Empfänger und Sender in der HF-/optischen Satellitenkommunikation: Entfernung vs. Datenrate v2

Das ist interessant!

Zuerst dachte ich, dass die optische Kommunikation immer gewinnt, weil die$\lambda/d$für ein Teleskop mit 30 cm Durchmesser bei 850 nm etwa 350.000, während für eine 3-Meter-Schüssel auf einem Raumfahrzeug im Weltraum im 8-GHz- oder 32-GHz-Ka-Band nur 80 oder 320 beträgt. Dieser Faktor von 1000 in$\lambda/d$ist ein Faktor von einer Million in der Signalstärke am anderen Ende oder 60 dB.

Dieser Multiplikationsfaktor von einer Million reicht weit, aber das Problem besteht darin, dass die aktuellen Erkennungsschemata für Funk und optische sehr unterschiedlich sind.

Erkennung von Funksignalen

Ein Funkempfänger/Detektor koppelt das elektrische Feld der ankommenden Welle in eine Spannung und das Quadrat, dividiert durch die Impedanz des Verstärkers, ist eine Leistung ($V^2/R$).

Mit anderen Worten, die empfangene Funkleistung ist auch die Leistung in der Erkennungsschaltung, die wir mit der Rauschäquivalentleistung (NEP) des Verstärkers vergleichen, um die es geht$k_B T \times \Delta f$Wo$k_B$ist die Boltzmann-Konstante .

Das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) ist einfach das Verhältnis der empfangenen Leistung zur äquivalenten Rauschleistung des Empfänger-Frontends.

Nehmen wir an, wir laufen ganz am Rand mit einem S/N = 1. Sinkt die Empfangsleistung um den Faktor 10 (Entfernung ist$\sqrt{10}$weiter) dann müssen wir schneiden$\Delta f$ebenfalls um den Faktor 10, um das gleiche S/N beizubehalten.

Photonensignalerkennung

Derzeit ist die Standardmethode zur Umwandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal die Verwendung einer Art Fotodiode. Die meisten Photonen, die in die Fotodiode gelangen, werden absorbiert und erzeugen ein Elektron-Loch-Paar. Diese werden als elektrischer Strom gesammelt.

Die Anzahl der erzeugten Paare und damit der Strom ist proportional zur einfallenden optischen Leistung, soweit okay, aber die elektrische Leistung im Verstärker ist gleich dem Strom zum Quadrat dividiert durch die Impedanz! ($I^2R$)

Das bedeutet, dass die elektrische Leistung, die wir mit dem NEP vergleichen müssen, proportional zum Quadrat der optischen Leistung ist!

Sobald man also die Haube dieses Problems öffnet, sieht man, dass die von der Antenne gesammelte Leistung nur die Hälfte des Problems ist; Die Methode der Umwandlung in elektrische Signale unterscheidet sich so sehr zwischen optischen und Funksignalen, dass Funkgeräte in sehr großer Entfernung mit herkömmlicher Erkennungstechnologie möglicherweise gewinnen können.

Aber was ist mit der UN-konventionellen Erkennungstechnologie?

Es gibt ein paar Dinge zu beachten, die die Zukunft der optischen Kommunikation bei extrem großen Entfernungen rosiger machen können.

Das Überschreiten der klassischen Kapazitätsgrenze im quantenoptischen Kanal (auch Researchgate ) ist Referenz Nr. 8 in Toyoshima et al .

Die über einen Kommunikationskanal übertragbare Informationsmenge wird durch die Rauscheigenschaften des Kanals und durch die Mengen verfügbarer Übertragungsressourcen bestimmt. In der klassischen Informationstheorie lässt sich die Menge der übertragbaren Informationen höchstens verdoppeln, wenn die Übertragungsressource (z. B. die Codelänge, die Bandbreite, die Signalleistung) für feste Rauscheigenschaften verdoppelt wird. In der Quanteninformationstheorie kann sich die übertragene Informationsmenge jedoch sogar mehr als verdoppeln. Wir präsentieren eine Proof-of-Principle-Demonstration dieser Superadditivität der klassischen Kapazität eines Quantenkanals unter Verwendung der ternären symmetrischen Zustände eines einzelnen Photons und durch Ereignisauswahl aus einer schwach kohärenten Lichtquelle. Außerdem zeigen wir, wie die superadditive Codierung auch bei kleiner Codelänge

Da Detektoren einzelne Photonen zählen und ihre genaue Ankunftszeit mit Pikosekunden-Präzision aufzeichnen können und einige Laser Pikosekunden-Pulse in Mikro- und Nanosekunden-Intervallen erzeugen können, gibt es viele Möglichkeiten, die Zeitstruktur zu nutzen, um das S/N zu verbessern auf eine Weise, die mit Radiowellen nicht möglich ist, da das Zählen einzelner Radiophotonen viel schwieriger ist.

Mehr dazu siehe

• diese Antwort auf Ist es möglich, die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit Lasern auf die Entfernung Erde-Mars auszudehnen? 13 Bit pro Photon!
• diese Antwort auf (Quantitativ, warum wird die optische Kommunikation für die Weltraumkommunikation besser sein als das X-Band? Supraleitende Nanodraht-Photonenzählung und darin enthaltene Referenzen
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• Könnten wir ein enges Paradigma verwenden, sagen wir Laser, um Informationen schneller von New Horizons zu erhalten? (Mit einer Mondbasis.)