Приемник и передатчик в радиочастотной/оптической спутниковой связи: расстояние и скорость передачи данных v2

Это интересно!

Сначала я думал , что оптическая связь всегда выигрывает, потому что$\lambda/d$для телескопа диаметром 30 см на 850 нм составляет около 350 000, тогда как для 3-метровой тарелки на космическом корабле дальнего космоса на частоте 8 ГГц или 32 ГГц Ka-диапазон составляет всего 80 или 320. Этот коэффициент 1000 в$\lambda/d$это миллионный коэффициент мощности сигнала на другом конце, или 60 дБ.

Этот множитель в миллион имеет большое значение, но проблема в том, что современные схемы обнаружения для радио и оптики сильно различаются.

Обнаружение радиосигнала

Радиоприемник/детектор преобразует электрическое поле входящей волны в напряжение, а квадрат, деленный на импеданс усилителя, представляет собой мощность ($V^2/R$).

Другими словами, принимаемая радиомощность также является мощностью схемы обнаружения, которую мы сравниваем с эквивалентной шумовой мощностью (NEP) усилителя, которая будет примерно$k_B T \times \Delta f$где$k_B$– постоянная Больцмана .

Отношение сигнал/шум (S/N) — это просто отношение принимаемой мощности к эквивалентной шумовой мощности внешнего интерфейса приемника.

Допустим, мы бежим по самому краю с отношением сигнал/шум = 1. Если принимаемая мощность упадет в 10 раз (расстояние равно$\sqrt{10}$дальше) то надо резать$\Delta f$также в 10 раз, чтобы сохранить то же отношение сигнал/шум.

Обнаружение фотонного сигнала

В настоящее время стандартным методом преобразования оптического сигнала в электрический является использование какого-либо фотодиода. Большинство фотонов, попадающих в фотодиод, поглощаются и создают электронно-дырочную пару. Они собираются в виде электрического тока.

Количество производимых пар и, следовательно, ток пропорциональны падающей оптической мощности, пока все в порядке, но электрическая мощность в усилителе равна квадрату тока, деленному на импеданс! ($I^2R$)

Это означает, что электрическая мощность, которую мы должны сравнить с НЭП, пропорциональна квадрату оптической мощности!

Таким образом, как только кто-то открывает капот в отношении этой проблемы, он видит, что мощность, собираемая антенной, — это только половина проблемы; метод преобразования в электрические сигналы настолько отличается для оптических и радио, что на некоторых очень дальних расстояниях радио может быть в состоянии выиграть, используя обычную технологию обнаружения.

А как насчет традиционной технологии обнаружения ООН?

Есть несколько вещей, которые следует учитывать, чтобы сделать будущее оптической связи на очень больших расстояниях более ярким.

Превышение классического предела пропускной способности в квантовом оптическом канале (также исследовательский шлюз ) является ссылкой № 8 в работе Toyoshima et al .

Количество информации, передаваемой по каналу связи, определяется шумовыми характеристиками канала и количеством доступных ресурсов передачи. В классической теории информации количество передаваемой информации может быть увеличено не более чем в два раза, если ресурс передачи (например, длина кода, полоса пропускания, мощность сигнала) удваивается при фиксированных характеристиках шума. Однако в квантовой теории информации количество передаваемой информации может увеличиться даже более чем в два раза. Мы представляем подтверждающую демонстрацию этой сверхаддитивности классической пропускной способности квантового канала с использованием троичных симметричных состояний одного фотона и отбором событий от слабого когерентного источника света. Мы также показываем, как выигрыш супераддитивного кодирования даже при малой длине кода

Кроме того, поскольку детекторы могут подсчитывать отдельные фотоны и записывать точное время их прихода с точностью до пикосекунды, а некоторые лазеры могут генерировать пикосекундные импульсы с микро- и наносекундными интервалами, существует много возможностей использовать временную структуру для повышения отношения сигнал/шум. способом, который невозможен с радиоволнами, поскольку подсчет отдельных радиофотонов гораздо сложнее.

Подробнее об этом см.

• этот ответ на вопрос Можно ли распространить высокоскоростную передачу данных с помощью лазеров на расстояние от Земли до Марса? 13 бит на фотон!
• этот ответ на (количественно, почему оптическая связь будет лучше, чем X-диапазон для связи в дальнем космосе? подсчет фотонов в сверхпроводящем нанопроволоке и ссылки в нем
• этот ответ на Как крошечный космический корабль, предложенный Project Starshot, должен связываться с Землей? и ссылки в нем
• Можем ли мы использовать узкую парадигму, скажем, лазер, чтобы быстрее получать информацию от New Horizons? (С лунной базой.)