Comment une communication supérieure à 24 GHz peut-elle être possible?

J'ai lu l'article Google veut le spectre sans fil américain pour l'Internet par ballon . Il dit d'utiliser un spectre de fréquences de plus de 24 GHz pour la communication.

Est-il jamais possible de générer cette haute fréquence en utilisant des cristaux piézoélectriques? Ou utilisent-ils un multiplicateur de fréquence PLL ?

Même s'il est possible de générer ce signal haute fréquence, et si vous souhaitez envoyer 1 bit sur chaque période de signal, il doit y avoir un processeur qui fonctionne beaucoup plus rapidement que 24 GHz. Comment est-ce possible sur un ballon?

Les communications RF ne transmettent pas un bit d'information par cycle de l'onde porteuse - ce serait des communications numériques en bande de base et cela nécessite des quantités incroyables de bande passante. Par ailleurs, vous pouvez acheter des FPGA avec des blocs durs serdes 28 Gbps intégrés. Ceux-ci peuvent sérialiser et désérialiser les données pour Ethernet 100G (surcharge de codage 4x25G +). Je suppose que la fréquence «fondamentale» dans ce cas serait en fait de 14 GHz (débit de données / 2 - réfléchissez à pourquoi!) Et ils nécessitent environ 200 MHz à 14 GHz de bande passante. Ils ne descendent pas jusqu'à DC en raison de l'utilisation du code de ligne 64b66b. La fréquence utilisée pour piloter les modules serdes serait générée par une sorte de VCO qui est verrouillé en phase sur un oscillateur à cristal de référence.

Dans le monde RF, le signal du message est modulé sur une porteuse qui est ensuite convertie à la fréquence requise pour la transmission avec des mélangeurs. Ces ballons ont probablement une bande de base inférieure à 100 MHz, ce qui signifie qu'au départ, les données numériques sont modulées sur une porteuse de fréquence relativement basse (fréquence intermédiaire) d'environ 100 MHz. Cette modulation peut être effectuée numériquement et le FI modulé généré par un convertisseur numérique-analogique à grande vitesse. Cette fréquence est ensuite traduite jusqu'à 24 GHz avec un oscillateur à 23,9 GHz et un mélangeur. Le signal résultant s'étendra de 23,95 à 24,05 GHz, 100 MHz de bande passante.

Il existe de nombreuses façons de construire des oscillateurs haute fréquence dans cette bande. Une méthode consiste à construire un DRO, qui est un oscillateur à résonance diélectrique. Considérez cela comme un circuit de réservoir LC - il y aura une certaine fréquence où il «résonnera» et générera une impédance très élevée ou très faible. Vous pouvez également considérer cela comme un filtre passe-bande étroit. Dans un DRO, on utilise un morceau de diélectrique - généralement une sorte de céramique, je crois - qui résonne à la fréquence d'intérêt. La taille et la forme physiques déterminent la fréquence. Tout ce que vous devez faire pour en faire une source de fréquence est d'ajouter un peu de gain. Il existe également des moyens d'utiliser des diodes spéciales qui présentent une résistance négative. Une diode Gunn en est un exemple. Une polarisation correcte d'une diode Gunn la fera osciller à plusieurs GHz. Une autre possibilité est quelque chose appelé un oscillateur YIG. YIG signifie Yttrium Iron Garnet. Il est courant de construire des filtres passe-bande en prenant une petite sphère YIG et en la couplant à une paire de lignes de transmission. YIG se trouve être sensible aux champs magnétiques, vous pouvez donc régler ou balayer la fréquence centrale du filtre en faisant varier le champ magnétique ambiant. Ajoutez un amplificateur et vous avez un oscillateur accordable. Il est relativement facile de mettre un YIG dans une PLL. La puissance d'un YIG est qu'il est possible de l'utiliser pour produire un balayage lisse à très large bande, et donc ils sont souvent utilisés dans les équipements de test RF tels que les analyseurs de spectre et de réseau et les sources RF de balayage et CW. Une autre méthode consiste à utiliser simplement un tas de multiplicateurs de fréquence. Tout élément non linéaire (comme une diode) produira des composantes de fréquence à des multiples de la fréquence d'entrée (2x, 3x, 4x, 5x, etc.).

Voici ma tentative de résumé profane, adapté de cette réponse .

Lorsque nous parlons de communication se produisant "à 24 GHz", nous faisons référence à une petite gamme de fréquences. Pour que le signal "à 24 GHz" ne piétine pas tous les signaux à toutes les autres fréquences, il y a une limite stricte sur la différence entre le signal et une onde sinusoïdale de 24 GHz .

L'intérêt d'avoir une "bande" radio est qu'en plaçant une limite sur la différence entre le signal et une onde sinusoïdale, il devient possible de créer des filtres qui suppriment les signaux qui diffèrent trop de votre onde sinusoïdale, les supprimant ainsi et ne les gardant que le signal qui vous intéresse.

Par exemple, voici un bruit aléatoire filtré pour ne contenir que des fréquences comprises entre 190 Hz et 210 Hz:

Notez qu'il n'est pas si loin d'une onde sinusoïdale (200 Hz). À titre de comparaison, voici le bruit filtré pour contenir 150 Hz à 250 Hz:

Notez comment il diffère beaucoup plus d'une onde sinusoïdale parfaite. Maintenant, si vous prenez une onde sinusoïdale de 24 GHz et que vous commencez à en allumer et à éteindre arbitrairement des bits, le récepteur ne le verra pas comme vous l'envoyez , car l'activation / la désactivation arbitraire de bits fera sortir le signal en dehors de la plage des 24 GHz . Le récepteur filtrera les fréquences en dehors de la plage des 24 GHz, déformant ainsi le signal. En résumé, si vous modulez le signal naïvement en activant et désactivant des bits, cela ne fonctionnera pas avec l'idée de filtrer les fréquences indésirables.

Avant le filtrage, le signal ci-dessus ressemblait à ceci:

Considérez-le comme ce qu'un récepteur radio voit avant de filtrer les fréquences indésirables. Je pense que c'est une approximation laïque raisonnable. Notez que l'échelle horizontale ici est exactement la même que dans les images ci-dessus - ce que vous voyez sont toutes les fréquences supérieures à 200 Hz impaires. Des fréquences inférieures à 200 Hz sont également présentes, mais elles ne sont pas évidentes à l'œil nu.

(les calculs fonctionnent de la même façon aux échelles Hz ou GHz, alors ne vous laissez pas décourager)

La radio FM transmet sur une fréquence porteuse de 98 MHz + -10 MHz, mais chaque station ne possède que 200 khz d'informations (bande passante occupée). De même, DirecTV transmet sur une fréquence porteuse de 14 GHz, mais le signal n'est probablement que de 10 ou 100 MHz de bande passante occupée.

Vraisemblablement, Google veut utiliser la bande 24 GHz pour transporter des signaux avec une bande passante occupée beaucoup plus faible. Mais si quelqu'un voulait réellement transmettre une si grande bande passante, cela peut être fait, par diverses techniques de modulation utilisant plusieurs porteuses.

En ce qui concerne l'électronique réelle, j'ai déjà vu des MMIC à 24 GHz. En outre, vous présumez qu'un seul "processeur" est nécessaire. Vous pourriez avoir 24 modems 1 Gbit / seconde empilés en FDMA. L'Ethernet 100 Gb / s dont Xilinx est capable, comme discuté ci-dessus, je pense utilise des interfaces GMII Quad parallèles.

Le spectre EM est un continuum, et à mesure que vous augmentez la fréquence, vous passez éventuellement de la RF à l'optique. Il existe des systèmes de communication laser en visibilité directe.