Optisk kommunikation i deep space - Steen Eiler Jørgensen

More documents

Recommendations

Info

80 Berings optiske link 10.4 Det endelige linkbudget Det endelige signal-støj-forhold for Berings optiske downlink kan nu beregnes: SNR = = M 2 I 2 p i 2 SA + i2 t + i2 amp 55,4 2 × (5,907 · 10 −13 A) 2 4,721 · 10 −19 A 2 + 7,082 · 10 −20 A 2 = 1,976 · 10 −3 ⇒ SNRdB = 10 log(1,976 · 10 −3 ) (10.10) = −27,0 dB (10.11) Medtages nu et kodningsgain på 10,5 dB, samt en linkmargen på 1 dB, bliver det samlede SNR −15,5 dB. 10.5 Et skuffende resultat Som vi tidligere har set i forbindelse med linkbudgetligningen i radioområdet, formel 4.14, giver en fordobling af frekvensen sig umiddelbart udslag i en forbedring af Eb/N0 på 6 dB. Fra et mikrobølgelink på 32 GHz til et optisk link på 532 nm sker der over 14 fordoblinger, hvilket svarer til en forbedring af linkbudgettet på mere end 84 dB. Desværre – viser det sig – går alt dette tabt i en ineffektiv detektionsmekanisme. Der er nu flere ting, man kan gøre, for at prøve at forbedre linket. Læg mærke til, at linket i følge de ovenstående specifikationer giver et samlet signal-støj-forhold på −15,5 dB; det vil sige, at der slet ikke er noget link. Af figur 5.4 på side 44 ses det, at SNR skal op i nærheden af 19,5 dB, for at sikre en maksimal bitfejlrate på 10 −6 – en forbedring i omegnen af 35 dB er altså nødvendig. Det er selvfølgelig muligt at forsøge at justere lidt på de forskellige størrelser for at se, om det hjælper. Til dette formål har jeg anvendt Excel. 1 Ændres f.eks. bølgelængden til det dobbelte – 1064 nm (den ikke-frekvensdoblede Nd:YAG-bølgelængde) – falder SNR til −21,5 dB, da det lavere antennegain ved den højere bølgelængde opvejer den forbedrede responsivitet. Der gælder altså stadig, at højere frekvenser forbedrer linkbudgettet. Her ses den forventede sammenhæng, at en halvering af frekvensen fører til et fald i SNR på præcis 6 dB. Ændres afstanden Jorden-Bering til 1,2 AU – den mindste afstand overhovedet, efter Bering har nået sit endelige kredsløb – øges SNR til +7,1 dB (Pe ≈ 0,1). Det er en god forbedring, men det hjælper ikke så meget, da afstanden langt det meste af tiden vil være langt større. Fordobles primærspejlets diameter til 0,5 m – på begge terminaler – øges SNR til +9,3 dB (Pe ≈ 0,07). Men dette er en voldsom ændring af Berings teleskop, og meningen var jo netop at anvende det eksisterende. Holdes diameteren 1 http://www.dsri.dk/∼sej/bering_optical_linkbudget.xls
10.5 Et skuffende resultat 81 på Berings primærspejl på de specificerede 0,25 m, skal modtagerantennens diameter øges til over 1 m for at opnå samme forbedring af SNR. Dette er muligvis den mest frugtbare parameter at ændre på, hvis linket skal kunne lade sig gøre. Ændring af antallet af signalslots pr. ramme, M, medfører ingen ændring af linkbudgettet. Ændring af bitraten heller ikke har nogen indflydelse på linkbudgettet. Dette er en konsekvens af, at den fastholdte laserrepetitionsrate afgør, hvor meget energi, den enkelte puls indeholder. Halveres repetitionsraten til 25 kHz, stiger SNR til −9,5 dB. Sænkes repetitionsraten til 750 Hz, kommer BER op over 10 −6 , men med et alvorligt fald i den maksimale bitrate til 5 kbit/s. Hvad der ikke er taget højde for her, er at laseren ikke bare sparer mere og mere energi sammen, jo mere dødtiden forlænges. Der nås efterhånden et mætningspunkt, således at ovenstående resultater må antages at være urealistiske. Den gennemsnitlige effekt i pulserne er nu oppe på over 38 kW. Kunne man anvende en APD med en kvanteeffektivitet på 100%, ville dette kun øge SNR til −14,6 dB. Mørkestrøm i APDen er sat til det laveste, der i dag er muligt (jf. [1], s. 151). Det er mørkestrømmen, der er den direkte kilde til det dårlige link, da denne er ca. 170 gange kraftigere end fotostrømmen. Det er imidlertid nok mere frugtbart at forsøge at øge fotostrømmen, end at forsøge at nedbringe mørkestrømmen yderligere. I øvrigt bør det bemærkes, at der ikke er taget hensyn til atmosfæriske tab, tab som følge af interplanetarisk støv, og støj pga. baggrundsstråling. Konklusionen må være, at det i tabel 10.1 specificerede optiske <strong>kommunikation</strong>ssystem er utilstrækkeligt til at sikre et effektivt link. 10.5.1 Optimering af linket Det er altså ikke muligt at modtage signalerne fra Bering på Jorden, hvis man anvender en optisk <strong>kommunikation</strong>sterminal på Jorden, der er identisk med Berings. Men givet den optiske terminal på Bering må det være muligt, vha. et større astronomisk teleskop, at forbedre linkbudgettet. På ESOs La Silla-observatorium på grænsen til Atacama-ørkenen i Chile findes et dansk, astronomisk teleskop med en spejldiameter på 1,54 m. Ændres diameteren af modtagerteleskopet til 1,54 m, bliver SNR for afstanden 4,5 AU 15,9 dB, hvilket svarer til en bitfejlrate på 8,6 · 10 −4 . De 4,5 AU er absolut “worst case” – afstanden mellem Jorden og Bering bliver kun 4,5 AU, når der opstår konjunktion mellem Jorden og Bering samtidig med, at Bering er i aphelion. Og dette først, når Bering har nået sin endelige bane i asteroidebæltet. Hele den første del af missionen (markeret med rødt på figur 3.1) kommer Bering ikke længere fra Jorden end 1,72 AU. I missionens sidste fase vil afstanden det meste af tiden også være mindre end 3,5 AU. Det viser sig, at bitfejlraten kommer ned under 10 −6 i afstanden 3,566 AU. På figur 10.2 er vist den direkte afstand mellem Jorden og en rumsonde i cirkulært kredsløb om Solen i afstanden r = 2,85 AU. Berings kredsløb i missionens sidste fase har aphelion ved 3,5 AU og perihelion ved 2,2 AU – gennemsnittet af dette er 2,85 AU. Da dette cirkulære kredsløb har samme
Page 1:
Optisk kommunikation i deep space -
Page 4 and 5:
Forsiden: Rumsonden Bering i færd
Page 6 and 7:
iv - som dette speciale belyser - d
Page 8 and 9:
vi INDHOLD 5 Optisk kommunikation 3
Page 11:
Figurer 2.1 Apollo-, Amor- og Aten-
Page 15 and 16:
Kapitel 1 Indledning 1.1 Baggrund N
Page 17 and 18:
1.2 Formål 3 ducere elektricitet p
Page 19 and 20:
Kapitel 2 NEO NEOer (Near Earth Obj
Page 21 and 22:
2.1 Asteroider 7 undersøgelse. Kun
Page 23 and 24:
2.1 Asteroider 9 har spundet guld p
Page 25 and 26:
2.2 Detektion af asteroider 11 2.2.
Page 27 and 28:
2.2 Detektion af asteroider 13 2.2.
Page 29 and 30:
2.4 Sammenligning med Bering 15 Spa
Page 31 and 32:
Kapitel 3 Bering Bering ([5], [30],
Page 33 and 34:
3.1 Berings bane i solsystemet 19 F
Page 35 and 36:
3.2 Berings instrumenter 21 - Mode:
Page 37 and 38:
Kapitel 4 Kommunikationsteori Ønsk
Page 39 and 40:
4.1 Linkbudgetligningen 25 hvor Lp
Page 41 and 42:
4.1 Linkbudgetligningen 27 EIRP st
Page 43 and 44: 4.2 Komprimering af data - “Lossy
Page 45 and 46: 4.3 Radio-linkbudget for Bering 31
Page 47 and 48: 4.4 Højere datarater med højere f
Page 49 and 50: Kapitel 5 Optisk kommunikation Ford
Page 51 and 52: 5.2 Detektion 37 5.2.1 Detektorer V
Page 53 and 54: 5.3 Støj 39 tektor. p-i-n-fotodiod
Page 55 and 56: 5.3 Støj 41 5.3.2 Støj i detektor
Page 57 and 58: 5.4 Den optiske linkbudgetligning 4
Page 59 and 60: 5.4 Den optiske linkbudgetligning 4
Page 61 and 62: 5.5 Eksperimenter med optisk kommun
Page 63 and 64: 5.5 Eksperimenter med optisk kommun
Page 65 and 66: Kapitel 6 Lasere Et atom kan absorb
Page 67 and 68: 6.2 Typer af lasere 53 faststoflase
Page 69 and 70: 6.3 Pulsing 55 hvilket giver en gen
Page 71 and 72: 6.5 Berings lidar 57 6.5 Berings li
Page 73 and 74: Kapitel 7 Modulation 7.1 Modulation
Page 75 and 76: 7.1 Modulationsarter 61 hinanden. D
Page 77 and 78: 7.2 Modulation af laserstråler med
Page 79 and 80: 7.3 Protokoller 65 Figur 7.2: Datap
Page 81 and 82: Kapitel 8 Optik 8.1 Gauss-strålen
Page 83 and 84: 8.1 Gauss-strålen 69 Beam waist ra
Page 85 and 86: 8.2 Bessel-strålen 71 Vi betragter
Page 87 and 88: Kapitel 9 Acquisition og tracking 9
Page 89 and 90: Kapitel 10 Berings optiske link Ved
Page 91 and 92: 10.2 Linkbudgettet 77 Dette er den
Page 93: 10.3 Støj 79 hvilket i APDen induc
Page 97 and 98: 10.5 Et skuffende resultat 83 Figur
Page 99 and 100: Kapitel 11 Konklusion Den umiddelba
Page 101 and 102: 11.2 Optisk kommunikation i rummet
Page 103 and 104: Litteratur [1] G.P. Agrawal: Fiber-
Page 105 and 106: LITTERATUR 91 [25] J.R. Lesh, J. Ka
show all

Optisk kommunikation i deep space - Steen Eiler Jørgensen

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?