Como é possível uma comunicação acima de 24 GHz?

Li o artigo que o Google quer que o espectro sem fio dos EUA para Internet baseada em balão . Diz usar mais de 24 GHz espectro de frequência para comunicação.

É possível gerar essa alta frequência usando cristais piezoelétricos? Ou eles estão usando um multiplicador de frequência PLL ?

Mesmo que seja possível gerar esse sinal de alta frequência e se você deseja enviar 1 bit em cada período de sinal, deve haver um processador que esteja funcionando muito mais rápido que 24 GHz. Como isso é possível em um balão?

As comunicações de RF não transmitem um bit de informação por ciclo da onda portadora - isso seria comunicação digital de banda base e requer quantidades incríveis de largura de banda. Aliás, você pode comprar FPGAs com blocos rígidos serdes de 28 Gbps. Eles podem serializar e desserializar dados para Ethernet 100G (sobrecarga de codificação 4x25G +). Suponho que a frequência 'fundamental' nesse caso seja de 14 GHz (taxa de dados / 2 - pense no motivo disso!) E eles exigem de 200 a 14 GHz de largura de banda. Eles não vão até o DC devido ao uso do código de linha 64b66b. A frequência usada para acionar os módulos serdes seria gerada por algum tipo de VCO com fase bloqueada em um oscilador de referência de cristal.

No mundo da RF, o sinal de mensagem é modulado em uma transportadora que é então convertida para a frequência necessária para a transmissão com misturadores. Esses balões provavelmente têm uma banda base inferior a 100 MHz, o que significa que inicialmente os dados digitais são modulados em uma portadora de frequência relativamente baixa (frequência intermediária) de cerca de 100 MHz. Essa modulação pode ser feita digitalmente e o IF modulado gerado por um DAC de alta velocidade. Em seguida, essa frequência é convertida em até 24 GHz com um oscilador de 23,9 GHz e um mixer. O sinal resultante se estenderá de 23,95 a 24,05 GHz, 100 MHz de largura de banda.

Existem muitas maneiras de construir osciladores de alta frequência nessa banda. Um método é construir um DRO, que é um oscilador de ressonância dielétrica. Pense nisso como um circuito de tanque LC - haverá alguma frequência em que ele "ressonará" e gerará uma impedância muito alta ou muito baixa. Você também pode pensar nisso como um filtro passa-banda estreito. Em um DRO, um pedaço de dielétrico é usado - geralmente algum tipo de cerâmica, acredito - que ressoa na frequência de interesse. O tamanho físico e a forma determinam a frequência. Tudo o que você precisa fazer para transformá-lo em uma fonte de frequência é adicionar algum ganho. Existem também maneiras de usar diodos especiais que exibem resistência negativa. Um diodo de Gunn é um exemplo. A polarização correta de um diodo de Gunn fará com que ele oscile em vários GHz. Outra possibilidade é algo chamado oscilador YIG. YIG significa Yttrium Iron Garnet. É comum construir filtros passa-banda pegando uma pequena esfera YIG e acoplando-a a um par de linhas de transmissão. O YIG é sensível aos campos magnéticos, para que você possa sintonizar ou varrer a frequência central do filtro variando o campo magnético do ambiente. Adicione um amplificador e você terá um oscilador ajustável. É relativamente fácil colocar um YIG em um PLL. O poder de um YIG é que é possível usá-lo para produzir uma varredura suave de banda muito larga e, portanto, eles são frequentemente usados ​​em equipamentos de teste de RF, como analisadores de espectro e rede e fontes de varredura e CW RF. Outro método é simplesmente usar um monte de multiplicadores de frequência. Qualquer elemento não linear (como um diodo) produzirá componentes de frequência em múltiplos da frequência de entrada (2x, 3x, 4x, 5x, etc.).

Aqui está minha tentativa de um resumo leigo, adaptado desta resposta .

Quando falamos sobre comunicação acontecendo "a 24 GHz", estamos nos referindo a uma pequena faixa de frequências. Para que o sinal "a 24 GHz" não atropele todos os sinais em todas as outras frequências, há um limite rígido de quanto o sinal pode diferir de uma onda senoidal de 24 GHz .

O ponto principal de ter uma "banda" de rádio é que, ao colocar um limite em quanto o sinal pode diferir para uma onda senoidal, torna-se possível criar filtros que removem sinais que diferem muito da sua onda senoidal, suprimindo-os e mantendo apenas o sinal que você está interessado.

Por exemplo, aqui está o ruído aleatório filtrado para conter apenas frequências entre 190 Hz e 210 Hz:

Observe que não está tão longe de uma onda senoidal (200 Hz). Para comparação, aqui está o ruído filtrado para conter 150 Hz a 250 Hz:

Observe como difere muito mais de uma onda senoidal perfeita. Agora, se você pegar uma onda senoidal de 24 GHz e começar a ligar e desligar arbitrariamente bits, o receptor não a verá da maneira que você a envia , porque ativar / desativar bits arbitrariamente fará com que o sinal caia fora da faixa de 24 GHz . O receptor filtrará as frequências fora da faixa de 24 GHz, distorcendo o sinal. A linha inferior é: se você modular o sinal ingenuamente, ativando e desativando os bits, ele não funcionará com a idéia de filtrar frequências indesejadas.

Antes da filtragem, o sinal acima era assim:

Pense nisso como o que um receptor de rádio vê antes de filtrar frequências indesejadas. Eu acho que é uma aproximação razoável dos leigos. Observe que a escala horizontal aqui é exatamente a mesma das imagens acima - o que você vê são todas as frequências maiores que 200 Hz ímpares. Frequências abaixo de 200 Hz também estão lá, mas não são óbvias a olho nu.

(a matemática funciona da mesma forma nas escalas de Hz ou GHz, por isso não deixe que isso o afaste)

O rádio FM transmite em uma frequência portadora de 98MHz + -10MHz, mas cada estação possui apenas cerca de 200khz de informações (largura de banda ocupada). Da mesma forma, o DirecTV transmite em uma frequência portadora de 14GHz, mas o sinal provavelmente tem apenas 10 ou 100s de MHz de largura de banda ocupada.

Presumivelmente, o Google quer usar a banda de 24 GHz para transmitir sinais com largura de banda ocupada muito menor. Mas se alguém realmente deseja transmitir uma quantidade tão grande de largura de banda, isso pode ser feito por várias técnicas de modulação, usando várias operadoras.

No que diz respeito à eletrônica atual, já vi MMICs de 24 GHz antes. Além disso, você presume que é necessário um único "processador". Você poderia ter 24 modems de 1 Gbit / segundo empilhados usando FDMA. A Ethernet de 100 Gb / s de que o Xilinx é capaz, como discutido acima, acho que usa interfaces paralelas Quad GMII.

O espectro EM é um continuum e, à medida que você aumenta a frequência, eventualmente passa do RF para o óptico. Existem sistemas Laser Comm de linha de visão existentes.