內容簡介
《深空光通信》《深空光通信》主要面向從事深空探測、空間光通信研究的科研人員、項目管理者，也可作為相關專業研究生的教學參考資料。
序言
行星探測太空飛行器日益增加的資料需求，促使通信頻率從射頻頻段向光和近紅外波段發展。這種變遷可使數據傳輸率比傳統射頻鏈路提高1～2個數量級。美國國家航空航天局（NASA）早期的太空飛行器通信基本都採用s波段，10多年後增加了X波段，20多年後在深空任務中開始採用Ka波段。在光波段，正處於技術逐步成熟和演示階段，有望在一系列令人信服的技術演示驗證成功之後，光通信進入實現階段。本書旨在總結和記載自20世紀70年代後期“自由空間光通信組”成立以來噴氣推進實驗室（JPL）所取得的光通信研究成果。書中概述了JPL光通信組研究人員以及全球其他光通信研究人員20餘年來完成的研究和研製工作。這些研究的重點一直是深空光通信。最近幾年，也研究了不少近地通信技術，研究了太空飛行器載收發機、地面接收機和上行鏈路發射機技術。
25年來，部件和子系統研究經歷了頻繁調整，以跟上雷射器、探測器、探測器陣列和光纖技術的快速發展。因此，研究組的相當一部分研究集中於應對這種挑戰。本書旨在帶領新人進入這一嶄新領域，並為希望了解光通信現狀的人提供豐富的情報。作為一種情報資料，應能幫助本領域人員增進基礎知識並掌握多種重要設計方案及其關鍵差異。本書還希望能提供有關部件及子系統技術、基本限制、最新水平的信息及研究和廣泛探索新技術的途徑。
本書分7章，第1章是深空光通信技術和JPL深空光通信技術開發史。第2章介紹鏈路及系統設計驅動因素、影響光通信系統設計的參數以及本書所討論的相應鏈路參數的鏈路控制表。第3章介紹大氣信道，討論雲覆蓋區統計、大氣透射比、背景光和天空輻射率、雷射束穿過湍流大氣層傳播和影響地面接收站址選址的大氣因素。第4章是調製和編碼，包括被檢測光場的統計模型、調製形式、調製約束帶來的數據傳輸率限制、各種不編碼光學調製方案的性能、光信道容量、光調製的信道代碼以及各種編碼光調製的性能。第5章是構成飛行終端的各子系統。5.1節是捕獲、跟蹤和瞄準子系統。
文摘
《深空光通信》在鏈路的接收端，探測器前面需要加窄帶濾光器，尤其是在地面白天接收時。窄透過波段可消除許多背景光干擾，但透過率必須足夠高，以避免所需信號有過多的損失。多介質濾光器是常用的濾光器，但受限於有足夠透過能力譜段的選擇。
這種類型中研究的一款是夫琅禾費濾光器。在太陽光譜中，存在幾個窄區，其中太陽光球中的光能被某些介質所捕獲，它們是太陽光譜中陽光實際變暗的區域（或至少不是那么亮）。選用對應於夫琅禾費線的雷射線，再用一個同該線匹配的干涉濾光器，則就可在很低的背景干擾下進行通信。早期感興趣的一個雷射波長是倍頻Nd：YAG雷射的532nm。太陽光譜在532nm附近存在幾處低譜線。
為了達到真正的窄通帶（小於1nm），有必要使用多個基於材料中原子躍遷的濾光器。原子共振濾光片（ARF）能達到亞納米的頻寬。不過，由於這些濾光器的工作依賴於吸收某個波長上的光子和另一個新波長上相應的輻射，因此這些濾光器不能用在捕獲與跟蹤系統的前面。新光子的產生依賴於輸入光子能量的吸收，但不能保持輸入光的角方向。為了克服這一問題，在20世紀90年代早期，進行了濾光器的研究，該濾光器產生的偏振鏇轉，源自某些泵浦氣體的異常色散相移。研究了兩種形式的濾光器：法拉第異常色散濾光器（FADOF）和斯塔克移相器異常色散濾光器（SADOF）。這兩種濾光器的工作模式都是將偏振光通過一個原子盒，如果輸入光束同盒內受激發氣體正好共振，則由於氣體的異常色散，輸入光束將會經受一個偏振鏇轉。同受激發氣體不精確共振的光線，將會通過原子盒而沒有偏振鏇轉。在盒的輸出端放置一個正交偏振器，則僅有精確共振的光線可以通過。此外，由於光線不是被吸收後重新輻射，這就保留了共振光線的角方向。SADOF濾光器的結構如圖1—7所示。
1.3.6糾錯編碼
最後，需要討論的關鍵技術是光學編碼。如前所述，最初的多比特／檢測光子驗證採用了加主字母（8b字母）RS編碼的高階PPM調製（256PPM）。由於每個8b字元可指定256個脈衝位置的哪一個用於該字元，因此RS字母同PPM調製相匹配。
目錄
第1章緒論1.1增強通信能力的誘因
1.2JPL光通信活動的歷史
1.3關鍵組件/子系統和技術
1.3.1雷射發射機
1.3.2太空飛行器載望遠鏡
1.3.3捕獲、跟蹤與瞄準(ATP)
1.3.4探測器
1.3.5濾光器
1.3.6糾錯編碼
1.4飛行終端開發
1.4.1光學收發組件
1.4.2光通信驗證設備
1.4.3雷射通信的測試評估站
1.4.4X2000飛行終端
1.4.5國際空間站飛行終端
1.5接收系統和網路研究
1.5.1地面望遠鏡的成本模型
1.5.2深空光學接收天線
1.5.3深空中繼衛星系統研究
1.5.4地面天線技術研究
1.5.5先進通信系統優勢研究
1.5.6地球軌道光學接收終端研究
1.5.7EOORT混合研究
1.5.8球形地面主望遠鏡
1.5.9天基和地基接收權衡
1.6大氣透射
1.7背景光的影響
1.8分析工具
1.9系統級研究
1.9.1金星雷達測繪任務研究
1.9.2合成孔徑雷達-C自由飛行器
1.9.3ER-2到地面研究
1.9.4千天文單位距離航天任務和恆星際任務研究
1.10系統級驗證
1.10.1“伽利略”光學實驗
1.10.2補償式地-月-地後向反射器雷射鏈路
1.10.3地面/軌道器雷射通信驗證實驗
1.10.4地-地驗證實驗
1.11其他通信功能
1.11.1光學測軌導航
1.11.2光科學測量
1.12前景
1.12.1光通信望遠鏡實驗室
1.12.2無人機—地面驗證實驗
1.12.3自適應光學系統
1.12.4光學接收機和動態探測器陣列
1.12.5其他形式地面接收系統
1.13火星雷射通信驗證實驗
參考文獻
第2章鏈路與系統設計
2.1深空雷射通信鏈路概述
2.2通信鏈路設計
2.2.1鏈路方程和接收信號功率
2.2.2光學接收機靈敏度
2.2.3鏈路設計的綜合考慮
2.2.4通信鏈路預算
2.2.5鏈路可用性問題
2.3光束瞄準與跟蹤
2.3.1下行鏈路光束瞄準
2.3.2上行鏈路光束瞄準
2.3.3描準捕獲
2.4其他設計驅動因素和考慮
2.4.1系統質量和功耗
2.4.2對太空飛行器設計的影響
2.4.3雷射安全性
2.5小結
參考文獻
第3章大氣信道
3.1雲覆蓋區統計
3.1.1國家氣候資料中心(NCDC)的數據集
3.1.2單站和雙站分集的統計
3.1.3三站分集
3.1.4NCDC分析結論
3.1.5利用衛星觀測數據的雲覆蓋區統計
3.2大氣透過率與天空輻射率
3.2.1大氣透過率
3.2.2氣體分子吸收與散射
3.2.3氣溶膠吸收與散射
3.2.4天空輻射率
3.2.5背景輻射點源
3.3大氣對光學深空網中地面望遠鏡站址選擇的影響
3.3.1光學深空網
3.3.2航天任務的數據傳輸率／誤碼率(BER)
3.3.3望遠鏡站址
3.3.4網路連續性和山峰
3.4雷射在湍流大氣的傳播
3.4.1大氣湍流
3.4.2大氣“視見”效應
3.4.3光學閃爍或輻射度起伏
3.4.4大氣湍流導致的到達角變化
參考文獻
第4章光學調製與編碼
4.1引言
4.2被檢測光場的統計模型
4.2.1光場的量子模型
4.2.2直接檢測的統計模型
4.2.3統計模型小結
4.3調製形式
4.3.1開一關鍵控
4.3.2脈位調製
4.3.3差分脈位調製
4.3.4交迭脈位調製
4.3.5波長偏移鍵控
4.3.6組合PPM和WSK
4.4調製約束帶來的碼率限制
4.4.1香農容量
4.4.2約束
4.4.3調製編碼
4.5不編碼光調製的性能
4.5.1泊松信道中的OOK直接檢測
4.5.2PPM的直接檢測
4.5.3組合PPM和WSK的直接檢測
4.5.4利用基於量子檢測理論接收機時的調製性能
4.6光學信道容量
4.6.1PPM信道的容量：通用公式
4.6.2軟判決PPM的容量：具體信道模型
4.6.3硬判決和軟判決容量比較
4.6.4採用PPM帶來的損失
4.6.5量子檢測二進信道的容量
4.7光學調製的信道編碼
4.7.1Reed－Solomon碼
……
第5章飛行收發器
第6章地球終端體系結構
第7章發展前景與套用
參考文獻
序言
盤點通信書籍
| 通信在不同的環境下有不同的解釋，在出現電波傳遞通信後通信(Communication)被單一解釋為信息的傳遞，是指由一地向另一地進行信息的傳輸與交換，其目的是傳輸訊息。然而，通信是在人類實踐過程中隨著社會生產力的發展對傳遞訊息的要求不斷提升使得人類文明不斷進步。 |
