La communication sans fil peut-elle être synchrone?

Je comprends que dans une communication synchrone, l'expéditeur et le récepteur ont besoin d'une horloge commune. Est-il possible que la communication sans fil soit synchrone? Un élément d'horloge commun peut-il exister à cette fin?

Oui. En quelque sorte, au moins.

Comme vous venez d'un arrière-plan câblé, je vais construire l'analogie à partir de là:

Lorsque l'UART ne fonctionne que parce que les horloges du récepteur et de l'émetteur sont suffisamment similaires pour que, pour une courte rafale de bits, elles ne s'écartent pas, il en va de même pour les communications numériques sans fil.

Si votre taux de symboles est suffisamment faible et que le récepteur connaît exactement le taux de symboles utilisé par l'émetteur, le récepteur peut extraire les symboles sans exécuter la logique pour effectuer la récupération de l'horloge .

Dans les systèmes à haut débit, mobiles et en streaming, cela ne peut généralement pas être supposé: il n'y a pas deux oscillateurs identiques dans cet univers , et donc, lorsque vous transmettez de nombreux symboles, vous devez vous assurer que le récepteur a les mêmes échantillon d'horloge comme émetteur.

Maintenant, si vous avez essayé de prendre l'équivalent de SPI dans le domaine sans fil:

• Signal de données
• Signal d'horloge à onde carrée

vous remarquerez que le signal d'horloge à onde carrée a une très mauvaise forme spectrale - il a une bande passante infinie, et même si vous acceptez un "arrondi" sur les bords, vous auriez encore besoin d'environ 5 à 7 fois la bande passante réelle du signal de données pour transporter votre onde carrée.

Par conséquent, cela n'est généralement pas fait.

Je suis sûr que les communications sans fil antérieures avaient une sorte de porteuse secondaire qui a été utilisée pour dériver une horloge symbole, mais je n'ai vu cela dans aucune norme moderne.

Vous pouvez soit choisir ce que j'appellerais (et c'est un terme que je viens d'inventer) la route "asynchrone synchronisée":

• envoyer un préambule de signal connu, qui permet au récepteur d'estimer son propre débit par rapport au débit de l'émetteur, et de travailler à partir de là pendant la durée d'une rafale

ou la méthode "boucle de contrôle de récupération d'horloge continue".

Le second se fait vraiment de différentes manières, selon le système que vous regardez et la complexité que les concepteurs pourraient se permettre de réaliser le récepteur.

Un schéma très typique est que vous vous rendez compte que toutes les communications numériques sont essentiellement en forme d'impulsion .

Sans avoir le temps d'approfondir cela: vous ne pouvez vraiment pas envoyer d'impulsions infiniment courtes d'amplitude +1, -1, -1, +1, -1, +1 ... sur un canal à bande passante finie.

Par conséquent, vous appliquez une forme d'impulsion, qui sert à lisser la transition entre ceux-ci; l'idée est que, toujours à l' heure exacte des symboles, les valeurs sont exactement les symboles que vous vouliez envoyer, mais entre les deux, il y a un échange fluide et limité en bande passante.

Vous le reconnaîtrez déjà si vous avez travaillé avec des bus filaires: vous connaissez le diagramme des yeux . Le même schéma exact est utilisé dans les communications sans fil, bien que, généralement, pour une bonne communication filaire à court terme, vous vous attendiez à ce que l'œil soit presque carré, tandis que la mise en forme d'impulsion avec une forme plus ronde est intentionnelle (bien que nécessaire aussi). depuis le début dans les communications sans fil.

Cela, très géométriquement, implique qu'au bon moment, votre "forme" de signal a des extrema, c'est-à-dire des endroits où votre dérivée est 0.

Vous pouvez maintenant créer un mécanisme qui examine la pente du signal aux moments où vous supposez que vos temps de symbole sont. Si cette pente est négative, oh, nous sommes trop tard, il vaut mieux échantillonner un peu plus tôt, si elle est positive, échantillonner un peu plus tard. Notez que ce n'est pas le cas pour toutes les transitions de symboles (les transitions de même symbole n'ont généralement pas l'amplitude maximale au bon moment d'échantillonnage), mais c'est généralement le cas pour la plupart des transitions.

Faites quelques statistiques minimales, et vous pouvez rendre cela ajustable à une (petite) erreur de taux de symbole.

Donc, nous, les gens des communications sans fil, investissons la bande passante que nous pourrions utiliser pour transmettre des informations (ce pour quoi nous sommes payés) pour rendre le débit de symboles synchronisable. Ce n'est pas un équivalent direct d'un "bus synchrone" dans le monde filaire, car à part quelques systèmes particulièrement étranges dont je suis sûr qu'il existe (cher lecteur, si vous en connaissez un, faites-le moi savoir dans les commentaires), nous allons assurez-vous d'éviter d'avoir un support d'horloge symbole séparé. Mais c'est essentiellement la même idée: avoir un moyen de pousser les informations sur le moment où les symboles doivent être échantillonnés dans le récepteur.

Je comprends que dans une communication synchrone, l'expéditeur et le récepteur ont besoin d'une horloge commune. Est-il possible que la communication sans fil soit synchrone? Un élément d'horloge commun peut-il exister à cette fin?

Dans les communications câblées régulières, une horloge commune peut être obtenue sans recourir à un fil d'horloge séparé. Je pense ici au codage Manchester: -

Les données et l'horloge sont combinées avec une porte OU exclusif pour produire un signal unique qui peut être décodé sans recourir à un fil d'horloge séparé. C'est un signal qui transporte simultanément les informations d'horloge et les données.

Étant donné qu'il s'agit désormais d'un signal unique (combiné), il convient très bien pour être transmis sous forme d'onde radio (avec des techniques de modulation appropriées).

Le GSM utilise des oscillateurs de 13 MHz soigneusement ajustés (ajustés en temps réel, dans chaque combiné d'abonné) pour éviter de dériver les heures de début et de fin des paquets voix / données GSM.

Ainsi, le GSM n'a pas besoin de s'inquiéter de la collision de paquets et de réessayer.

======= concernant la télémétrie des tests de fusées / missiles

La NASA et ses organisations précurseurs ont mis au point diverses méthodes de "codage", avec des définitions normalisées par l'IRIG Inter Range Instrumentation Group. Certains de ces modèles ont de longues séries de 111111 ou 000000000 sans informations d'horloge, et les boucles de verrouillage de phase au sol récupèrent très bien les données ---- sans aucun canal radio / sans fil parallèle nécessaire pour les horloges; il y a très peu de gigue de synchronisation entre un missile et l'antenne au sol. Pour manipuler des centaines de capteurs sur le missile, tous multiplexés dans un flux de données série, un motif spécial SYNCH_WORD est inséré une fois par trame.

Pour fonctionner, une telle liaison descendante a ce comportement

1) balayer la plage de fréquences prévue pour couvrir les décalages Doppler inévitables, tout en testant chaque porteuse RF pour identifier les modèles (le débit binaire attendu)

2) une fois le débit binaire correct trouvé, poursuivre un verrouillage de phase pour les transitions binaires; ceci est lent dans la plupart des cas parce que la PLL a une bande passante ÉTROITE pour éviter une rupture de verrouillage de phase facile due aux salves de bruit; ou le verrouillage initial peut être fait à large bande, puis la bande passante de la boucle est fortement resserrée, là où les décalages Doppler sont à peine pris en compte (ce suivi de Doppler peut nécessiter une boucle de contrôle d'ordre supérieur)

3) une fois que nous avons un bit-lock, le système de télémétrie doit trouver "début de trame", afin que les données du premier capteur et les données du 2ème capteur, etc., puissent être correctement extraites du flux binaire série; cela peut prendre un certain temps, car le système de télémétrie DOIT ÊTRE CERTAIN, et teste ainsi le train de bits pour le motif binaire SPECIAL attendu encore et encore. Un verrouillage de trame incorrect signifie que toutes les données sont inutiles.

Notez les différentes approches "synchrones":

a) le système de télémétrie sélectionne le bon canal RF

b) le système de télémétrie se verrouille, devenant ainsi synchrone avec le débit binaire

c) le système de télémétrie se verrouille, devenant ainsi synchrone avec, le début de la trame

Comme la sonde PLUTO a transmis des données à la terre, après avoir passé PLUTO et saisi de nombreuses photos et autres données de capteur, le débit de données en liaison descendante était d'environ 100 bits par seconde, avec la porteuse RF dans la plage de 8 GHz.

Au fur et à mesure que la Terre tournait, les 3 antennes NASA DeepSpace de 70 mètres sont passées chacune par ce processus "d'acquisition" et ont ensuite reçu ce flux de données de 100 bits pendant les 8 heures suivantes, toutes se produisant de manière synchrone.

Les systèmes de la NASA étaient verrouillés: RF, bit, trame.

============= histoire ================

Pourquoi l'IRIG a-t-il été défini? parce que la télémétrie FM a besoin d'environ 20 à 25 dB SignalNoiseRatio pour que des données propres soient tracées sur ces enregistreurs graphiques.

Alors que les données numériques (même sans correction d'erreur) fonctionnent bien à 10 dB (ou 7 dB, selon la façon dont votre bande passante est définie) SNR. À un taux d'erreur d'environ 0,1%.

Avec une puissance RF émettrice limitée sur un missile en cours de test, les projets aérospatiaux ne pouvaient littéralement pas obtenir la télémétrie des missiles qui sortaient de la quasi-sphère, à moins que seulement quelques capteurs SLOW aient été utilisés. Inacceptable.

Abaissant le SNR de 27dB à 7dB, une différence de 20dB, et étant donné l'effet Range ^ 2 de la dispersion d'énergie RF, les entreprises aérospatiales avaient soudainement 10X la gamme, même sans erreur-détecter-corriger.

Importance de la télémétrie: les Soviétiques ont utilisé 320 000 capteurs lors du lancement final (toujours explosé!) Du N1. Les lancements précédents 3 n'utilisaient que 700 capteurs.

Oui, cela se fait en fusionnant le signal de données d'horloge et de données utiles dans un canal (sans fil).

Les exemples sont le code Manchester ou la modulation de position d'impulsion . Dans les deux cas (le démarrage de), la récupération d'horloge côté récepteur (par exemple en synchronisant une PLL) est souvent simplifiée en utilisant un préambule distinct dans l'en-tête d'une trame de données.

Une application où le PPM sans fil est utilisé, par exemple, est le radar de surveillance secondaire (ADS-B, etc.) .
Un oscillogramme d'une trame ADS-B est montré ici .

Normalement, les systèmes qui récupèrent l'horloge à partir d'un seul canal sont appelés "asynchrones", comme les UART, tandis que les systèmes "synchrones" nécessitent plusieurs canaux. Je ne suis donc pas d'accord avec les affirmations selon lesquelles l'utilisation du codage Manchester ou similaire est "synchrone".

Dans les systèmes radio, même si vous utilisez plusieurs canaux, il est difficile de garantir que les signaux arrivent en même temps, ou même avec un biais fiable, car il peut y avoir des effets de diffraction ou de trajets multiples. L'effet Doppler peut également fausser vos résultats.

Les systèmes GSM sont basés sur des intervalles de temps (TDMA), mais pour autant que je sache, l'horloge centrale est juste utilisée pour contrôler quel équipement mobile est autorisé à transmettre dans un intervalle de temps unique - il ne détermine pas les limites de bits.