Tiempo de detección de ondas de radio consistente

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¿Que necesito hacer? Necesito enviar una señal de radio y hacer que otro dispositivo la reciba y emita un pulso de voltaje, con el tiempo entre comenzar a enviar la señal y comenzar a emitir el pulso de voltaje lo más consistente posible cada vez que hago eso (la variación cero es perfecta, picosegundo o menos es bueno, nanosegundo es malo, milisegundo probablemente significa que estoy perdiendo el tiempo).

Necesito saber si se puede hacer y, de ser así, cuál será la probable inconsistencia de tiempo, ya sea debido a circuitos, interferencias u otros. Necesito el orden de magnitud de la inconsistencia en lugar de una cifra exacta, aunque exacta o una fórmula estaría bien.

Nota:

  1. La frecuencia puede ser cualquiera que figure como 'Amateur' en https://www.ntia.doc.gov/page/2011/united-states-frequency-allocation-chart
  2. Si bien el tiempo de respuesta podría ser lento, más rápido sería mejor.
  3. Creo que necesito que eso suceda con una señal AM analógica y sin reloj digital en esta parte del dispositivo (ya que agregarán inconsistencia en el tiempo según la resolución del reloj digital y/o requerirán relojes ultrarrápidos caros o inexistentes ). Puede que me equivoque en esto: pensé que averiguaría si se podía hacer así, y si no, buscaría otras formas más complicadas que rompieran estos dos requisitos.

Pregunta inicial:

Imagine que tengo un transmisor de radio AM analógico, con una frecuencia de 222 MHz, que comienza a transmitir una señal de máxima potencia en el tiempo 0s, y tengo un receptor AM analógico estándar a 100 metros de distancia (sintonizado a 222 MHz).

La salida del receptor se pasa (posiblemente a través de un amplificador) a un circuito convertidor digital que normalmente emite 0 V pero, cuando la señal recibida pasa (al menos) el 80 % de la intensidad de la señal transmitida, emite 5 V. Nota: el convertidor no utiliza reloj digital ni señal de temporización.

Mi primera pregunta es esta: me han dicho que el tiempo desde el inicio de la transmisión (0 s) hasta el momento en que el convertidor emite por primera vez 5 V (T segundos) no será una cantidad de tiempo constante, porque la onda recibida no será exactamente igual que la transmisión - esa interferencia (natural o artificial) hará que la onda recibida tenga pequeñas perturbaciones que cambiarán sutilmente el momento exacto en que la entrada/salida del receptor alcanza el 80%, haciendo que ese tiempo sea diferente cada vez. Si bien el efecto será pequeño, será distinto de cero. ¿Es eso correcto? ¿Alguien puede decirme aproximadamente cuál será el efecto (en términos de variación de tiempo)?

Mi segunda pregunta es esta: ¿hay algún tipo de circuito u otra cosa que pueda hacer para evitar esto? Realmente necesito que el tiempo sea completamente consistente (y quiero decir, hasta picosegundos o menos si es posible ).

Todavía no tengo los circuitos establecidos, pero imagino que el transmisor estaría en la línea de https://www.electroschematics.com/2522/am-transmitter-circuit/ o http://www.circuitstoday.com/ am-transmitter-circuit , y el receptor sería algo como https://www.electroschematics.com/601/2-transistor-radio-receiver/ o https://www.electroschematics.com/9043/am-receiver- circuit/ - y no tengo el circuito convertidor digital, pero si recuerdo mis lecciones de electrónica de hace mucho tiempo, eso es algo bastante estándar y simple.

EDITAR: La clave aquí es la consistencia, en múltiples transmisiones, dentro de un corto período de tiempo (segundos, no horas). No me importa el retraso si es un retraso constante . También debo señalar que, por razones que rompen el concepto básico, no puedo usar señales digitales o un reloj en el análisis de la señal (porque el reloj agregaría retrasos inconsistentes). Las ópticas o los cables también quedan fuera.

He hecho la misma pregunta en Física ya que hay cierta superposición y doy la bienvenida a los diferentes puntos de vista: https://physics.stackexchange.com/questions/408378/consistent-radio-wave-detection-timing

Tenga en cuenta que esto está relacionado con https://physics.stackexchange.com/questions/401512/radio-wave-detection-timing pero no es la misma pregunta, aunque hice una versión de lo anterior en los comentarios.

Gracias de antemano.

Pregunta XY:

Hasta cierto punto tienes razón. Probablemente no ayuda que estoy acostumbrado al intercambio de pila de programación donde una pregunta específica y limitada es generalmente más útil que una vaga "panorama general", hasta cierto punto. Sin embargo, eso no significa que esta pregunta no tenga valor, ni que no necesite una respuesta.

1) este es un intento de hacer algo de una manera nueva. Entonces, existen formas de lograrlo, pero no son muy buenas y no quiero replicarlas. Volviendo a la pregunta aún más grande que la anterior, solo me deja con los métodos existentes, y probablemente lo lleve a otras áreas (la física, por ejemplo). Si Einstein hubiera preguntado sobre la gravedad en determinadas circunstancias, ¿le recomendarías las Leyes de Newton? ¿O responderías a su pregunta aparentemente XY? (No soy Einstein, pero el punto sigue siendo válido)

2) hay un límite a la cantidad de información que puedo dar sin exponer toda mi idea. Llámame egoísta, pero me gustaría evitar eso por ahora.

3) cuando hice una pregunta más general, básicamente me dijeron que fuera más específico. Este fue mi intento de hacerlo.

desea tener una precisión de picosegundos con una señal que tiene un período de 4500 picosegundos... tal vez debería usar un método óptico para la transmisión de su señal
Parece que está describiendo lo que se llama fluctuación en la señal recibida. Puede usar un PLL para eliminar el jitter. Dependiendo del PLL y de las características de la señal transmitida, es posible que obtenga una fluctuación de nivel ps de un reloj digital local que se ha sincronizado con PLL en la portadora de 222 MHz transmitida.
Hola jsotola, desafortunadamente, la óptica no es realmente una opción. ¡Ojalá lo fuera!
Hola crj11, edité la pregunta original para aclarar que no puedo usar un reloj digital en estas partes del circuito.
Huele a problema XY. Describa lo que está tratando de lograr funcionalmente sin mencionar cómo quiere lograrlo.
Voto por el problema XY. "Realmente necesito que ese tiempo sea completamente consistente (y quiero decir, hasta picosegundos o menos si es posible)". ¿Detección de inicio de ráfaga de subpicosegundos con 222 MHz? Danos un descanso a todos. Comience desde el principio y describa exactamente lo que está haciendo y por qué. Explique exactamente cuáles son sus requisitos (por qué demonios está buscando una resolución de picosegundos; hasta que explique eso, supongo que solo está agitando las manos y no entiende su problema).

Respuestas (3)

El tiempo de nivel de picosegundos es difícil cuando se envían señales a través del aire.

En frecuencias de RF, el índice de refracción del aire es de aproximadamente 1,003, lo que corresponde a un retraso adicional (wrtvacío) de aproximadamente un nanosegundo. Pero eso puede cambiar fácilmente debido a la temperatura, la presión y la humedad del aire. Conseguir que el tiempo de propagación sea estable a 50 pseg sobre 100 m de aire sería difícil.

Sin embargo, es poco probable que una señal AM de encendido/apagado se acerque a eso. Es muy difícil obtener un borde de ataque estable simplemente activando un oscilador.

Si realmente necesita precisión, considere un oscilador estabilizado que emita una señal de onda continua que pueda sincronizar en fase en el otro extremo. Luego, puede usar una señal de menor precisión, como su pulso AM, para transmitir "usar el siguiente cruce por cero de la señal de precisión".

Pero, si puede hacerlo, el enfoque más simple podría ser una señal de sincronización digital a través de fibra.

CERN sabe mucho sobre cómo hacer esto en múltiples niveles de precisión. Consulte esta página para obtener una descripción general. También hay una rama de la geodesia que ha estado trabajando en este nivel, por ejemplo, en este artículo de Metrología .

Si edita su pregunta con más información sobre sus requisitos (o agrega un comentario), probablemente haya documentos que podamos encontrar que serían de ayuda.

Una vez que tenga una referencia de tiempo constante entre los dos puntos, todavía tiene que pasar el tiempo del evento arbitrario (suponiendo que no pueda estimularlo desde el reloj común). Ver el artículo de Metrologia para la discusión.

Un enfoque es registrar el Δ t desde una referencia, es decir, un cruce por cero, y pasar eso al otro extremo. Puedes hacerlo digitalmente o en analógico. Los circuitos de precisión de voltaje a tiempo están disponibles (aunque hay un límite práctico para la precisión en tVt debido al ruido, etc.).

Hola Bob, me has dado un montón de miradas, gracias por eso. La clave aquí es la consistencia . No me importa el retraso si es un retraso constante. También debo señalar que, por razones que rompen el concepto básico, no puedo usar señales digitales o un reloj en el análisis de la señal (porque el reloj agregaría retrasos inconsistentes). Revisaré lo que has dicho y veré si puedo agregar más.

Lo que estás describiendo es la transmisión de una señal a través de un canal con ruido . Es un problema fundamental, y se ha investigado mucho al respecto.

La variación de tiempo en el receptor es una función de su relación señal/ruido (SNR) en su ancho de banda de procesamiento. Necesitas considerar: -

a) La fuerza de la señal recibida
b) La fuerza del ruido recibido
c) El ancho de banda de procesamiento del receptor

Así que podrías...

  • aumentar la potencia del transmisor, limitado por fondos y regulaciones locales
  • pierde menos señal, cables de antena de baja pérdida (especialmente cable de recepción)
  • usar antenas direccionales, limitadas por tamaño o necesidad de operación omnidireccional
  • elija una frecuencia de operación donde haya menos ruido ambiental
  • elija un canal donde haya menos pérdida de señal o menos susceptibilidad al ruido ambiental (óptico versus radio, por ejemplo)
  • use un receptor de bajo ruido, más $$$ le permite acercarse al límite térmico inviolable
  • no deseche la señal una vez que la tenga, use un receptor coherente en lugar de detección de envolvente

Y finalmente, la consideración más sutil es el ancho de banda del receptor. Aquí puede compensar la latencia , el tiempo que tarda el receptor en responder a los cambios en la señal, contra el ancho de banda del ruido . El ruido térmico y gran parte del ruido ambiental es de amplio espectro, un ancho de banda más amplio recibe más potencia de ruido, por lo que degrada la SNR.

En el peor de los casos (1), sus señales vienen al azar y su receptor debe emitir dentro de (digamos) 10uS de recibir una entrada. Necesitas un ancho de banda de procesamiento del orden de los 100kHz, y no podrás reducirlo.

En el siguiente mejor caso (2), sus señales aún vienen al azar, pero se le permite (digamos) 1 segundo antes de emitir. Esto te permite integrar la señal de forma coherente durante un tiempo antes de tomar la decisión, lo que reduce tu ancho de banda de ruido efectivo, en este caso del orden de 1 Hz. Puede hacer que esto sea más fácil para el receptor diseñando su señal transmitida para una fácil detección, tal vez mediante el uso de chirp u otra modulación de espectro ensanchado .

En el mejor de los casos (3), tus señales llegan regularmente. Luego puede poner un reloj de fluctuación baja en su receptor y ajustar su tiempo ligeramente a medida que se recibe cada señal. Así es como funciona la temporización remota en la red celular. Por supuesto, aquí, si el transmisor modifica su tiempo, se necesitarán muchas señales antes de que el reloj de recepción se ajuste por completo al nuevo tiempo, podría tomar minutos. Pero la compensación es que si se necesitan 100 s para adaptarse al nuevo tiempo, el ancho de banda de ruido ahora es del orden de 0,01 Hz.

Para una resolución de tiempo de 1 nanosegundo, necesitará un ancho de banda de aproximadamente 1 GigaHertz. Su antena no admitirá ese ancho de banda.

No sé si esto afectaría su respuesta, pero tenga en cuenta que no necesito cronometrar la transmisión y el tiempo de respuesta en un nanosegundo; necesito que la transmisión y el tiempo de respuesta sean consistentes cada vez que se usa, que consistencia dentro de 1 nanosegundo o menos (preferiblemente menos).
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