Związek między technologią Wi-Fi 7 a sterowaniem częstotliwością

Gwałtowny wzrost liczby podłączonych urządzeń powoduje, że mamy do czynienia z coraz intensywniejszym obciążaniem kanałów. Według Wi-Fi Alliance tylko w 2024 r. do użytkowników trafiło 4,1 miliarda urządzeń obsługujących technologię Wi-Fi. Skoro o ograniczoną liczbę punktów dostępowych i kanałów w określonych pasmach częstotliwości konkurują miliony urządzeń, zatory sieciowe i zerwane połączenia stają się nieuniknione. Czas poszukać innego pasma, które oferuje technologia Wi-Fi 7, wraz z jej poprzednią iteracją, Wi-Fi 6E.

Dzięki technologii Wi-Fi 7 urządzenia mogą również korzystać z pasma częstotliwości 6GHz. Dodanie zupełnie nowego pasma widma jest jak dodawanie zupełnie nowej autostrady z dodatkowymi pasami, które mogą obsługiwać zwiększony ruch. Szczególnie interesujące w technologii Wi-Fi 7 jest to, że posiada również zwiększony rozmiar kanału - już nie 160MHz a 320MHz. W rezultacie wykorzystanie częstotliwości 6GHz daje więcej pasów (kanałów) i sprawia, że każdy z nich jest szerszy, co oznacza, że dane z większej liczby urządzeń przepływają szybciej. Efektem końcowym jest lepsza przepustowość danych, większa niezawodność i zmniejszona latencja.

Dzięki szybkościom przesyłu danych przekraczających 30Gbps technologia Wi-Fi 7 zapewnia wysoką prędkość i niskie latencje w szerokim zakresie zastosowań, takich jak rzeczywistość wirtualna i rozszerzona (AR/VR), strumieniowe przesyłanie wideo w wysokiej rozdzielczości oraz łączność w ramach Internetu rzeczy (IoT).

Problem z przejściem na pasmo 6GHz polega na tym, że korzystają z niego już inne podmioty. Pasmo to wykorzystują do komunikacji satelitarnej agencje federalne, takie jak Departament Obrony USA i NASA, które mogą nie być zadowolone z coraz większej aktywności urządzeń Wi-Fi na ich terytorium. Korzystanie z pasma 6GHz przy jednoczesnym zapewnieniu spokoju dotychczasowym użytkownikom tego pasma widma będzie wymagało dodatkowej technologii znanej jako zautomatyzowana koordynacja częstotliwości (AFC).

Technologie komplementarne dla Wi-Fi 7

Dzięki technologii Wi-Fi 7 otrzymujemy więcej kanałów dostępu do łączności i są one szersze. Użytkownicy mogą maksymalnie wykorzystać przepustowości pasm widma, zwiększając efektywność wykorzystania poszczególnych kanałów, dzięki szeregowi technologii komplementarnych.

Zautomatyzowana koordynacja częstotliwości (AFC)

Technologia zautomatyzowanej koordynacji częstotliwości (AFC) umożliwia korzystanie z Wi-Fi bez ograniczania dotychczasowych użytkowników pasma 6GHz. Działa ona na zasadzie wprowadzania informacji o istniejących użytkownikach - w tym lokalizacji anten i ich kierunku - oraz innych parametrów do bazy danych. Nowe połączenie Wi-Fi 7 sprawdza tę bazę danych, aby upewnić się, że nie narusza tego samego obszaru widma i nie powoduje zakłóceń.

Operacje wielołączowe (MLO)

Operacje wielołączowe (MLO) oznaczają możliwość podziału strumienia danych na wiele jednostek i równoczesnego kierowania ich przez różne kanały w tym samym paśmie częstotliwości. Operacje wielołączowe (MLO) w Wi-Fi 7 stanowią dla tej technologii kolejny element postępu, umożliwiając strumieniowe przesyłanie danych przez wiele kanałów i pasm. W takim przypadku pojedynczy strumień danych może być kierowany przez pasmo 2,4GHz, 5GHz lub 6GHz, w zależności od dostępności. Dzięki temu transmisja danych jest szybsza i nie jest podatna na opóźnienia, jeśli kanały mają pogorszone parametry lub są niedostępne.

Kwadraturowa modulacja amplitudowa 4K (4K QAM)

Funkcja kwadraturowej modulacji amplitudowej (QAM) pozwala na wysyłanie dużej ilości informacji poprzez nakładanie sygnałów o różnych amplitudach i fazach w celu lepszego wykorzystania widma. Ponieważ fale nie zachodzą na siebie, transmisja nie jest zakłócona. 4K oznacza, że jednocześnie może być przesyłanych ponad 4000 sygnałów. Iteracja Wi-Fi 7 pozwala na standaryzację technologii i zmniejszenie latencji poprzez zwiększenie przepustowości.

Ponadto Wi-Fi 7 działa w oparciu o zwielokrotniony dostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDMA) z wieloma jednostkami zasobów (MRU), które dzielą dane na mniejsze pakiety w celu zwiększenia przepustowości. Wiele jednostek zasobów (MRU) obniża latencję wielu użytkowników o 25%, a operacje wielołączowe (MLO) poprawiają latencję pojedynczego użytkownika o 80%.

Sterowanie częstotliwością dla Wi-Fi

Technologia, która stoi za łącznością Wi-Fi 7, jest imponująca i opiera się na ścisłym sterowaniu częstotliwością. Niezależnie od tego, jak sprawne jest pakowanie danych do kanałów, wymaga ono absolutnej precyzji; w przeciwnym razie sygnały mogą się wzajemnie zakłócać i prowadzić do słabych parametrów działania.

Nowe standardy Wi-Fi wymagają nowoczesnych układów radiowych zarówno w urządzeniach, jak i punktach dostępowych. Te układy radiowe o wysokich możliwościach potrafią dostrajać się jednocześnie do wielu pasm częstotliwości, omijać zarezerwowane kanały opisane przez funkcję zautomatyzowanej koordynacji częstotliwości (AFC) i wypełniać widmo gęstymi informacjami za pomocą funkcji kwadraturowej modulacji amplitudowej 4K (4K QAM). Zależą one od komponentów elektronicznych, które mogą pracować z wyjątkowo niskim szumem fazowym i wysoką stabilnością, zapewniając stabilną transmisję sygnału.

Utrzymanie szumu fazowego i fluktuacji na jak najniższym poziomie jest ważne dla zachowania integralności danych i zmniejszenia liczby błędów. Obecnie stabilna częstotliwość to za mało - sygnały nie mogą podlegać tłumieniu wraz z upływem czasu i zmianami temperatury. Na parametry działania mogą wpływać drgania, wstrząsy i długoterminowa degradacja, dlatego należy je uwzględnić na etapie projektowania.

Komponenty do sterowania częstotliwością

Dla precyzyjnego sterowania częstotliwością, którego potrzebują systemy Wi-Fi, kluczowe znaczenie mają kryształy, oscylatory i cewki indukcyjne mocy.

Oscylatory odpowiadają za wszystkie zadania potrzebne do przesyłania danych, w tym do generowania stabilnego sygnału, zapewnienia synchronizacji czasowej całej komunikacji oraz określania częstotliwości nośnej, która ma być wykorzystana. Kryształy często występują w połączeniu z oscylatorami i dostrajają sygnał wyjściowy generowany przez oscylatory, działając jak kamerton, aby zapewnić dokładne skupienie i dokładność sygnałów częstotliwościowych. W połączeniu z kondensatorami cewki indukcyjne tworzą obwody LC, które umożliwiają systemom Wi-Fi koncentrację na określonych pasmach częstotliwości i filtrowanie szumów zewnętrznych.

Firma ECS Inc. produkuje szeroką gamę kryształów, oscylatorów i cewek indukcyjnych potrzebnych w systemach Wi-Fi 7. Na przykład kryształy do montażu powierzchniowego (SMD) firmy ECS są dostępne w szerokiej gamie rozmiarów obudów i oferują szeroki zakres temperatur do +150°C.

Urządzenie ECX-1637B (ilustracja 1) idealnie sprawdza się w zastosowaniach bezprzewodowych. Jest to kompaktowy kryształ do montażu powierzchniowego (SMD) w obudowie o wymiarach 2,0mm x 1,6mm x 0,45mm z 4 polami. Charakteryzuje się on powolnym starzeniem w pierwszym roku ±1ppm oraz tolerancją i stabilnością ±10ppm w temperaturach od -30°C do +85°C.

Ilustracja 1: kompaktowe kryształy o powolnym starzeniu do montażu powierzchniowego (SMD) ECX-1637B charakteryzują się szerokim zakresem częstotliwości od 16MHz do 96MHz i dobrze sprawdzają się w zastosowaniach bezprzewodowych. (Źródło ilustracji: ECS)

Seria ECX-2236B zawiera kryształy kwarcowe SMD o niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) i powolnym starzeniu w pierwszym roku wynoszącym maks. ±1ppm. Seria ECS-33B oferuje zakres częstotliwości od 10MHz do 54MHz i niski poziom starzenia w pierwszym roku równy ±1ppm w standardowym zakresie temperatur przemysłowych od -40°C do +85°C. Cechy te idealnie sprawdzają się w nowoczesnych zastosowaniach Internetu rzeczy (IoT) oraz zastosowaniach bezprzewodowych i Wi-Fi.

Firma ECS sprzedaje również szereg oscylatorów ceramicznych. Seria ECS-2520MV jest idealna dla zakresu od 0,750MHz do 160MHz, natomiast seria ECS-2520SMV najlepiej sprawdza się w częstotliwościach od 8MHz do 60MHz. Obie serie oferują zakres temperatur od -40°C do +105°C.

Ilustracja 2: seria ECS-2520MV miniaturowych szybkich oscylatorów do montażu powierzchniowego (SMD) CMOS idealnie sprawdza się w zastosowaniach bezprzewodowych. (Źródło ilustracji: ECS Inc.)

Firma ECS oferuje również szereg cewek indukcyjnych mocy obejmujący szeroki zakres indukcyjności i temperatur. Specyfikacje różnią się w zależności od serii - inne są w serii ECS-MP12520, inne w serii ECS-MP14040, a jeszcze inne w serii ECS-MPIL0530.

Ilustracja 3: cewki indukcyjne mocy firmy ECS dostępne są w szerokim zakresie indukcyjności oraz temperatur i są niezbędnym elementem systemów Wi-Fi. (Źródło ilustracji: ECS Inc.)

Podsumowując to wszystko

Aby w pełni wykorzystać potencjał technologii Wi-Fi 7, potrzeba kilku komponentów. Oscylator tworzy bazę obwodu, tworząc częstotliwość bazową, którą kryształ następnie dostraja. Cewka indukcyjna mocy w obwodzie gwarantuje, że żadne zewnętrzne sygnały nie zakłócają wymaganej częstotliwości i wygładza fluktuacje napięcia. Ten system sterowania częstotliwością łączy się następnie z takimi elementami, jak anteny do przesyłania sygnałów i mikrokontrolery do przetwarzania danych.

Podsumowanie

Technologia Wi-Fi 7 może stanowić krok milowy w dziedzinie niezawodności łączności bezprzewodowej, zapewniając odporne sterowanie częstotliwością. Komponenty sprzętowe, takie jak oscylatory, kryształy i cewki indukcyjne, stanowią podstawę zaawansowanych obwodów Wi-Fi i są niezawodnymi narzędziami roboczymi dla tej stosowanej od dawna technologii komunikacyjnej. W dłuższej perspektywie rozwój automatyki przemysłowej i sztucznej inteligencji prawdopodobnie zwiększy presję na technologię Wi-Fi, a technologie komunikacyjne będą ponownie ewoluować.

Źródło: Związek między technologią Wi-Fi 7 a sterowaniem częstotliwością

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.