Haben Deep-Space-Raumfahrzeuge immer irgendeine Form von Spread-Spektrum für den Daten-Downlink verwendet?

tl;dr:

Frage: Verwenden Deep-Space-Raumfahrzeuge immer eine Form von Spread-Spektrum für den Daten-Downlink?

Hinweis: Ich suche nach einem Einblick in das Warum und nach möglichen Ausnahmen, nicht nur nach einem "Ja" oder "Nein". Vielen Dank!

Ich habe jemandem erzählt, dass die Verwendung von Spread-Spectrum in der einen oder anderen Form in der zivilen drahtlosen Kommunikation und Signalisierung (Handy-Sprache und 3G/4G/5G, WiFi, Bluetooth, GPS, ZigBee, LoRa (zB Understanding the Beziehung zwischen LoRa-Chips, Chirps, Symbolen und Bit ) usw. und es ist interessant festzustellen, dass WiFi und seine Widerstandsfähigkeit gegen Mehrwegstörungen seinen Ursprung in ein paar Radioastronomen des australischen CSRIO haben !

Im April 2009 erklärten sich 14 Technologieunternehmen bereit, CSIRO 1 Milliarde US-Dollar für Verletzungen von CSIRO-Patenten zu zahlen. Dies führte dazu, dass Australien Wi-Fi als australische Erfindung bezeichnete, obwohl dies Gegenstand einiger Kontroversen war. CSIRO gewann 2012 einen weiteren Vergleich in Höhe von 220 Millionen US -Dollar wegen Wi-Fi-Patentverletzungen, wobei globale Unternehmen in den Vereinigten Staaten verpflichtet waren, die CSIRO-Lizenzrechte im geschätzten Wert von weiteren 1 Milliarde US-Dollar an Lizenzgebühren zu zahlen. Im Jahr 2016 wurde das Wireless Local Area Network Test Bed als Australiens Beitrag zur Ausstellung A History of the World in 100 Objects im National Museum of Australia ausgewählt .

Ich glaube, dass der in GPS verwendete Gold-Code einen Teil seiner Ursprünge auch auf die Weltraumkommunikation der NASA zurückführen kann, obwohl ich derzeit keine Referenz dafür finden kann. Beachten Sie auch, dass der Gold-Code für die zeitliche Rekonstruktion unter Verwendung der Korrelation auf die gleiche Weise wichtig ist, wie die NASA ihn für Reichweite/Rate sowie für Signal-/Rauschvorteile verwendet hat. siehe diese und diese Antwort zum Beispiel.

Spread Spectrum hat viele Vorteile, und einer davon ist das Signal-Rausch-Verhältnis, das in Bezug auf das Shannon-Hartley-Theorem verstanden werden kann (siehe Verwende ich das Shannon-Hartley-Theorem und das thermische Rauschen hier richtig? ), und ich glaube das Der Daten-Downlink von Voyager verwendet immer eine Bandbreite, die größer ist als die Bit-pro-Sekunde-Rate erfordern würde, aber ich bin mir nicht sicher; siehe den letzten Absatz in dieser Antwort auf "Wie berechnet man die Datenrate von Voyager 1?" zum Beispiel.

Nur um zu beachten, dass Sie, anstatt das "$xyz" in einen Codeblock einfügen zu müssen, einen Backslash (\) vor dem Dollarzeichen ( $ xyz) einfügen können, um zu verhindern, dass es als Latex oder was auch immer für ein abgefahrenes Skript gerendert wird Rendern als.
@Edlothiad ausgezeichnet! Es ist also dasselbe wie das MathJax \$in einigen anderen Seiten (z. B. Elektronik), nur rückwärts.
Ich kenne MathJax nicht, ich kenne nur die Mittel ,\ mit denen ich verhindern kann, dass Dinge gerendert werden, z.*\*waves**
@Edlothiad links ist MathJax auf dieser Seite, rechts ist MathJax in Electronics SE. i.stack.imgur.com/GpXKs.png Es ist das "Gleiche, außer rückwärts".
Na wenn das nicht nur verwirrend ist...
Sind Sie sicher, dass Voyager Spreizspektrumtechniken verwendet? Voyager verwendet Phasenmodulation, und dieses Dokument erwähnt Spread-Spectrum nicht.
@Hobbes Nein, und wenn Sie den letzten Satz, der auch der letzte Absatz ist, noch einmal lesen, habe ich darauf geachtet , dies nicht zu sagen . Ich greife auf mein Gedächtnis zurück, und genau aus diesem Grund stelle ich die Frage " Haben Raumfahrzeuge im Weltraum immer irgendeine Form verwendet ...". Irgendwo in der Lektüre, die ich über das Voyagers RF-System für diese unbeantwortete Frage gemacht habe, war auch ein Pseudo-Zufallscode , aber jetzt, wo ich sorgfältig nachdenke, bin ich mir nicht sicher, ob es sich um den Downlink-Datenkanal oder einen generierten Gold-Code handelte Erde für die Zwei-Wege-Doppler-Entfernungsratenmessungen.
Ihr Satz "Ich mache hier ein paar Handbewegungen und schätze die Bandbreite, die von der Spreizspektrumübertragung von Voyager verwendet wird, auf etwa 1 kHz" - weist darauf hin, dass Voyager Spreizspektrum verwendet. Wenn das nicht Ihre Absicht war, müssen Sie diesen Satz umformulieren.
@Hobbes Oh, ich glaube, Sie sprechen von einem Satz, der auf einer anderen Seite erscheint, meine Antwort , die im Januar veröffentlicht wurde und auf den ich hier verlinkt habe. Anscheinend war ich mir damals sicher und bin seitdem weniger sicher geworden. Warum hinterlassen Sie keinen Kommentar unter dieser Antwort, und dann bearbeite ich die Antwort und verweise auf Ihren Kommentar? Danke übrigens!
@uhoh: Ich schätze deine sanfte Erinnerung. Dieses Buch steht in meinem Regal und könnte die Antwort darauf haben. Ich habe gerade keine Zeit, um nachzuforschen.
@andreas danke! Ich weiß nicht, was a.coist; Hat das Buch einen Titel und/oder einen Autor?
@uhoh: Hoppla, Link funktioniert bei mir (gekürzte Amazon-URL). Der Titel lautet „Deep Space Communications“ / Jim Taylor (Herausgeber), Wiley 2016. Behandelt ausgewählte NASA-Missionen.

Antworten (1)

Pseudozufallscodes werden zum Ranging verwendet, dh um die Umlaufzeit eines Signals zu berechnen. Das nimmt etwas Bandbreite in Anspruch, also würde ich das als Spread-Spektrum betrachten. Das ist, glaube ich, seit den 60er Jahren in Gebrauch.

Mir sind keine Anwendungen von Spread-Spectrum-Techniken in der Datenkommunikation im Weltraum (im Gegensatz zur Verfolgung) bekannt. Sicher, sie werden große Bandbreiten nutzen, nur weil sie es können. Das Modulationsschema wird also für die Leistung gewählt, nicht für die Minimierung der Streuung in benachbarte Bänder, wie es auf der Erde oft ein Anliegen ist. Spreizspektrum bedeutet jedoch nicht nur eine große Bandbreite, sondern auch eine Art zeitabhängige Codierung oder andere Struktur, die am Sender verwendet und dann am Empfängerende notwendigerweise dupliziert wird, um das Signal durch Korrelation zu decodieren. Das ist mir in der Deep-Space-Kommunikation nicht bewusst.

Als Referenz die in diesem Dokument zitierte Definition von Spread Spectrum :

Spread Spectrum ist ein Übertragungsmittel, bei dem das Signal eine Bandbreite einnimmt, die über das zum Senden der Informationen erforderliche Minimum hinausgeht; die Bandspreizung wird mittels eines von den Daten unabhängigen Codes bewerkstelligt, und ein synchronisierter Empfang mit dem Code beim Empfänger wird zum Entspreizen und anschließenden Datenwiederherstellen verwendet.

Wenn ich das richtig verstehe, Shannon-Harltey sez (und mit "sez" meine ich, dass ich paraphrasiere), wenn Sie das Spektrum Ihres Signals über eine Bandbreite verteilen , die erheblich größer ist als Sie benötigen (mit einigen Einschränkungen, wie Sie dies tun) Sie können Ihr Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. Jetzt weiß ich nicht, ob das allein als "Spreizspektrum * -Technik" zählt, aber ich denke, es tut es. Die Codierung kann nur eine Möglichkeit sein, die Spreizung durchzuführen, damit der Empfänger weiß, wie er decodieren muss. Das tut es nicht muss ein "geheimer" Code sein. Dies ist jedoch nur meine eigene Einstellung
Wenn es einen anderen Begriff gibt, der verwendet wird, um ein Signal absichtlich über einen größeren Frequenzbereich zu verteilen, um Shannon-Hartley und das verbesserte S / N zu nutzen, und der Begriff etwas anderes als "Spreizspektrum" ist, dann Das ist der Begriff, den ich in meiner Frage verwenden möchte. Mir ist bisher kein anderer Begriff bekannt.
Ich denke, eine Schwierigkeit besteht hier darin, dass Spread-Spectrum mehrere verschiedene Vorteile gleichzeitig bietet. Es bietet S/N-Verbesserung, aber auch Immunität gegenüber Interferenzen durch andere künstliche Signale und auch eine gewisse Immunität gegenüber Mehrweginterferenzen. Ich denke, das ist eine wirklich interessante und unterbewertete Frage.
Der Schlüssel hier ist, dass es sich bei Spread Spectrum um einen „von den Daten unabhängigen Code“ handelt. Wenn Sie die Bandbreite mit einem Code erhöhen, der von den Daten abhängig ist (dh ein Fehlerkorrekturcode), dann hilft das Erhöhen der Bandbreite SNR; Wenn es unabhängig ist, mischt es nur das Rauschen und gibt keinen Vorteil. Spreizspektrum ist großartig gegen Schmalbandstörungen, hilft aber nicht gegen Breitbandrauschen. Es eignet sich auch gut zum Tracking (daher seine Verwendung für Ranging & GPS). Und für Mehrfachzugriff - aber das ist derzeit kein Problem für Deep-Space-Missionen ...
@PaulNorridge Ich werde dem nachgehen, aber ich bin mir nicht sicher, ob das alles stimmt; Ich bin mir ziemlich sicher, dass Shanon-Hartley keinen Code benötigt, der "von den Daten abhängt" (z. B. einen Fehlerkorrekturcode), um das S / N zu verbessern. Geben Sie mir ein paar Tage, um eine bessere Antwort zu posten, aber ich bin im Moment überschwemmt. Wenn Sie in der Zwischenzeit einen Link zu einer klaren Erklärung finden, warum das so ist, würde ich mich sehr darüber freuen!
@PaulNorridge siehe hier , hier und hier für alles, was ich derzeit über LORA weiß, wo meines Wissens die Frequenzmodulationssequenz (zusätzlich zu anderer Codierung) explizit für verbessertes S / N à la Shannon-Hartley verwendet wird. ( Datenblatt und Anwendungshinweis ). First Linked Q hat auch hilfreiche ausführliche Videos und ppt.
@PaulNorridge Das Papier Verständnis der Grenzen von LoRaWAN ist ebenfalls hilfreich.
@uhoh Der entscheidende Punkt, der in diesem Anwendungshinweis beschönigt wird (abgesehen von der fragwürdigen Mathematik), ist, dass die Bandbreitenerhöhung nur hilft, wenn das SNR fest ist. Aber normalerweise erhöht eine Erhöhung der Bandbreite auch das Rauschen um denselben Faktor, sodass Sie keinen Vorteil haben. Soweit ich sehen kann, erhöht LoRa nur das SNR, indem es effektiv die Rate der Nutzdaten senkt, also die Energie pro Datenbit erhöht. Aber das ist nicht vom Spread-Spektrum abhängig. Sie könnten die Datenrate bei einem ungespreizten Signal verringern und den gleichen Effekt sehen.
@PaulNorridge können Sie mir einen Link oder eine Referenz geben, die dies unterstützt und ausführlicher erklärt? Wäre es auch möglich, klarer zu artikulieren, welcher Aspekt der Mathematik fragwürdig ist und was diese Frage wäre? Wenn Sie etwas sehen, das nicht stimmt, weisen Sie bitte darauf hin. Vielen Dank!
@uhoh Zur Mathematik: Obwohl die Schlussfolgerung, dass C / B proportional zu S / N ist, richtig ist, sind die Erklärungen zur Ableitung von Gleichung 2 und 3 nicht sinnvoll (oder zumindest sehr verwirrt).
@uhoh Noch wichtiger ist, dass C die potenzielle Kapazität des Links ist, nicht die garantierte Leistung. "Nur die übertragene Signalbandbreite muss erhöht werden" ist also nicht richtig; Sie brauchen eine Möglichkeit, diese Bandbreite effektiv zu nutzen. Und Sie verlassen sich darauf, dass sich die S/N nicht ändert. Wenn Sie sich die Wikipedia-Seite für S–H ansehen, gibt es ein Beispiel, das zeigt, warum C bei niedrigem SNR typischerweise unabhängig von der Bandbreite ist. Ein ähnliches Argument funktioniert für Spreizspektrum.
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