Receptor y transmisor en RF/comunicación satelital óptica: distancia vs tasa de datos v2

¡Esto es interesante!

Al principio pensé que la comunicación óptica siempre gana porque la$\lambda/d$para un telescopio de 30 cm de diámetro a 850 nm es de aproximadamente 350 000 mientras que para un plato de 3 metros en una nave espacial a 8 GHz o 32 GHz la banda Ka es de solo 80 o 320. Ese factor de 1000 en$\lambda/d$es un factor de un millón en la intensidad de la señal en el otro extremo, o 60 dB.

Ese factor multiplicativo de un millón da para mucho, pero el problema es que los esquemas de detección actuales para radio y ópticos son muy diferentes.

Detección de señales de radio

Un receptor/detector de radio acopla el campo eléctrico de la onda entrante en un voltaje y ese cuadrado, dividido por la impedancia del amplificador es una potencia ($V^2/R$).

En otras palabras, la potencia de radio recibida es también la potencia en el circuito de detección, que comparamos con la potencia equivalente de ruido (NEP) del amplificador, que será de aproximadamente$k_B T \times \Delta f$dónde$k_B$es la constante de Boltzmann .

La relación señal/ruido (S/N) es solo la relación entre la potencia recibida y la potencia equivalente de ruido del extremo frontal del receptor.

Digamos que estamos corriendo en el borde con una S/N = 1. Si la potencia recibida cae por un factor de 10 (la distancia es$\sqrt{10}$más) entonces tenemos que cortar$\Delta f$también por un factor de 10 para mantener el mismo S/N.

Detección de señal de fotones

En este momento, el método estándar para convertir una señal óptica en una señal eléctrica es usar algún tipo de fotodiodo. La mayoría de los fotones que entran en el fotodiodo son absorbidos y producen un par electrón-hueco. Estos se recogen como una corriente eléctrica.

El número de pares producidos y, por lo tanto, la corriente es proporcional a la potencia óptica incidente, bien hasta ahora, pero la potencia eléctrica en el amplificador es igual a la corriente al cuadrado dividida por la impedancia. ($I^2R$)

¡Esto significa que la potencia eléctrica que debemos comparar con la NEP es proporcional al cuadrado de la potencia óptica!

Entonces, una vez que uno abre el capó de este problema, ve que la energía recolectada por la antena es solo la mitad del problema; el método de conversión a señales eléctricas es tan diferente para las ópticas y las de radio que, a una distancia muy lejana, la radio puede ganar utilizando la tecnología de detección convencional.

Pero, ¿qué pasa con la tecnología de detección convencional de la ONU?

Hay algunas cosas a considerar que pueden hacer que el futuro de la comunicación óptica a distancias extremadamente grandes sea más brillante.

Exceder el límite de capacidad clásico en el canal óptico cuántico (también researchgate ) es la referencia #8 en Toyoshima et al .

La cantidad de información transmisible a través de un canal de comunicaciones está determinada por las características de ruido del canal y por la cantidad de recursos de transmisión disponibles. En la teoría de la información clásica, la cantidad de información transmisible se puede aumentar dos veces como máximo cuando el recurso de transmisión (por ejemplo, la longitud del código, el ancho de banda, la potencia de la señal) se duplica para características de ruido fijo. Sin embargo, en la teoría de la información cuántica, la cantidad de información transmitida puede aumentar incluso más del doble. Presentamos una demostración de prueba de principio de esta superaditividad de la capacidad clásica de un canal cuántico mediante el uso de los estados simétricos ternarios de un solo fotón y mediante la selección de eventos de una fuente de luz coherente débil. También mostramos cómo la codificación súper aditiva gana, incluso en una longitud de código pequeña,

Además, dado que los detectores pueden contar fotones individuales y registrar su tiempo de llegada exacto con una precisión de picosegundos y algunos láseres pueden generar pulsos de picosegundos a intervalos de microsegundos y nanosegundos, hay muchas oportunidades de usar la estructura de tiempo para ayudar a aumentar la S/N. de una manera que no es posible con ondas de radio, ya que contar fotones de radio individuales es mucho más desafiante.

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