Bisakah komunikasi nirkabel sinkron?

Saya mengerti bahwa dalam komunikasi yang sinkron, pengirim dan penerima memerlukan jam yang sama. Apakah mungkin komunikasi nirkabel menjadi sinkron? Bisakah beberapa elemen pencatatan jam kerja umum ada di sana untuk tujuan tersebut?

Iya. Agak, setidaknya.

Karena Anda berasal dari latar belakang yang berkabel, saya akan membangun analogi dari sana:

Di mana UART hanya berfungsi karena jam penerima dan pemancar cukup serupa sehingga, untuk ledakan singkat, mereka tidak terpisah, hal yang sama berlaku untuk komunikasi digital nirkabel.

Jika laju simbol Anda cukup rendah, dan penerima tahu persis tingkat simbol yang digunakan pemancar, maka penerima dapat mengekstrak simbol tanpa terlebih dahulu menjalankan logika untuk melakukan pemulihan jam .

Dalam sistem kecepatan tinggi, seluler dan streaming, umumnya, ini tidak dapat diasumsikan: tidak ada dua osilator di alam semesta ini yang persis sama, dan karenanya, ketika Anda mengirimkan banyak simbol, Anda harus memastikan bahwa penerima memiliki yang sama. sampel jam sebagai pemancar.

Sekarang, jika Anda mencoba untuk mengambil yang setara dengan SPI ke domain nirkabel:

• Sinyal data
• Sinyal jam gelombang persegi

Anda akan melihat bahwa sinyal clock gelombang persegi memiliki bentuk spektral yang sangat buruk - memiliki bandwidth tak terbatas, dan bahkan jika Anda menerima beberapa "pembulatan" di tepinya, Anda masih akan membutuhkan sekitar 5 hingga 7 kali bandwidth sinyal data aktual untuk mengangkut gelombang persegi Anda.

Karenanya, itu umumnya tidak dilakukan.

Saya yakin wireless comms sebelumnya memiliki semacam carrier sekunder yang digunakan untuk memperoleh jam simbol, tapi saya belum melihat itu dalam standar modern.

Anda dapat melakukan apa yang saya sebut (dan ini adalah istilah yang baru saya temukan) rute "disinkronkan tidak sinkron":

• mengirim mukadimah sinyal yang dikenal, yang memungkinkan penerima untuk memperkirakan tingkat sendiri relatif terhadap tingkat pemancar, dan hanya bekerja dari sana selama durasi ledakan

atau cara "loop kontrol pemulihan jam terus menerus".

Yang kedua benar-benar dilakukan dalam banyak cara berbeda, tergantung pada sistem apa yang Anda lihat, dan seberapa rumit perancang mampu membuat penerima.

Salah satu skema yang sangat khas adalah Anda menyadari bahwa semua komunikasi digital pada dasarnya berbentuk pulsa .

Tanpa memiliki waktu untuk masuk ke dalamnya: Anda benar-benar tidak dapat mengirim pulsa pendek tak terhingga dengan amplitudo +1, -1, -1, +1, -1, +1 ... melalui saluran bandwidth terbatas.

Karenanya, Anda menerapkan bentuk pulsa, yang berfungsi untuk memperlancar transisi di antaranya; idenya adalah bahwa masih, pada waktu simbol yang tepat , nilainya adalah persis simbol yang ingin Anda kirim, tetapi di antaranya, ada pertukaran yang lancar dan terbatas bandwidth.

Anda sudah akan mengenali ini jika Anda bekerja dengan bus kabel: Anda tahu diagram mata . Diagram yang sama persis digunakan dalam komunikasi nirkabel, meskipun, biasanya, untuk komunikasi kabel jangka pendek yang baik, Anda akan mengharapkan mata hampir persegi, sedangkan pulsa membentuk dengan bentuk bulat adalah disengaja (walaupun perlu, juga) dari awal di comms nirkabel.

Ini, sangat geometris, menyiratkan bahwa pada waktu yang tepat, "bentuk" sinyal Anda memiliki ekstrem, yaitu tempat-tempat di mana turunan Anda adalah 0.

Anda sekarang dapat membangun mekanisme yang melihat kemiringan sinyal pada waktu Anda menganggap waktu simbol Anda. Jika kemiringan itu negatif, oh, kita terlambat, sampel yang lebih baik sedikit lebih awal, jika positif, sampel sedikit kemudian. Perhatikan bahwa ini bukan kasus untuk semua transisi simbol (transisi dengan simbol yang sama biasanya tidak memiliki amplitudo maksimum pada waktu pengambilan sampel yang benar), tetapi biasanya demikian untuk kebanyakan transisi.

Lakukan beberapa statistik minimal, dan Anda dapat membuatnya dapat disesuaikan dengan kesalahan tingkat simbol (kecil).

Jadi, kami para pengguna nirkabel menginvestasikan bandwidth yang dapat kami gunakan untuk mengirimkan informasi (yang merupakan bayaran kami) untuk membuat laju simbol tersinkronisasi. Ini bukan setara langsung dengan "bus sinkron" di dunia kabel, karena selain dari beberapa sistem aneh yang saya yakin ada (pembaca yang budiman, jika Anda tahu satu, beri tahu saya di komentar), kami akan pastikan untuk menghindari pembawa jam simbol yang terpisah. Tetapi pada dasarnya ide yang sama: memiliki cara untuk mendorong informasi tentang kapan simbol harus diambil sampelnya ke penerima.

Saya mengerti bahwa dalam komunikasi yang sinkron, pengirim dan penerima memerlukan jam yang sama. Apakah mungkin komunikasi nirkabel menjadi sinkron? Bisakah beberapa elemen pencatatan jam kerja umum ada di sana untuk tujuan tersebut?

Dalam komunikasi kabel biasa, jam biasa dapat dicapai tanpa menggunakan kabel jam yang terpisah. Saya sedang memikirkan penyandian Manchester di sini: -

Data dan jam digabungkan dengan gerbang Exclusive-OR untuk menghasilkan sinyal tunggal yang dapat didekodekan tanpa menggunakan kabel jam yang terpisah. Ini adalah sinyal yang membawa informasi jam dan data secara bersamaan secara bersamaan.

Mengingat bahwa ini sekarang merupakan sinyal tunggal (gabungan), itu membuatnya sangat cocok untuk ditransmisikan sebagai gelombang radio (dengan teknik modulasi yang sesuai).

GSM menggunakan tweak dengan hati-hati (tweaked secara realtime, di setiap handset pelanggan) osilator 13MHz, untuk menghindari hanyutnya waktu mulai dan berhenti paket suara / data GSM.

Dengan demikian GSM tidak perlu khawatir tentang tabrakan paket dan coba lagi.

======= tentang telemetri dari pengujian roket / rudal

NASA, dan organisasi pendahulunya, mengembangkan berbagai metode "coding", dengan definisi yang distandarisasi di bawah IRIG Inter Range Instrumentation Group. Beberapa dari pola-pola ini memiliki jangka panjang 111111 atau 000000000 tanpa informasi clocking, dan loop-lock-loop loop berbasis-tanah memulihkan data dengan baik ---- tanpa radio paralel / saluran nirkabel yang diperlukan untuk jam; hanya ada sedikit jitter waktu antara rudal dan antena ground. Untuk menangani ratusan sensor pada rudal, semua multiplexed ke dalam aliran data serial, pola SYNCH_WORD khusus dimasukkan sekali bingkai.

Agar berfungsi, downlink tersebut memiliki perilaku ini

1) menyapu rentang frekuensi yang diharapkan untuk mencakup pergeseran Doppler yang tak terhindarkan, sambil menguji setiap pembawa RF untuk mengidentifikasi pola (laju bit yang diharapkan)

2) setelah bit rate yang tepat ditemukan, kemudian mengejar fase-locking ke transisi bit; ini lambat dalam kebanyakan kasus karena PLL memiliki bandwidth NARROW untuk menghindari pemutusan fase-mudah karena kebisingan meledak; atau kunci awal dapat dilakukan broadband, dan kemudian bandwidth loop diperketat, ke mana Doppler bergeser nyaris tidak tertampung (pelacakan Doppler ini mungkin memerlukan loop kontrol orde tinggi)

3) setelah kita memiliki bit-lock, sistem telemetri perlu menemukan "awal bingkai", sehingga data sensor pertama dan data sensor ke-2, dll, dapat diekstraksi dengan benar dari bit stream serial; ini mungkin memakan waktu cukup lama, karena sistem telemetri HARUS TERTENTU, dan dengan demikian menguji bit stream untuk pola bit KHUSUS yang diharapkan berulang kali. Kunci bingkai yang salah berarti semua data tidak berguna.

Perhatikan berbagai pendekatan "sinkron":

a) sistem telemetri memilih saluran RF yang benar

b) sistem telemetri mengunci, sehingga menjadi sinkron dengan, laju bit

c) sistem telemetri mengunci, sehingga menjadi sinkron dengan, awal Bingkai

Ketika probe PLUTO mentransmisikan data ke bumi, setelah melewati PLUTO dan mengambil banyak foto dan data sensor lainnya, kecepatan data downlink sekitar 100 bit per detik, dengan pembawa RF dalam kisaran 8GHz.

Saat bumi berotasi, 3 antena NASA DeepSpace 70 meter masing-masing melewati proses "akuisisi" ini dan kemudian menerima datastream 100 bit itu selama 8 jam berikutnya, semua terjadi secara serempak.

Sistem NASA dikunci: RF, bit, frame.

============= Sejarah ================

Mengapa IRIG didefinisikan? karena telemetri FM membutuhkan sekitar 20--25 dB SignalNoiseRatio untuk data bersih untuk plot pada perekam-grafik tersebut.

Sedangkan data digital (bahkan tanpa koreksi kesalahan) berfungsi dengan baik pada 10dB (atau 7dB, tergantung pada bagaimana bandwidth Anda ditentukan) SNR. Pada tingkat kesalahan sekitar 0,1%.

Dengan daya RF pemancar terbatas pada uji coba rudal, proyek-proyek kedirgantaraan benar-benar tidak bisa mendapatkan telemetri dari rudal yang keluar dari atmostphere, kecuali hanya beberapa sensor SLOW yang digunakan. Tidak bisa diterima

Menjatuhkan SNR dari 27dB ke 7dB, perbedaan 20dB, dan diberi efek Range ^ 2 dari dispersi energi RF, perusahaan kedirgantaraan tiba-tiba memiliki kisaran 10X, bahkan tanpa deteksi kesalahan yang benar.

Pentingnya telemetri: Soviet menggunakan 320.000 sensor pada peluncuran N1 yang terakhir (masih meledak!). Sebelumnya 3 peluncuran hanya menggunakan 700 sensor.

Ya, itu dilakukan dengan menggabungkan jam dan sinyal data payload menjadi satu (nirkabel) saluran.

Contohnya adalah kode Manchester atau Pulse Position Modulation . Dalam kedua kasus (memulai) pemulihan jam di sisi penerima (misalnya dengan menyinkronkan PLL) sering disederhanakan dengan menggunakan pembukaan yang berbeda di header bingkai data.

Salah satu aplikasi di mana PPM nirkabel digunakan misalnya adalah Radar pengawasan sekunder (ADS-B dll) .
Osilogram dari bingkai ADS-B ditampilkan di sini .

Biasanya sistem yang memulihkan jam dari satu saluran disebut "asinkron", seperti UART, sedangkan sistem "sinkron" memerlukan banyak saluran. Jadi saya tidak setuju dengan klaim bahwa menggunakan pengkodean Manchester atau sejenisnya adalah "sinkron".

Dalam sistem radio, bahkan jika Anda menggunakan banyak saluran, sulit untuk memastikan bahwa sinyal datang pada saat yang sama, atau bahkan dengan kemiringan yang dapat diandalkan, karena mungkin ada difraksi atau efek multipath yang terlibat. Efek Doppler juga dapat membelokkan hasil Anda.

Sistem GSM berbasis time-slot (TDMA), tetapi sejauh yang saya mengerti, jam pusat hanya digunakan untuk mengontrol peralatan seluler mana yang diizinkan untuk mentransmisikan dalam satu slot waktu - tidak menentukan batas bit.