我知道在同步通信中,发送者和接收者需要一个共同的时钟。无线通信有可能是同步的吗?可以为此目的使用一些常见的时钟元件吗?
无线通信可以同步吗?
是的。至少,有点。
由于您来自有线背景,我将从那里建立类比:
UART 之所以起作用,是因为接收器和发送器的时钟足够相似,因此对于短暂的比特突发,它们不会分开,这同样适用于无线数字通信。
如果您的符号率足够低,并且接收器确切地知道发送器使用的符号率,那么接收器可以提取符号而无需首先运行逻辑来进行时钟恢复。
在高速、移动和流媒体系统中,通常不能假设:这个宇宙中没有两个振荡器完全相同,因此,当您传输许多符号时,您必须非常确保接收器具有相同的采样时钟作为发送器。
现在,如果您尝试将等效的 SPI 带到无线域:
- 数据信号
- 方波时钟信号
您会注意到方波时钟信号的频谱形状非常糟糕——它具有无限带宽,即使您在边缘接受一些“舍入”,您仍然需要大约 5 到 7 倍的实际数据信号带宽传输您的方波。
因此,一般不会这样做。
我确信早期的无线通信有某种辅助载波用于派生符号时钟,但我在任何现代标准中都没有看到。
你可以走我所说的(这是我刚刚发明的一个术语)“同步异步”路线:
- 发送一个已知信号的前导码,允许接收器估计自己的速率相对于发射器的速率,并在突发持续时间内从那里工作
或“连续时钟恢复控制回路”方式。
第二个确实以许多不同的方式完成,具体取决于您正在查看的系统以及设计人员能够负担得起制造接收器的复杂程度。
一种非常典型的方案是,您意识到所有数字通信本质上都是脉冲形的。
如果没有时间深入探讨:您确实无法在有限带宽的通道上发送幅度为 +1、-1、-1、+1、-1、+1 的无限短脉冲。
因此,您应用了一个脉冲形状,用于平滑这些之间的过渡;这个想法仍然是,在确切的符号时间,值正是您想要发送的符号,但在两者之间,有一个平滑的、带宽有限的交换。
如果您使用过有线总线,您将已经认识到这一点:您知道眼图。完全相同的图表用于无线通信,但通常情况下,对于良好的短期有线通信,您希望眼睛几乎是方形的,而具有更圆形状的脉冲整形是有意的(尽管也是必要的)从无线通信开始。
从几何上讲,这意味着在正确的时间,您的信号“形状”具有极值,即导数为 0 的地方。
您现在可以构建一种机制,在您假设符号时间为时查看信号的斜率。如果那个斜率是负的,哦,我们太晚了,最好早一点采样,如果是正的,晚一点采样。请注意,并非所有符号转换都是这种情况(相同符号转换通常在正确的采样时间没有最大幅度),但大多数转换通常都是这种情况。
做一些最小的统计,你可以将其调整为(小)符号率误差。
因此,我们无线通信人员投资了我们可以用来传输信息的带宽(这是我们得到报酬的),以使符号率同步。它不直接等同于有线世界中的“同步总线”,因为除了一些我确定存在的特别奇怪的系统(亲爱的读者,如果你知道,请在评论中告诉我),我们将请务必避免使用单独的符号时钟载波。但这本质上是相同的想法:有一种方法可以将有关何时应将符号采样到接收器中的信息推送。
GSM 使用经过仔细调整(在每个用户手机中实时调整)的 13MHz 振荡器,以避免 GSM 语音/数据包的开始和停止时间漂移。
因此 GSM 无需担心数据包冲突和重试。
======= 关于火箭/导弹测试的遥测
NASA 及其前身组织开发了各种“编码”方法,其定义在 IRIG Inter Range Instrumentation Group 下标准化。其中一些模式具有 111111s 或 000000000s 的长时间运行,没有时钟信息,并且基于地面的锁相环可以很好地恢复数据 ---- 时钟不需要任何并行无线电/无线通道;导弹和地面天线之间的时间抖动非常小。为了处理导弹上的数百个传感器,全部复用成串行数据流,每帧插入一次特殊的 SYNCH_WORD 模式。
为了发挥作用,这样的下行链路具有这种行为
1) 扫描预期覆盖不可避免的多普勒频移的频率跨度,同时测试每个射频载波以识别模式(预期比特率)
2)一旦找到合适的比特率,就对比特转换进行锁相;在大多数情况下这很慢,因为 PLL 具有窄带宽以避免由于噪声突发而容易破坏锁相;或者可以在宽带上完成初始锁定,然后将环路带宽严重收紧,直到几乎不能适应多普勒频移(这种多普勒跟踪可能需要更高阶的控制环路)
3)一旦我们有了位锁定,遥测系统需要找到“帧开始”,因此可以正确地从串行比特流中提取第一个传感器的数据和第二个传感器的数据等;这可能需要一段时间,因为遥测系统必须是确定的,因此会一遍又一遍地测试比特流的预期特殊比特模式。不正确的帧锁定意味着所有数据都是无用的。
请注意各种“同步”方法:
a) 遥测系统选择正确的射频信道
b) 遥测系统锁定比特率,从而与比特率同步
c) 遥测系统锁定到帧的开始,从而与帧的开始同步
由于 PLUTO 探测器向地球传输数据,经过 PLUTO 并抓取许多照片和其他传感器数据后,下行数据速率约为每秒 100 比特,射频载波在 8GHz 范围内。
随着地球自转,NASA DeepSpace 的 3 根 70 米天线各自经历了这个“采集”过程,然后在接下来的 8 小时内接收到 100 位数据流,所有这些都是同步发生的。
NASA 系统被锁定:RF、位、框架。
=============历史=================
为什么要定义 IRIG?因为 FM 遥测需要大约 20--25 dB SignalNoiseRatio 才能在这些图表记录器上绘制干净的数据。
而数字数据(即使没有纠错)在 10dB(或 7dB,取决于您的带宽如何定义)的 SNR 下工作得很好。错误率约为 0.1%。
由于被测导弹的发射器射频功率有限,航空航天项目实际上无法从离开大气层的导弹获得遥测数据,除非只使用几个 SLOW 传感器。不可接受。
将 SNR 从 27dB 降低到 7dB,相差 20dB,并且考虑到 RF 能量分散的 Range^2 效应,航空航天公司突然有了 10 倍的范围,即使没有错误检测纠正。
遥测的重要性:苏联在 N1 的最后一次发射(仍然爆炸!)中使用了 320,000 个传感器。前 3 次发射仅使用了 700 个传感器。
是的,它是通过将时钟和有效载荷数据信号合并到一个(无线)通道中来完成的。
例如曼彻斯特码或脉冲位置调制。在这两种情况下(开始)接收器侧的时钟恢复(例如通过同步 PLL)通常通过在数据帧的报头中使用不同的前同步码来简化。
例如,使用无线 PPM 的一种应用是二次监视雷达(ADS-B 等)。此处
显示了 ADS-B 帧的波形图。