Почему скорость передачи данных уменьшается с расстоянием

Найдите закон обратных квадратов. При той же мощности, доступной на космическом корабле, мощность сигнала, принимаемого на Земле, уменьшается пропорционально квадрату расстояния.

Если транспортное средство работает на солнечной энергии, то возможно, что оно также уменьшит передаваемую мощность по мере удаления от Солнца. Однако более вероятно, что вы сократите продолжительность передачи за счет использования батарей, так как вам нужно наилучшее соотношение сигнал/шум. В любом случае, фактический результат состоит в том, что если вся мощность уходит на радио, то средняя скорость передачи данных, интегрированная за время, затраченное на передачу и отсутствие передачи, уменьшится как четвертая степень расстояния (при условии, что расстояние от Солнца и расстояние от Земли примерно такое же, как и для зонда на Плутоне).

New Horizons не питается от солнечной энергии. Теперь вы знаете, почему.

New Horizons также использует очень сильное кодирование с исправлением ошибок . В частности, турбокодирование со скоростью 1/6 и BPSK (бинарная фазовая манипуляция). Это расширяет полосу пропускания сигнала в шесть раз, но по-прежнему снижает требуемую энергию на бит пользовательских данных. Это обеспечивает более высокую скорость передачи данных для данной мощности передатчика. Минимальное значение Eb/N0 для этого кода составляет около 0 децибел (дБ), что является самым низким из когда-либо достигнутых значений. Знаменитая теорема Шеннона о пропускной способности канала утверждает, что невозможно добиться низкого уровня ошибок при соотношении Eb/N0 менее ln(2) = -1,6 дБ даже при бесконечной полосе пропускания, поэтому мы довольно близки к теоретическому пределу. Турбокодирование не было открыто до начала 1990-х годов.

Что такое Eb/N0? Это отношение энергии сигнала на бит к спектральной плотности мощности шума. Энергия бита измеряется в джоулях, а спектральная плотность мощности — в ваттах/Гц, что эквивалентно джоулям, поэтому отношение Eb/N0 безразмерно. Eb/N0 является основным показателем качества во всех схемах цифровой модуляции и кодирования.

TL;DR: скорость передачи данных напрямую связана с эффективным минимальным уровнем шума, который связан с полосой пропускания и принимаемой мощностью (и отсутствием помех). Более низкая принимаемая мощность означает увеличение мощности передачи или уменьшение полосы пропускания (скорости). APL пришлось выбрать последнее из-за ограничений. Читайте дальше для гораздо более подробного и многословного объяснения (извините, если слишком многословно!).

Для этого есть множество взаимосвязанных причин, которые сводятся к бюджету канала, который в основном показывает, насколько сигнал у вас выше уровня шума, с которым вы работаете в своем ресивере. Благодаря закону обратных квадратов, упомянутому выше, невероятное расстояние до Плутона (расстояние в 32 астрономических единицы — 1 астрономическая единица — расстояние между Солнцем и Землей) означает очень, очень слабый сигнал для работы независимо от мощности передачи.

New Horizons передает ДВЕНАДЦАТЬ (12) МИЛЫХ ВАТТ от каждого из своих усилителей TWTA, которые можно использовать первично-вторично или в кросс-поляризованном режиме для 2 отдельных потоков данных. Полноразмерная параболическая антенна с высоким коэффициентом усиления 2,1 м/7 футов имеет коэффициент усиления 42 дБи, примерно такой же, как у спутникового грузовика SNG, только вместо того, чтобы снимать на геостационарную орбиту на расстоянии 35 000 км или 22 000 миль, вы пытаетесь снимать ТАААААА намного дальше, примерно на десятой части (-10 дБ) мощности передачи. С положительной стороны, они будут использовать самые большие тарелки Deep Space Network для приема и связи с ним, которые имеют диаметр 70 метров, но это только компенсирует все это.

Отсутствие мощности связано с использованием РИТЭГ (радиоизотопного теплового генератора), который использует тепло распадающегося плутония-238 (на один нейтрон меньше, чем у плутония-239, используемого при делении ядер) для питания установки термопары. В документах указывается тепловая мощность чуть менее 4 кВт и около 245 Вт электроэнергии при запуске, а при встрече с Плутоном она снижается до 200-220 Вт. Это небольшое количество электричества должно снабжать космический корабль ВСЕМ, и со временем оно уменьшается, поэтому «Вояджеры» больше не могут отправлять изображения или многое другое, что требует значительной мощности; NH в конечном итоге закончится так же.

Чтобы пройти полный круг, огромное расстояние и низкая мощность означают, что к тому времени, когда он достигнет любого пункта назначения, не останется большого количества сигнала. Эффективный минимальный уровень шума напрямую зависит от полосы пропускания сигнала, поэтому автоматизированные системы передачи, такие как модемы в ваших сотовых телефонах, стационарные линии и т. д., имеют как высокие скорости для каналов хорошего качества, так и более низкие скорости для более слабых. ссылки: особенно это касается LTE. Операторы любительской радиосвязи (которым я являюсь) используют CW и азбуку Морзе для разговора с использованием сигналов луны или полярного сияния, потому что искажения слишком велики, чтобы использовать любой голосовой режим, и теперь есть новые режимы передачи данных, которые оптимизируются для ОЧЕНЬ МЕДЛЕННЫХ данных. скорости (один бит в секунду или меньше), которые превышают CW-by-ear для надежности, жертвуя пропускной способностью и скоростью передачи данных,

Вероятность правильного обнаружения бита данных зависит от энергии (а не мощности) принятого импульса. Когда принимаемая мощность уменьшается из-за увеличения расстояния, мы все еще можем удовлетворить требуемую энергию, увеличивая время работы бита (E = P x T). Более длинные импульсы означают снижение скорости передачи данных.

Короче говоря

Пропускная способность нисходящей линии связи между New Horizons и станцией DSN уменьшается по мере увеличения расстояния между ними примерно в соответствии с C=log ₂ (1/расстояние) . Фактическая скорость передачи данных ниже этого предела, в зависимости от типа модуляции и кода исправления ошибок. Снижение этой максимальной скорости передачи объясняется двумя элементами:

1. Сила радиосигнала уменьшается с расстоянием от излучателя.

2. Теорема Шеннона-Хартли
   
   гласит: Максимальная
   
   пропускная способность канала связи ограничена величиной, известной как отношение сигнал/шум (SNR), которая представляет собой отношение между уровнем сигнала на приемном конце и канал и количество шума, вносимого приемником и остальной частью канала.

В июле 2015 года New Horizons сейчас далеко от нас, примерно в 40 раз больше, чем Земля-Солнце. Радиосигнал очень слабый, а шум остается прежним. При малом SNR максимальная пропускная способность радиоканала очень ограничена.

Подробности

Эта формула связывает 4 величины:

• C , что является максимальной пропускной способностью канала . Выражается в битах * секунда. Это то, что вы просите в своем вопросе.
  
  Обратите внимание, что это то, что не инженеры могут назвать пропускной способностью (это неточно, и это особенно важно в этой формуле): «Мое интернет-соединение ADSL имеет пропускную способность 10 Мбит / с » , пропускная способность должна была быть использована.

• B — пропускная способность , используемая для связи.
  
  Полоса пропускания — это пространство, занимаемое каналом в частотном спектре. Связь обычно происходит вокруг несущей частоты, и информация создает боковые полосы вокруг этой частоты, используя какой-то более или менее умный принцип (New Horizons использует двоичную PSK ). Чем больше количество информации для передачи в единицу времени, тем больше требуется частотный слот. Но при расширении полосы пропускания возникают две проблемы: уменьшается пиковая мощность и увеличивается шум (см. ниже).
  
  Примечание. Полоса пропускания выражается в Гц, и ее не следует путать с C, как объяснялось ранее.

• S — мощность сигнала на стороне приемника.
  
  S зависит главным образом от мощности излучателя, коэффициента усиления обеих антенн и расстояния между излучателем и приемником. Для данной мощности и данных антенн S существенно зависит от расстояния. Каждый раз, когда расстояние удваивается, S делится на 4, это случай закона обратных квадратов .

• N — шум канала , то есть случайные ложные сигналы, собранные или созданные приемником. Самое главное создается приемником из-за ограничений электронных компонентов ( тепловой шум ). Малошумящий приемник сложно построить. N вполне постоянна для данной системы (антенны и усилителя) при данной температуре.
  
  S и R обычно выражаются вместе как S/N, отношение сигнал-шум (или SNR), а безразмерное значение выражается в дБ, например, SNR 18 дБ.

Со всеми приближениями, сделанными ранее: Для данной приемной системы (антенны и усилители) и когда несущая частота и ширина полосы постоянны, тогда C изменяется согласно log ₂ (1/расстояние) .

Чтобы справиться с этим и восстановить прежнее отношение сигнал/шум, нам нужно либо увеличить S, либо уменьшить N. Это означает более крупные антенны (большее усиление), более точное выравнивание антенн и усилители с меньшим шумом. Ни одна из этих возможностей на самом деле невозможна для нисходящей линии New Horizons.

Передатчик имеет ограниченную мощность для работы, независимо от фазы миссии. Конечно, бюджет мощности, вероятно, со временем упадет. Вероятно, более существенно то, что чем больше расстояние, тем меньше мощность сигнала на приемной станции по закону обратных квадратов, а значит, тем меньше он выделяется на фоне шумов. Снижение скорости передачи данных позволяет приемнику «интегрировать» входящий сигнал (отфильтровывать шум), чтобы можно было восстановить исходный сигнал.