¿La comunicación inalámbrica puede ser sincrónica?

Entiendo que en la comunicación sincrónica, el emisor y el receptor necesitan un reloj común. ¿Es posible que la comunicación inalámbrica sea sincrónica? ¿Puede algún elemento de reloj común estar allí para tal propósito?

Si. Tipo de, al menos.

Como vienes de un fondo cableado, construiré la analogía a partir de ahí:

Donde UART solo funciona porque los relojes del receptor y el transmisor son lo suficientemente similares como para que, durante una breve ráfaga de bits, no se separen, lo mismo se aplica a las comunicaciones digitales inalámbricas.

Si su velocidad de símbolos es lo suficientemente baja y el receptor sabe exactamente la velocidad de símbolos que usa el transmisor, entonces el receptor puede extraer los símbolos sin primero ejecutar la lógica para hacer la recuperación del reloj .

En sistemas de alta velocidad, móviles y de transmisión, en general, esto no se puede suponer: no hay dos osciladores en este universo exactamente iguales, y por lo tanto, cuando transmite muchos símbolos, debe asegurarse de que el receptor tenga el mismo muestra de reloj como transmisor.

Ahora, si trató de llevar el equivalente de SPI al dominio inalámbrico:

• Señal de datos
• Señal de reloj de onda cuadrada

notará que la señal del reloj de onda cuadrada tiene una forma espectral realmente mala: tiene un ancho de banda infinito, e incluso si acepta algún "redondeo" en los bordes, aún necesitaría entre 5 y 7 veces el ancho de banda real de la señal de datos para transportar tu ola cuadrada.

Por lo tanto, eso generalmente no se hace.

Estoy seguro de que las comunicaciones inalámbricas anteriores tenían algún tipo de operador secundario que se usaba para derivar un reloj de símbolos, pero no lo he visto en ningún estándar moderno.

Puedes ir a lo que yo llamaría (y este es un término que acabo de inventar) la ruta "asincrónica sincronizada":

• envía un preámbulo de señal conocida, que permite al receptor estimar su propia velocidad en relación con la velocidad del transmisor, y simplemente trabajar desde allí durante la duración de una ráfaga

o la forma de "bucle de control de recuperación de reloj continuo".

El segundo realmente se realiza de muchas maneras diferentes, dependiendo del sistema que esté mirando y de lo complejo que los diseñadores puedan permitirse hacer el receptor.

Un esquema muy típico es que te das cuenta de que todas las comunicaciones digitales tienen esencialmente forma de pulso .

Sin tener el tiempo para profundizar en eso: realmente no puede enviar pulsos infinitamente cortos con amplitud +1, -1, -1, +1, -1, +1 ... a través de un canal de ancho de banda finito.

Por lo tanto, aplica una forma de pulso, que sirve para suavizar la transición entre estos; la idea es que aún así, en el momento exacto del símbolo, los valores son exactamente los símbolos que desea enviar, pero en el medio, hay un intercambio suave y de ancho de banda limitado.

Ya lo reconocerá si ha trabajado con autobuses con cable: conoce el diagrama del ojo . El mismo diagrama se usa exactamente en las comunicaciones inalámbricas, aunque, por lo general, para una buena comunicación por cable a corto plazo, es de esperar que el ojo sea casi cuadrado, mientras que la forma del pulso con una forma más redondeada es intencional (aunque también necesaria) desde el principio en comunicaciones inalámbricas.

Esto, muy geométricamente, implica que en los momentos exactos, su "forma" de señal tiene extremos, es decir, lugares donde su derivada es 0.

Ahora puede construir un mecanismo que mire la pendiente de la señal en los momentos en que asume que son los tiempos de su símbolo. Si esa pendiente es negativa, oh, es demasiado tarde, mejor muestra un poco antes, si es positiva, muestra un poco más tarde. Tenga en cuenta que este no es el caso para todas las transiciones de símbolos (las transiciones del mismo símbolo generalmente no tienen la amplitud máxima en el tiempo de muestreo correcto), pero es el caso para la mayoría de las transiciones, por lo general.

Haga algunas estadísticas mínimas, y puede hacer que esto se ajuste a un error de velocidad de símbolo (pequeño).

Entonces, nosotros, los comunicadores inalámbricos, invertimos el ancho de banda que podríamos estar usando para transmitir información (que es lo que nos pagan) para hacer que la velocidad de símbolos sea sincronizable. No es un equivalente directo a un "bus sincrónico" en el mundo conectado, porque aparte de algunos sistemas especialmente extraños que estoy seguro de que existen (querido lector, si conoces uno, házmelo saber en los comentarios), asegúrese de evitar tener un portador de reloj de símbolo separado. Pero es esencialmente la misma idea: tener una forma de enviar la información sobre cuándo los símbolos deben ser muestreados en el receptor.

Entiendo que en la comunicación sincrónica, el emisor y el receptor necesitan un reloj común. ¿Es posible que la comunicación inalámbrica sea sincrónica? ¿Puede algún elemento de reloj común estar allí para tal propósito?

En las comunicaciones cableadas normales, se puede lograr un reloj común sin recurrir a la aplicación de un cable de reloj separado. Estoy pensando aquí en la codificación Manchester: -

Los datos y el reloj se combinan con una puerta OR exclusiva para producir una señal única que se puede decodificar sin recurrir a un cable de reloj separado. Es una señal que transporta la información del reloj y los datos juntos simultáneamente.

Dado que esta es ahora una señal única (combinada), hace que sea muy adecuada para ser transmitida como una onda de radio (con técnicas de modulación adecuadas).

GSM utiliza osciladores de 13MHz cuidadosamente ajustados (ajustados en tiempo real, en cada auricular del suscriptor), para evitar la deriva de los tiempos de inicio y finalización de los paquetes de voz / datos GSM.

Por lo tanto, GSM no necesita preocuparse por la colisión de paquetes y volver a intentarlo.

======= con respecto a la telemetría de las pruebas de cohetes / misiles

La NASA, y sus organizaciones precursoras, desarrollaron varios métodos de "codificación", con definiciones estandarizadas bajo el Grupo de Instrumentación IRIG Inter Range. Algunos de estos patrones tienen largos períodos de 111111 o 000000000 sin información de reloj, y los bucles de bloqueo de fase en tierra recuperan los datos perfectamente, sin ningún canal paralelo de radio / inalámbrico necesario para los relojes; Hay muy poca fluctuación de tiempo entre un misil y la antena terrestre. Para manejar cientos de sensores en el misil, todos multiplexados en un flujo de datos en serie, se inserta un patrón SYNCH_WORD especial una vez por cuadro.

Para funcionar, dicho enlace descendente tiene este comportamiento

1) barra el rango de frecuencia que se espera cubra los inevitables cambios Doppler, mientras prueba cada portadora de RF para identificar patrones (la tasa de bits esperada)

2) una vez que se encuentra la velocidad de bits adecuada, entonces persigue un bloqueo de fase para las transiciones de bits; esto es lento en la mayoría de los casos porque el PLL tiene un ancho de banda NARROW para evitar el bloqueo de fase de ruptura fácil debido a las ráfagas de ruido; o el bloqueo inicial se puede hacer de banda ancha, y luego el ancho de banda del bucle se reduce severamente, a donde los cambios Doppler apenas se acomodan (este seguimiento de Doppler puede requerir un bucle de control de orden superior)

3) una vez que tenemos un bloqueo de bits, el sistema de telemetría necesita encontrar el "inicio de trama", para que los datos del primer sensor y los datos del segundo sensor, etc., puedan extraerse correctamente del flujo de bits en serie; esto puede llevar un tiempo, porque el sistema de telemetría DEBE SER DETERMINADO, y por lo tanto prueba el flujo de bits para el patrón de bits ESPECIAL esperado una y otra vez. El bloqueo de trama incorrecto significa que todos los datos son inútiles.

Tenga en cuenta los diversos enfoques "sincrónicos":

a) el sistema de telemetría selecciona el canal de RF correcto

b) el sistema de telemetría se bloquea y se sincroniza con la velocidad de bits

c) el sistema de telemetría se bloquea y se sincroniza con el inicio de Frame

A medida que la sonda PLUTO transmitía datos a la tierra, después de pasar PLUTO y tomar muchas fotos y otros datos del sensor, la velocidad de datos del enlace descendente era de aproximadamente 100 bits por segundo, con la portadora de RF en el rango de 8 GHz.

A medida que la Tierra giraba, las 3 antenas de 70 metros de DeepSpace de la NASA pasaron por este proceso de "adquisición" y luego recibieron ese flujo de datos de 100 bits durante las siguientes 8 horas, todo sincrónicamente.

Los sistemas de la NASA estaban bloqueados: RF, bit, frame.

============= historia ================

¿Por qué se definió IRIG? porque la telemetría FM necesita alrededor de 20-25 dB SignalNoiseRatio para datos limpios para trazar en esos registradores de gráficos.

Mientras que los datos digitales (incluso sin corrección de errores) funcionan bien a 10 dB (o 7 dB, dependiendo de cómo se defina su ancho de banda) SNR. Con una tasa de error de aproximadamente 0.1%.

Con la potencia de RF del transmisor finito en un misil bajo prueba, los proyectos aeroespaciales literalmente no podían obtener telemetría de los misiles que salían de la atmósfera, a menos que solo se usaran unos pocos sensores SLOW. Inaceptable.

Al dejar caer la SNR de 27dB a 7dB, una diferencia de 20dB, y dado el efecto de Rango ^ 2 de la dispersión de energía de RF, las compañías aeroespaciales de repente tuvieron 10 veces el rango, incluso sin detección de error-corrección.

Importancia de la telemetría: los soviéticos utilizaron 320,000 sensores en el lanzamiento final (¡todavía explotó!) Del N1. Los 3 lanzamientos anteriores solo usaban 700 sensores.

Sí, se hace fusionando el reloj y la señal de datos de carga útil en un canal (inalámbrico).

Los ejemplos son código Manchester o modulación de posición de pulso . En ambos casos (iniciar) la recuperación del reloj en el lado del receptor (por ejemplo, sincronizando un PLL) a menudo se simplifica mediante el uso de un preámbulo distinto en el encabezado de una trama de datos.

Una aplicación donde se utiliza PPM inalámbrico, por ejemplo, es el radar de vigilancia secundaria (ADS-B, etc.) . Aquí
se muestra un oscilograma de un marco ADS-B .

Normalmente, los sistemas que recuperan el reloj de un solo canal se denominan "asíncronos", como los UART, mientras que los sistemas "sincrónicos" requieren múltiples canales. Así que no estoy de acuerdo con las afirmaciones de que usar la codificación Manchester o similar es "sincrónico".

En los sistemas de radio, incluso si usa múltiples canales, es difícil asegurarse de que las señales lleguen al mismo tiempo, o incluso con un sesgo confiable, ya que puede haber efectos de difracción o multitrayectoria involucrados. El efecto Doppler también puede sesgar sus resultados.

Los sistemas GSM están basados ​​en intervalos de tiempo (TDMA), pero hasta donde yo entiendo, el reloj central solo se usa para controlar qué equipo móvil puede transmitir en cualquier intervalo de tiempo; no determina los límites de bits.