Szwedzki wynalazek zrewolucjonizuje komunikację w przestrzeni kosmicznej
Peter Andrekson i jego koledzy z Uniwersytetu Technologicznego Chalmersa w Göteborgu poinformowali o skonstruowaniu najbardziej czułego odbiornika sygnałów optycznych przesyłanych bezprzewodowo. Szwedzi osiągnęli bezprecedensową czułość niemal 1 fotonu na 1 bit danych. Udało się to dzięki nowatorskiemu podejściu do przygotowania sygnału oraz likwidacji zakłóceń w samym odbiorniku.
Agencje kosmiczne, w miarę realizacji coraz bardziej ambitnych planów badania przestrzeni pozaziemskiej, próbują zwiększać możliwości komunikacyjne swoich satelitów. Jednak obecne radiowe systemy transmisji z trudem nadążają za rosnącymi potrzebami. Dlatego też coraz częściej mówi się o wykorzystaniu sygnałów optycznych do szybkiej transmisji danych na duże odległości. Mają bowiem tę olbrzymią zaletę, że w miarę rozchodzenia się w przestrzeni tracą znacznie mniej mocy niż sygnały radiowe. A pamiętać trzeba, że mówimy tutaj o transmisjach na olbrzymich dystansach. Żeby jednak przyspieszyć transmisję danych optycznych potrzebne są jak najbardziej czułe odbiorniki, które wymagają użycia jak najmniejszej liczby fotonów do przekazania bitu informacji.
Zespół Andreksona stworzył nową architekturę, w ramach której dane są najpierw kodowane w sygnałową falę światła, następnie jest ona łączona z falą ciągłą o różnych częstotliwościach. Gdy takie fale przechodzą przez nieliniowy światłowód generują trzecią falę. W końcu wszystkie te fale zostają wzmocnione i wysłane w kierunku odbiornika. Sygnał przechwytywany jest przez światłowód i trafia do wzmacniacza fazoczułego. Ostatecznie sygnał trafia do standardowego odbiornika, gdzie oryginalna informacja zostaje odzyskana.
Obecnie najbardziej zaawansowane bezprzewodowe systemy komunikacji optycznej pozwalają na przekazywanie danych z prędkością poniżej 1 Gb/s i wymagają do pracy niezwykle niskich temperatur. Urządzenie Andreksona osiąga czułość niemal 1 fotonu na 1 bit w temperaturze pokojowej, pozwalając na transmisję danych z prędkością dochodzącą do 10,5 Gb/s. Ponadto, jako że system wykorzystuje proste techniki modulacji sygnału, jego przetwarzania i korekcji błędów, może z łatwością być skalowany do większych prędkości.
Komentarze (25)
peceed, 21 października 2020, 00:05
A to nowość. Bo u nas w Polsce to każdy sygnał maleje z kwadratem odległości, pewnie nie wdrożyliśmy jeszcze jakiejś unijnej dyrektywy.
Jajcenty, 21 października 2020, 07:54
Obstawiam, że chodzi o zbieżność wiązki lasera.
tempik, 21 października 2020, 08:09
ciekawe jak chcą namierzać odbiornik/nadajnik przy takim spójnym promyczku. Chyba ostatnio był jakiś news, że po x dziesięciu latach udało się w końcu trafić na krótką chwilę w lusterko umieszczone na Księżycu, a przecież to tak blisko
Mariusz Błoński, 21 października 2020, 10:03
Jak więc to lepiej napisać dla laików?
darekp, 21 października 2020, 10:49
Chyba tak jak jest, jest dobrze, @peceed chyba jest tutaj trochę hiperpoprawny, w ogólności nie jest chyba prawdą, że każdy sygnał maleje z kwadratem odległości (vide przykładowo laser)?
Jajcenty, 21 października 2020, 13:20
Niektóre sygnały w porywach może nawet proporcjonalnie do R-3
darekp, 21 października 2020, 13:44
Święta prawda, Jajcenty, a przy niektórych sygnałach to poryw wiatru może nawet spowodować, że sygnał pójdzie w drugą stronę: https://tech.wp.pl/jak-kiedys-radzono-sobie-bez-telefonu-komorkowego-6035072152486529g/3
cyjanobakteria, 21 października 2020, 14:09
Jedno z rozwiązań paradoksu Fermiego zbliża się wielkimi krokami
Kilka dekad po rozpoczęciu eksploracji kosmosu komunikacja radiowa przestaje wyrabiać się z przepustowością i zasięgiem transmisji. Chociaż z drugiej strony komunikacja radiowa z satelitami Vojyager 1 i 2 robi wrażenie, szczególnie jak uwzględni się skromną moc nadajników zainstalowanych na sondach.
cyjanobakteria, 21 października 2020, 15:07
Transfer faktycznie jest skromny, ale nadajnik to tylko 22W czyli tyle co żarówka w lodówce. Z kolei na Ziemi talerz paraboliczny 70m
Z tego, co wiem, to trzeba wybrać albo przepustowość albo zasięg, a jak się doda jeszcze do tego masę albo cenę, to wychodzi klasyczny trójkąt "wybierz dwa", co można to zaobserwować samemu na przykładzie WiFi 2.4 vs 5GHz 
cyjanobakteria, 21 października 2020, 15:43
Kiedyś zerknąłem w necie na booster/repeater do 3G i 4G + antenę paraboliczną na dach, ewentualnie Yagi, ale elektronika nie jest tania. Nie wiem czy to jest nawet legalne, bo repeater emituje sygnał w regulowanym paśmie
Tu gdzie mieszkam też mam słaby zasięg w sieci mobilnej. Mógłbym zmienić operatora, bo konkurencja ma chyba trochę lepsze pokrycie, ale głównym problemem jest hangar z blachy falistej u sąsiada 
cyjanobakteria, 21 października 2020, 17:49
To mały offtop, ale zrobiłem właśnie krótki research i okazało się, że są pasywne repeatery, które nie wymagają pozwoleń, link poniżej. Wykorzystują telefon, który musi się znajdować na urządzeniu (radiator), a dla operatora wygląda, jakby był na dachu, czy gdziekolwiek jest umieszczona antena główna.
https://www.cellutronics.co.nz/passive-repeaters/
Co do aktywnych, to najwyraźniej operator ma wykupione dodatkowe pasmo, które przydziela klientom za opłatą i na których działają jego urządzenia. Jak się kupi repeater na własną rękę, to może zakłócać urządzenia. W sumie rozumiem to, że pilnują pasma, bo inaczej zrobił by się burdel. Operatorzy mają czułe odbiorniki i przy niewielkiej sile sygnału, przy której na WiFi nie można się nawet połączyć z AP (access point), bo sygnał ginie w szumie, w GSM można prowadzić rozmowę głosową.
tempik, 21 października 2020, 18:01
To tak jak na twojej wsi
pewnie jak był bliżej cywilizacji to było dużo lepiej, podjedź bliżej miasta to też będziesz miał lepszy bitrate.
ale tam gdzie jest teraz, więcej mu nie potrzeba, nie ma sensu robić fotek niezmiennej czarnej pustki. A do obsługi tych paru czujników i przy kompresji danych wystarcza
cyjanobakteria, 21 października 2020, 19:14
Obszerniejszy artykuł. Drugi obrazek pokazuje wielkość wiązki lasera w porównaniu do wiązki radiowej wysłanej z Księżyca. Nie chce mi się liczyć, ale jakby wysłać to w kierunku Voyagera, to średnica wiązki będzie pewnie większa od średnicy Ziemi.
https://www.chalmers.se/en/departments/mc2/news/Pages/The-most-sensitive-optical-receivers-yet-for-space-communications.aspx
Zakładając, że wiązka poszerza się liniowo oraz że kropka ma 30km średnicy, wiązka będzie miała średnicę około 150x większą niż tarcza Ziemi (12600km).
A więc policzyłem
peceed, 21 października 2020, 19:48
Parafrazując, jak nie wiesz co napisać, pisz prawdę
Że komunikacja laserowa zapewnia możliwość stosowania bardziej skupionych wiązek, co powoduje, że znika problem wzajemnych zakłóceń (to najważniejsze), a do tego pozwala na zmniejszenie mocy nadajników.
Użyte sformułowanie sugeruje inne właściwości światła w interakcji z przestrzenią międzyplanetarną.
W praktyce jest to zawsze funkcja odwrotnie kwadratowa, tylko że odległość może być przeciągnięta za nadajnik, na przykład w laserze: 1/(r0+r)^2.
Przy dostatecznie dużej odległości można pominąć r0.
Tylko jedno? Na świecie widuje się po kilkadziesiąt rozwiązań paradoksu Fermiego rocznie!
peceed, 21 października 2020, 20:13
Dlatego napisałem "przy odpowiednio dużej".
Jak większość ludzi po spotkaniach 3 stopnia
cyjanobakteria, 21 października 2020, 23:56
Policzyłem dokładniej. Na początku chciałem napisać 60km, ale na oko zmniejszyłem do 30km
Okazało się, że pierwszy szacunek był bliższy prawdy, bo pod powiększeniem w programie graficznym okazało się, że kropka to trochę ponad 90km średnicy (2 pixele na grafice). Wychodzi na to, że wiązka lasera ma o okolicy Voyagera około 400 średnic Ziemi, to tyle co około 40 średnic Jowisza. Niewiarygodne, jak skolimowane światło potrafi się "rozjechać" na tak wielkich odległościach. Teraz sobie wyobraźcie jaki rozmiar wiązka miałaby w okolicach Alfa Centauri.
tempik, 22 października 2020, 07:41
niech puszczają "gęsiego" pojedyncze fotony to może nie rozbiegną się po łące
rozważany system transmisji optycznej raczej dotyczy dużo krótszych dystansów. Przy dużych odległościach nadajniki również będą musiały być dużej mocy, a detektory wielkie, a zakładając że te wszystkie graty jeszcze trzeba będzie wynieść poza atmosferę, stawia to spore bariery co do zasięgu.
radar, 22 października 2020, 08:52
Dobre news. Ciekawe czy są w sprzedaży w PL. Jak na aledrogo wpisałem pasywny repeater to otrzymałem jedynie "pasywny wtryskiwacz mocy PoE"
Nie wiem co to, ale chyba kupię, bo brzmi kozacko 
No tak, a wydawało by się, że ta wiązka jest "równoległa". Ciekawe czy będzie można poprawić te parametry? No i precyzja celowania.
No chyba właśnie niekoniecznie
Ale może precyzja danych lokalizacyjnych samego lusterka na Księżycu nie były wystarczająca i nie wiadomo tak na prawdę gdzie celować?
Jak ta wiązka się tak rozjeżdża to detektory nie muszą być wielkie, a "jedynie" czułe, co w/w wynalazek "niby" rozwiązuje.
tempik, 22 października 2020, 11:14
a jaką będziesz miał precyzję lokalizacji sondy? w ogóle da ją się zlokalizować? chyba tylko wskazując palcem kierunek w którym poleciała, chyba że nie wiem o jakimś kosmicznym GPSie
, do tego ciągły ruch Ziemi, i całego układu, nie jest łatwo trafić i utrzymać cel, nawet działem o kalibrze fi Ziemi.
w przyrodzie czułość słuchu zwierza zazwyczaj łączy się z wielkością ucha. A artykuł raczej mówi o tym ze potrafią w sygnale zakodować 1 bit na jednym fotonie, ale czy ten 1 foton potrafią skutecznie wyłapać z 2 strony? znając moc nadajnika można by obliczyć ile fotonów na m2 jest w odległości gdzie wiązka jest już wielkości Ziemii.
cyjanobakteria, 22 października 2020, 13:06
PoE to jest prawdopodobnie power-over-ethernet, które umożliwia zasilanie niewielkich urządzeń przez Ethernet, na przykład kamery CCTV, telefony, access pointy.
Doczytałem, że u mnie za granicą regulator niedawno udostępnił w wolnej sprzedaży kilka aktywnych modeli, które są prawdopodobnie przetestowane i nie zakłócają działania infrastruktury sieci komórkowej. Podobno konfiskują trochę aktywnego sprzętu co roku, zarówno celnicy zatrzymują przesyłki na granicy, jak i sam regulator oraz operatorzy sieci komórkowych, którzy namierzają nadajniki.
Pewnie można, ale wygląda na to, że poza ograniczeniami wynikającymi z inżynierii są też ograniczenia fizyczne (refrakcja).
W przyszłości na pewno będzie w Układzie Słonecznym sieć przekaźników, aka repeaterów, bo to też jest sposob na utrzymanie skolimowanej wiązki. To jednak lekkie SF na razie. Będzie trzeba dodać flagę do traceroute i poluzować timeout
Podałem na poprzedniej stronie wyliczenia. Jeśli sonda znajduje się w okolicy Marsa (najbliższej 62mln km), to wiązka ma średnicę 15.5k km, czyli większa od średnicy Ziemi. Pytanie jest zatem czy potrafią trafić laserem w sporej wielkości planetę?
peceed, 22 października 2020, 13:33
Pytanie czy laser jest w stanie być jaśniejszym od całej planety. W przypadku fal radiowych mamy to gwarantowane, w przypadku fal optycznych - nie bardzo.
Lasery do dobre rozwiązanie na komunikację orbitalną, ale nie międzyplanetarną.
Do tego komunikacja radiowa pozwala na bardzo łatwe tworzenie kanałów w dziedzinie częstotliwości, a w przypadku laserów jest to niemożliwe.
tempik, 22 października 2020, 14:12
ja bym nie potrafił, na moim niebie Mars to kropka niewiele większa od gwiazdy
ale pewnie jakaś automatyka precyzyjna dała by radę podążać za tak małym rozmiarem kątowym.
radar, 22 października 2020, 21:50
Może tak jak drzewiej bywało, czyli z pozycji gwiazd, w tym Słońca + teraz bardzo dokładny zegar? Tak, wiem, że to inżynieryjnie trudne, ale jakoś OSIRIX-REx potrafił wylądować (nie tylko zlokalizować się), odpowiednio obrócić, nawigować w drodze etc. także też bez przesady.
Bo czym więcej sygnału wejściowego tym lepiej, ale u nas podobno wystarczy jeden foton per bit. Tak, przyznaję rację, że moc nadajnika też będzie miała znaczenie.
Panie, nie takie rzeczy żeśmy ze śwagrem robyly.
Czy ja wiem. Koszty tak, ale czy SF? Puszczasz sondę, za 2, 3, 5 czy ile tam potrzeba lat puszczasz jej śladem jakiś mały repeater, potem znowu... tak trochę jednorazowo, ale za to może nie za drogo w porównaniu do sieci przekaźników na orbitach okołosłonecznych.
cyjanobakteria, 22 października 2020, 22:04
Dobre pytania. Technologia na pewno ma swoje ograniczenia. Co do częstotliwości, to co uniemożliwia wykorzystanie częstotliwości laserów do stworzenia kanałów? Problem na pewno można obejść przez zastosowanie większej ilości wiązek point-to-point.
Chodziło mi o to, że nie oczekuje w najbliższej przyszłości - w sensie nie dożyję
- sieci tego typu węzłów komunikacyjnych w Układzie Słonecznym, ale prędzej czy później to musi nastąpić, może w drugiej połowie wieku. Twoje rozwiązanie jest chyba lepsze, bo do sieci potrzeba infrastruktury, która z tego będzie korzystać, a tego na razie nie ma.