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标题: 48亿公里外惊鸿一瞥：冥王星照片的通信难题（3#惊现原文作者） [查看完整版帖子] [打印本页]
时间: 2015-7-21 08:57
作者: jian513218
标题: 48亿公里外惊鸿一瞥：冥王星照片的通信难题（3#惊现原文作者）
最近这段时间，一张冥王星的照片红遍了全世界。北京时间7月14日晚7点49分，美国航空航天局的探测器“新视野号”成功达到了与冥王星最近距离处，二者相隔只有1.25万公里。新视野号成功拍下了这张清晰度极高的冥王星照片，并且顺利传回地球。虽然这项史无前例的旅程耗费了9年半的时间，但是飞行了48亿公里的新视野号并没有因此停下自己的脚步。拍摄完这张照片，新视野号就以每小时4.96万公里的高速度向着位于柯伊伯带的下一个目标飞去。
48亿公里之外的信号是什么样的？
这是一张太阳系的结构图，冥王星位于太阳系边缘的柯伊伯带，距离太阳的平均距离将近59亿公里。即使是太阳发出的光，也需要将近5.47小时才能照射到冥王星的表面。要想从如此遥远的地方传输数据回地球，新视野号探测器需要克服很多困难。
首先，影响信号传输最大的困难就是距离。为了更好理解这个问题，不妨举一个简单的例子。假设两个人正在说话，当两个人相距1米的时候，一个人不用太大声说话对方就能听清。但是当两个人的距离达到100米的时候，即使一个人大声说话对方也不一定听得起。由于信号的强度和距离的平方成反比，随着距离的增加信号的强度也成指数型减少。探测器和地球之间的关系和两个人说话十分类似，当两者距离达到48亿公里的时候，地球所能接受到的探测器信号强度非常有限。除非使用超高灵敏度的接受天线，否则这一信号很难被检测出来。
其次，背景噪音也会直接影响到信号的传输。回到前一个例子，假设两个人身处非常吵杂的体育场中。即使他们间相距1米，巨大的噪声也会影响到两者的沟通。如果两者的距离扩大到100米，那么无论再怎么大声说话对方也无法听清。在我们的宇宙中，包括恒星在内的许多星体都会发出各种频率的电磁信号。而在太阳系中，太阳所发出的的电磁波更是成为了巨大的噪声源。这些噪声累加在一起，成为宇宙空间的背景噪声。随着距离的增加，探测器的传输信号很容易淹没在宇宙背景噪声中，更加难以被检测出来。
雪上加霜的是，信号在传输的过程中还会因为干扰而出现失真。由于距离太远加之干扰巨大，信号中的二进制数据很容易出现错误。明明代表0的信号可能因干扰变成1，明明代表1的信号也可能因干扰而变成0。一旦信号失真，数据的还原就会出现严重的问题。
虽然信号传输问题很多，但是NASA还是成功接收到了来自冥王星的信号，史无前例的高清图片更是宣告了冥王星探测计划的成功。现在问题来了，NASA是怎么解决这些问题的呢？
尽可能集中能量发射
由于探测器和地球距离过于遥远，任何没有对准地球发出的信号都无法被接受到。为了提升发射信号效率，探测器的发射天线必须对准地球。只有将发射的能量尽可能的集中，地球才有可能接受到48亿公里之外的探测器信号。
扩频技术
为了克服宇宙背景噪声对信号带来的影响，探测器在传输信号的过程中使用了扩频技术。所谓的扩频技术，是将原本用于传输的原始信号通过扩频技术变成频率较宽的新信号。在信号功率远低于噪声功率的情况下，通过扩展信号传输的频谱可以极大的提升传输信号的稳定性。而将接受到的扩频信号进行解调，就可以轻易的从背景噪音中获取到所需的信号。
信道编码
即使获得了有用的信号，信号在传输过程中依然有可能因为干扰而出现失真，这个时候就需要用信道编码进行纠错。为了增加通信的可靠性，人们利用信道编码对原始信号增加特定的信息，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。举一个简单的例子，假设有人运送一批玻璃杯，为了保证运送途中不出现打烂玻璃杯的情况，人们通常用泡沫海绵之类的缓冲物将玻璃杯保护起来。当然，有得必有失。由于增加了缓冲物，原来能装100个玻璃杯的箱子可能只能装80个了，剩下的空间被缓冲物所占据。同样的道理，信号的传输速率也会因为增加特定的纠错编码而下降(传输100bit的数据可能90bit都是纠错码，真正有用的数据仅有10bit)。
通过对原始信号增加特定的纠错信息，信号即使在传输过程中出现差错，也可以在接受端被发现和纠正。通常深空通信使用的信道编码方式是LDPC码(低密度奇偶校验码)，通过这种编码方式，探测器所发出的信号可以更加稳定的传输到地面接收站。
总结：
在众多新技术的大力支持下，新视野号探测器发出的信号终于成功被地球接收到，人们也终于有机会一窥来自冥王星的秘密。因为距离遥远，即使是以光速传输，新视野号探测器发出的信号也需要4.5小时才能到达地球。为了获得稳定可靠的信号，新视野号探测器的传输速率更是仅有1Kbps。换句话说，即使探测器已经收集到了大量有用的数据，这些数据传输回来也需要相当漫长的时间。根据NASA的初步估计，最终接受完这些数据需要耗费至少16个月的时间。在数据没有接受完整之前，我们只能看到一些照片的压缩版本。而真正高清晰度的冥王星靓照，还需要我们耐心等待。
时间: 2015-7-21 14:43
作者: isboss
时间: 2015-7-21 21:23
作者: dingax
转我文章请留名字好吧
时间: 2015-7-22 11:25
作者: ltby7321
牛B
时间: 2015-7-22 17:36
作者: zzz2009
牛B
时间: 2015-7-23 08:39
作者: rapemeist
时间: 2015-7-23 09:19
作者: savie
山高仰止
时间: 2015-7-23 09:31
作者: sandlee
N年没看书了，字多点就头疼
时间: 2015-7-23 09:46
作者: huigaochao
niubility
时间: 2015-7-23 09:59
作者: Iral
时间: 2015-7-23 10:11
作者: scnc001
时间: 2015-7-23 10:17
作者: 总参信息化部
高端、大气
时间: 2015-7-23 10:30
作者: bobofool
看上去高端，但内容一般吧
时间: 2015-7-23 10:51
作者: nipper
dingax 发表于 2015-7-21 21:23 
转我文章请留名字好吧
科普文写得好。
时间: 2015-7-23 11:40
作者: FFT333
有外星人不
时间: 2015-7-23 15:43
作者: 5cy3
写的不错，赞一个！！
时间: 2015-7-23 17:10
作者: 就是它了
似乎通信人要揭示一个谎言了
时间: 2015-7-23 17:41
作者: tmd_1
哪些嚷嚷降薪不服的运营商些，多看看这些文章，也不至于不敢走了。
时间: 2015-7-23 20:35
作者: wxq3d
这个可以顶
时间: 2015-7-24 07:41
作者: 合作营业厅
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽
时间: 2015-7-24 13:15
作者: mingren6780
也的挺好的，有点像科普杂志上面写的普及通信知识，另外内容也不难，考研级别。
时间: 2015-7-24 15:22
作者: mscbsc9708
好高大上的
时间: 2015-7-24 17:11
作者: lzfwan
好神奇
时间: 2015-7-25 14:49
作者: heartwenke
楼主真乃神人也
时间: 2015-7-26 08:40
作者: cdc风
顶
时间: 2015-7-27 08:32
作者: majie_taiyuan
好
时间: 2015-7-27 14:47
作者: hbysuni
时间: 2015-7-27 16:55
作者: rf
本帖最后由 rf 于 2015-7-27 16:56 编辑
深空通信，与移动通信是两回事!
简而言之，深空通信的最大挑战是噪声，而移动通信最大的挑战是干扰。
解决噪声的最好办法是用超低温的接收机，温度越低，性能越好。
解决干扰的办法很多，其中扩频通信就是一种。
因此深空通信最关键的技术是超低温接收，把扩频通信当成是深空通信的关键技术，差得不是一星半点。
附带说一下，想从技术角度深入了解新地平线探测器的深空通信，用bing搜索“新地平线探测器的深空通信”
时间: 2015-7-28 09:02
作者: wy9608
了解学习了
时间: 2015-7-28 09:02
作者: wy9608
了解学习了
时间: 2015-7-28 10:05
作者: goodfy
恩 我怎么感觉和CDMA的系统原理差不多呢
时间: 2015-7-28 10:23
作者: Jasonsim
扩频CDMA！大牛！
时间: 2015-7-28 22:47
作者: SINCE121
不明觉厉，表示完全看不懂
时间: 2015-7-29 13:46
作者: FFT333
很牛啊。。
时间: 2015-7-29 16:54
作者: jancy1988
碉堡了！
时间: 2015-7-29 17:01
作者: 天外飞兽
厉害
时间: 2015-7-29 17:25
作者: mixrsc
懂量子通信不，纠结理论。。。。
时间: 2015-7-29 22:28
作者: etuotech
这种好贴，不能不顶！d=====(￣▽￣*)b
时间: 2015-7-30 13:20
作者: kkwd
长知识了
时间: 2015-7-30 15:07
作者: 蛮蛮的
探测器已经飞行出去9年多了，还能用到现在的新技术？
人类先把银河系几大行星研究透了再说吧！
时间: 2015-7-30 18:05
作者: liuyang2233
这要是移动，收漫游费都能把NASA收的破产！
时间: 2015-7-30 18:11
作者: liuyang2233
丁奥西。 你好
时间: 2015-7-31 01:40
作者: sinopsh
咱们也需要NASA
时间: 2015-7-31 09:35
作者: xiaoyn20
n b
时间: 2015-8-4 16:23
作者: guilingzi5776
科普文章，大力支持
时间: 2015-8-5 15:10
作者: snwj99860
学习了。。。
时间: 2015-8-5 20:55
作者: tangolau
高手在人间
时间: 2015-8-6 11:39
作者: xiaolg8
好
时间: 2015-8-6 16:42
作者: maowangj10
确实高大上。。
时间: 2015-8-7 10:24
作者: zgjnnyl
这才是牛A和牛C之间的技术
时间: 2015-8-11 11:16
作者: liusc1028
rf 发表于 2015-7-27 16:55
深空通信，与移动通信是两回事!
简而言之，深空通信的最大挑战是噪声，而移动通信最大的挑战是干扰。 ...
移动通信也会面对恶劣的噪声，扩频通信的目标之一也是对抗噪声的影响，这是因，而扩频后由于频带展宽导致和其他业务的干扰，这是果。当然，克服多用户之间的干扰也是扩频通信重要目的之一。如果说扩频不是关键，那么想请教一下，深空通信中的关键调制技术是什么呢？若全靠超低温接收机，要是发送信号经过恶劣的信道已经乱七八糟，接收机再低温又有什么用呢？
时间: 2015-8-11 11:17
作者: liusc1028
蛮蛮的 发表于 2015-7-30 15:07
探测器已经飞行出去9年多了，还能用到现在的新技术？
人类先把银河系几大行星研究透了再说吧！
LDPC码上世纪60年代就提出来了，90年代大热，一直用于深空通信中，包括嫦娥工程的通信。扩频更是早了
时间: 2015-8-11 11:20
作者: liusc1028
合作营业厅 发表于 2015-7-24 07:41
在太空通信面前，移动通信显得太低能了，一点点距离就成了覆盖死角
针对的场景不同，不可这么比较。一个是对准了发送，不顾速率、延迟和编码调制冗余只为保证接收正确，而另一个是要提供多用户多业务高速率的接入，完全不一样的场景。
时间: 2015-8-11 15:43
作者: rf
liusc1028 发表于 2015-8-11 11:16
移动通信也会面对恶劣的噪声，扩频通信的目标之一也是对抗噪声的影响，这是因，而扩频后由于频带展宽导致 ...
建议先去弄清楚噪声与干扰的区别，特别是噪声与带宽的关系。然后再去弄清楚扩频通信能不能对抗噪声。
当然，直接从移动通信去套深空通信，一定要想当然也没有办法。
时间: 2015-8-12 13:58
作者: wuchengwen
信号与频谱。
时间: 2015-8-13 02:00
作者: liusc1028
rf 发表于 2015-8-11 15:43
建议先去弄清楚噪声与干扰的区别，特别是噪声与带宽的关系。然后再去弄清楚扩频通信能不能对抗噪声。
...
是的，考虑扩频的增益的话，AWGN噪声的确是不能对抗的，主要还是针对带内多用户干扰问题。谢谢赐教！
时间: 2015-8-14 11:04
作者: yy62435
对美帝还是挺佩服的
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