer, que é basicamente um registro de mudança de alta frequência. Você precisaria do circuito de frequência muito alta para a entrada e depois o converteria em um formato paralelo a uma taxa de dados mais baixa. Isso é comumente usado em protocolos de alta velocidade como HDMI.
Interessante, eu me concentrei principalmente na modulação. Gostei do que você adicionou.
Não acho que sua resposta chegue ao que ele está perguntando. Há uma diferença entre a taxa de dados e a frequência da operadora. A lógica / transistores precisam apenas ser capazes de lidar com a taxa de dados. Modulação e desmodulação ocorrem como a primeira e última coisa em seu sistema.
Além disso, apenas porque um computador é capaz de rodar a 2,4ghz, não significa que ele possa lidar com 2,4ghz de largura de banda. Isso começa a entrar em jogo com a teoria da amostragem, o tamanho de cada amostra, etc.
@Kellenjb, eu discordo dessa afirmação. Embora certamente exista uma diferença entre a taxa de dados e a frequência da operadora, ainda assim seria bom se não houvesse diferença - ou seja, se a taxa de dados fosse de 2,4 GHz. Eu diria que, no mínimo, um computador de 2,4 GHz teria uma largura de banda de 2,4 GHz * de linhas de dados com freqüência de 2,4 GHz. Se o sinal do relógio (gerado no chip) for de 2,4 GHz, o sinal terá harmônicos na faixa de 7,2 GHz. Estou abordando apenas uma parte de sua pergunta: "como um CI pode se comunicar em tais velocidades".
@kellenjb, @ w5vo, vocês dois estão dizendo algo diferente. Sim, a modulação reduz a frequência para uma frequência mais barata de operar. Sim, os circuitos podem ir tão rápido, mas aumentam os custos. Eu acho que ambos são conceitos importantes.
Embora existam algumas exceções especiais, a maioria das comunicações via rádio geralmente é obtida com a ajuda de conversão ascendente e conversão descendente.
Basicamente, um transmissor começa com um circuito para modular informações (voz ou dados) em um sinal de frequência convenientemente baixa e fácil de trabalhar - algumas dezenas ou centenas de quilohertz para aplicações em banda estreita, geralmente entre 10 e 45 MHz para os de banda mais larga. Nessas frequências, os circuitos analógicos funcionam bem ou é possível usar um conversor D / A na saída de um DSP que faz a modulação matematicamente. (Para taxas de dados superiores a um "chip DSP", é usada a lógica paralela em um ASIC ou FPGA, portanto, cada caminho individual pode ter que calcular apenas a cada 8 ou 32 ou qualquer amostra necessária pelo DA).
O transmissor também contém um oscilador ou sintetizador para gerar um sinal mais próximo da freqüência desejada do transmissor e um misturador que multiplica os dois sinais juntos, causando a geração de frequências de soma e diferença. A soma ou a diferença será a frequência de transmissão desejada e é selecionada por um filtro, amplificado e enviado à antena. (Ocasionalmente são necessários vários estágios de conversão)
O receptor funciona da mesma maneira, apenas no sentido inverso. Um sinal do oscilador local é subtraído do sinal da antena amplificada (ou vice-versa), criando uma frequência de diferença intermediária que volta à faixa mais conveniente para se trabalhar (em receptores de transmissão AM, normalmente 455 KHz - para FM, tradicionalmente 10,7 KHz e depois convertido novamente para 455 KHz, embora hoje permaneça em 10,7 MHz também funcione). Essa frequência intermediária pode ser processada por uma circunferência de desmodulador ou digitalizada em um conversor A / D rápido e alimentada em um DSP potencialmente paralelo para concluir o processo.
Se a largura de banda desejada dos dados a serem transmitidos for menor que cerca de 10 KHz, é possível usar uma placa de som do computador para produzir um receptor ou transmissor de alto desempenho, posicionando a frequência intermediária em, digamos, 10 KHz e usando o software para processar uma largura de banda que mede 5 -15 KHz.
Hoje, uma técnica comum é explorar algumas propriedades de números complexos e fazer a modulação / desmodulação equilibrada em torno de uma frequência central de 0, de modo que contenha frequências positivas e negativas. Ao usar duas fases do oscilador e algo chamado misturador de rejeição de imagens, uma das duas frequências resultantes é cancelada e a outra é reforçada. No entanto, são necessários dois conversores D / A ou A / D - um para a fase "I" e outro para o "Q". Você pode fazer isso com uma placa de som estéreo, embora as tampas de bloqueio de CC criem um buraco na banda passante bem no meio, no que for convertido para a frequência 0.
100 MHz é a frequência da operadora, não a taxa de transmissão de dados. Uma modulação da frequência portadora é o que carrega os dados. O rádio AM varia a amplitude do sinal para modulá-lo. FM varia ligeiramente a frequência da frequência portadora. PSK é chaveamento de mudança de fase. Muda a fase do sinal da portadora.
Um modulador encarrega os dados e aplica modulação à transportadora para enviá-los. Um desmodulador recebe a transportadora e separa a modulação da extração dos dados.