无线通信是如何工作的?

电器工程 无线的
2022-01-23 16:38:25

这是一个一直让我有点困惑的问题。高频(无论如何超过 100MHz)无线通信实际上是如何工作的?我知道它有一个天线,为了接收它会放大它并检查逻辑 1 或 0 并反转以进行传输。

我不明白的是IC如何以这样的速度进行通信?以 wifi、2.4GHz 为例。有没有一种芯片实际上每秒处理每个比特 24 亿次?这似乎是不可能的。有人能解释一下发射器和接收器实际上是如何电气工作的吗?

4个回答

这里要注意的重要一点是载波频率和调制。

2.4GHz 是您的载波频率,在现代调制格式中,它将始终处于空中。在您发送信号的整个过程中,发射器都会辐射。

数据实际上是如何发送的?

相位调制是最常用的方法。您可以非常清楚地考虑正在发生的事情,在设定的计时器上,您要么改变阶段,要么不改变阶段。Wikipedia 有一个很好的 QPSK 图表,您实际上是同时发送两个异相信号,每个信号都编码一点。http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/QPSK_timing_diagram.png">

这可能看起来有点令人困惑,但你会看到,每当他们改变他们发送的位时,信号就会突然发生变化。对于相同的波特率,PSK 在不同调制技术中具有最低的误码率。这意味着对于相同的允许误码率,您使用 PSK 具有最高的链接速度。

我希望这张图片能让你了解幕后发生的事情。让我知道我是否可以发布更多信息以帮助理解这一点。

这是什么硬件?

这部分我保持简短,因为有许多不同的方法可以用硬件来解决这个问题。允许大多数 IC 进行内部 TX 或 RX 的电路来自吉尔伯特单元

什么时候做?

如果您在辐射之前直接调制到正确的频率,并在接收信号之前直接解调,那么您的电路在其他地方处理的信号将是一个速度较慢的数字信号,您的电路可以处理。

虽然我会回避调制问题,但我对 IC 方面的事情相当熟悉。

“IC 如何以超过 100MHz 的速度进行通信?”

我将从一个简单的案例开始。英特尔设计了一种以 3.8GHz 时钟频率运行的处理器。这是执行多个逻辑操作并在每个周期存储结果。因此,不仅可以在 2.4GHz+ 上处理信号,您的计算机可能已经这样做了。

原因是IC上的晶体管速度很快!在 130nm SiGe BiCMOS 工艺中,单位增益频率被列为230GHz。我认为我可以制作出至少能达到该值 5-10% 的电路,而这甚至不是一个前沿工艺。

如果你想最大化串行时钟速率,你可以使用一个叫做解串器的电路,它基本上是一个高频移位寄存器。您需要非常高频的输入电路,然后以较低的数据速率将其转换为并行格式。这通常用于 HDMI 等高速协议。

虽然有一些特殊的例外,但大多数无线电通信通常是在上变频和下变频的帮助下实现的。

基本上,发射器从一个电路开始,用于将信息(无论是语音还是数据)调制到一个易于使用的低频信号上——对于窄带应用来说是几十或几百千赫,通常在 10 到 45 MHz 之间对于更宽的频段。在这些频率下,模拟电路运行良好,或者实际上可以在 DSP 的输出端使用 D/A 转换器,以数学方式进行调制。(对于高于“DSP 芯片”可以处理的数据速率,使用 ASIC 或 FPGA 中的并行逻辑,因此每个单独的路径可能只需要计算每 8 个或 32 个或任何 DA 所需的样本)。

发射器还包含一个振荡器或合成器,用于生成更接近所需发射器频率的信号,以及一个将两个信号相乘在一起的混频器,从而产生和频和差频。总和或差将是所需的传输频率,并由滤波器选择,放大并发送到天线。(有时需要多个转换阶段)

接收器的工作方式相同,只是相反。从放大的天线信号中减去本地振荡器信号(或相反),创建一个中间差频,该频率回落到更方便使用的范围内(在 AM 广播接收器中,通常为 455 KHz - 对于 FM,传统上10.7 KHz,然后再次转换为 455 KHz,尽管今天保持在 10.7 MHz 也可以)。该中频可由解调器电路处理,或在快速 A/D 转换器中数字化并馈入潜在的并行 DSP 以完成该过程。

如果要传输的数据的所需带宽小于 10 KHz,实际上可以使用计算机声卡制作高性能接收器或发送器,方法是将中频定位在 10 KHz,并使用软件处理跨越 5 的带宽-15 千赫兹。

今天,一种常见的技术是利用复数的某些特性,并在中心频率 0 周围进行平衡调制/解调,使其同时包含正频率和负频率。通过使用振荡器的两个相位和称为镜像抑制混频器的东西,两个产生的频率之一抵消,另一个加强。但是,需要两个 D/A 或 A/D 转换器——一个用于“I”相,另一个用于“Q”相。您可以使用立体声声卡来做到这一点,尽管直流阻隔帽会在中间的通带中创建一个孔,该孔被转换为 0 频率。

100 MHz 是载波频率,而不是数据传输速率。载波频率的调制是承载数据的。AM 无线电通过改变信号的幅度来对其进行调制。FM 的频率与载波频率略有不同。PSK是相移键控。它改变了载波信号的相位。

调制器负责处理数据并将调制应用于载波以发送数据。解调器接收载波并将调制与其分离,从而提取数据。