¿Cómo puede ser posible una comunicación de más de 24 GHz?

Leí el artículo que Google quiere del espectro inalámbrico de EE. UU . Para Internet basado en globos . Dice usar más de 24 GHz de espectro de frecuencia para la comunicación.

¿Es posible generar esa alta frecuencia usando cristales piezoeléctricos? ¿O están usando un multiplicador de frecuencia PLL ?

Incluso si es posible generar esa señal de alta frecuencia, y si desea enviar 1 bit en cada período de señal, debe haber un procesador que funcione mucho más rápido que 24 GHz. ¿Cómo es eso posible en un globo?

Las comunicaciones de RF no transmiten un bit de información por ciclo de la onda portadora, eso sería comunicaciones digitales de banda base y requiere cantidades increíbles de ancho de banda. Por cierto, puede comprar FPGA con bloques duros de serdes integrados de 28 Gbps. Estos pueden serializar y deserializar datos para Ethernet de 100G (4x25G + sobrecarga de codificación). Supongo que la frecuencia 'fundamental' en este caso en realidad sería de 14 GHz (velocidad de datos / 2; ¡piense por qué es así!) Y requieren alrededor de 200 MHz a 14 GHz de ancho de banda. No llegan hasta DC debido al uso del código de línea 64b66b. La frecuencia utilizada para controlar los módulos serdes sería generada por algún tipo de VCO que está bloqueado en fase a un oscilador de referencia de cristal.

En el mundo de RF, la señal del mensaje se modula en una portadora que luego se convierte a la frecuencia requerida para la transmisión con mezcladores. Estos globos probablemente tengan una banda base de menos de 100 MHz, lo que significa que inicialmente los datos digitales se modulan en una portadora de frecuencia relativamente baja (frecuencia intermedia) de alrededor de 100 MHz. Esta modulación puede hacerse digitalmente y el IF modulado generado por un DAC de alta velocidad. Luego, esta frecuencia se traduce hasta 24 GHz con un oscilador de 23.9 GHz y un mezclador. La señal resultante se extenderá de 23.95 a 24.05 GHz, 100 MHz de ancho de banda.

Hay muchas formas de construir osciladores de alta frecuencia en esa banda. Un método es construir un DRO, que es un oscilador de resonancia dieléctrica. Piense en esto como un circuito de tanque LC: habrá cierta frecuencia en la que 'resonará' y generará una impedancia muy alta o muy baja. También podría pensar en esto como un filtro de paso de banda estrecho. En un DRO, se usa una pieza de dieléctrico, por lo general creo que algún tipo de cerámica, que resuena con la frecuencia de interés. El tamaño físico y la forma determinan la frecuencia. Todo lo que necesita hacer para convertirlo en una fuente de frecuencia es agregar algo de ganancia. También hay formas de usar diodos especiales que exhiben resistencia negativa. Un diodo Gunn es un ejemplo. La polarización correcta de un diodo Gunn hará que oscile a varios GHz. Otra posibilidad es algo llamado oscilador YIG. YIG significa granate de hierro itrio. Es común construir filtros de paso de banda tomando una pequeña esfera YIG y acoplándola a un par de líneas de transmisión. YIG es sensible a los campos magnéticos, por lo que puede sintonizar o barrer la frecuencia central del filtro variando el campo magnético ambiental. Agregue un amplificador y tendrá un oscilador sintonizable. Es relativamente fácil poner un YIG en un PLL. El poder de un YIG es que es posible usarlo para producir un barrido suave de banda muy amplia y, por lo tanto, a menudo se usan en equipos de prueba de RF como analizadores de espectro y de red y fuentes de barrido y RF de CW. Otro método es simplemente usar un montón de multiplicadores de frecuencia. Cualquier elemento no lineal (como un diodo) producirá componentes de frecuencia en múltiplos de la frecuencia de entrada (2x, 3x, 4x, 5x, etc.).

Aquí está mi intento de un resumen laico, adaptado de esta respuesta .

Cuando hablamos de que la comunicación ocurre "a 24 GHz", nos referimos a un pequeño rango de frecuencias. Para que la señal "a 24 GHz" no pisotee las señales en todas las demás frecuencias, hay un límite estricto sobre cuánto se permite que la señal difiera de una onda sinusoidal de 24 GHz .

El objetivo de tener una "banda" de radio es que al poner un límite a la cantidad de señal que puede diferir de una onda sinusoidal, es posible crear filtros que eliminen las señales que difieren demasiado de su onda sinusoidal, suprimiéndolas y manteniéndolas solo la señal que te interesa.

Por ejemplo, aquí se filtra el ruido aleatorio para contener solo frecuencias entre 190 Hz y 210 Hz:

Observe que no está tan lejos de una onda sinusoidal (200 Hz). A modo de comparación, aquí hay ruido filtrado para contener 150 Hz a 250 Hz:

Observe cómo difiere mucho más de una onda sinusoidal perfecta. Ahora, si toma una onda sinusoidal de 24 GHz y comienza a encender y apagar bits arbitrariamente, el receptor no lo verá de la manera en que lo envía , porque al encender / apagar bits arbitrariamente la señal caerá fuera del rango de 24 GHz . El receptor filtrará las frecuencias fuera del rango de 24 GHz, distorsionando así la señal. La conclusión es: si modula la señal ingenuamente activando y desactivando bits, no funcionará con la idea de filtrar frecuencias no deseadas.

Antes de filtrar, la señal anterior se veía así:

Piense en ello como lo que ve un receptor de radio antes de filtrar las frecuencias no deseadas. Creo que es una aproximación laica razonable. Tenga en cuenta que la escala horizontal aquí es exactamente la misma que en las imágenes de arriba: lo que está viendo son todas las frecuencias superiores a 200 Hz. Las frecuencias por debajo de 200 Hz también están allí, pero no son obvias a simple vista.

(las matemáticas funcionan igual a escalas de Hz o GHz, así que no dejes que esto te desanime)

La radio FM transmite en una frecuencia portadora de 98MHz + -10MHz, pero cada estación solo tiene alrededor de 200khz de información (ancho de banda ocupado). Del mismo modo, DirecTV transmite en una frecuencia portadora de 14 GHz, pero la señal es probablemente de solo 10 o 100 MHz de ancho de banda ocupado.

Presumiblemente, Google quiere usar la banda de 24 GHz para transportar señales con un ancho de banda ocupado mucho menor. Pero si alguien quisiera transmitir realmente una cantidad tan grande de ancho de banda, puede hacerse mediante diversas técnicas de modulación utilizando múltiples portadoras.

En cuanto a la electrónica real, he visto MMIC de 24 GHz antes. Además, presume que un solo "procesador" es necesario. Podría tener 24 módems de 1 Gbit / segundo apilados haciendo FDMA. El ethernet de 100 Gb / s que Xilinx es capaz de hacer, como se discutió anteriormente, creo que usa interfaces Quad GMII paralelas.

El espectro EM es un continuo, y a medida que aumenta la frecuencia, eventualmente pasa de RF a óptico. Existen sistemas de comunicación láser de línea de vista en existencia.