La mayoría de las comunicaciones de datos basadas en tierra y espaciadas implica mover bits binarios de datos de un punto a otro. La primera tarea es preparar sus datos binarios antes de la modulación. El paso 1 es eliminar los datos redundantes que no necesita. Esto a menudo se llama compresión de datos. Si está enviando una imagen de una ubicación remota, su imagen puede contener mucha redundancia inherente y puede usar un esquema de compresión “con pérdida” como jpeg para reducir la cantidad de bits de datos transmitidos en un factor o 20 o más, pero con algunos pérdida de fidelidad de imagen. Si no puede permitirse perder parte de la información original, puede probar un algoritmo de compresión sin pérdidas como los que se utilizan para crear un archivo .zip.
El paso 2 es la codificación de canales. El algoritmo de compresión de datos del paso 1 extrae “información redundante mientras que la codificación de canal devuelve una cantidad estratégica de información redundante de una manera que le permitirá usar una cantidad mínima de energía por bit para enviar la información casi sin errores al otro lado de el enlace de datos La teoría de Shannon describe los límites de rendimiento de estos códigos de canal y las implementaciones típicas usan códigos Turbo o códigos de verificación de paridad de baja densidad.
Ahora está listo para seleccionar su modulación y hay consideraciones importantes. En igualdad de condiciones, la energía de la señal que regresa a la Tierra es proporcional a 1 / distancia ^ 2. La mayoría de las naves espaciales planetarias y, por extensión, una nave espacial que abandona nuestro sistema solar se encontrará en una situación de potencia limitada. La nave espacial debería elegir un esquema de modulación que use su potencia disponible de la manera más eficiente. Para las comunicaciones de RF, esto generalmente significa elegir un esquema de modulación que permita la operación de los amplificadores de RF de la manera más eficiente. Los amplificadores de RF son más eficientes cuando funcionan con una ganancia muy alta y en una región no lineal de su curva de ganancia de salida / entrada de señal. Para minimizar la distorsión de la señal de la señal de RF transmitida, la modulación de RF elegida es la envolvente constante, típicamente la modulación por desplazamiento de fase, PSK. La forma más simple de PSK es Binary Phase Shift Keying, BPSK. En combinación con los pasos 1 y 2, ahora tiene el método de modulación de RF más eficiente en energía para devolver sus datos del espacio a la tierra desde distancias muy largas en un enlace de RF de potencia limitada.
Todavía hay un parámetro de telecomunicaciones más para elegir, es decir, la frecuencia de RF. Para un tamaño de antena fijo, la ganancia de RF de la antena es proporcional a la frecuencia de RF ^ 2 y la energía de RF neta capturada en el extremo receptor del enlace también es proporcional a la frecuencia ^ 2. Este es un resultado simple de la óptica geométrica y sugiere que uno debe elegir la frecuencia más alta posible para maximizar el rendimiento del enlace. En igualdad de condiciones, esta es la respuesta correcta, pero entran en juego otros factores. Las señales de mayor frecuencia pueden ser parcialmente absorbidas, dobladas o dispersadas por la atmósfera terrestre. Los amplificadores a frecuencias más altas pueden ser menos eficientes. A frecuencias más altas, el ancho del haz de las antenas se hace más pequeño y, por lo tanto, es más difícil apuntar las antenas para cerrar correctamente el enlace. Todos estos factores deben ser considerados.
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Imagine que usamos una frecuencia muy alta, óptica en lugar de RF. Nuestras antenas parabólicas en cada extremo del enlace se convierten en telescopios ópticos con haces muy estrechos. El haz puede ser tan estrecho que el telescopio en la nave espacial debe compensar la velocidad finita de la luz apuntando hacia donde estará la tierra cuando los fotones comunicados lleguen a la tierra. Esto complica el sistema de comunicación. También a frecuencias más altas, la física cuántica requiere que haya más energía por fotón que en las frecuencias de RF. Por la misma cantidad de energía transmitida en la nave espacial, se lanzan menos fotones a frecuencias ópticas que a las frecuencias de RF. Los láseres ópticos tienen diferentes consideraciones de eficiencia que los amplificadores de RF. Debido a estas últimas consideraciones, un enlace láser-telescopio desde el espacio profundo a la tierra podría funcionar en modo pulsado y utilizar la modulación de posición de pulso, PPM, muy diferente de la elección de la modulación BPSK para el enlace de RF. En el extremo de recepción del enlace, en lugar de bloquear la señal continua, el sistema de recepción captura ráfagas de fotones y, en casos extremos, cuenta los fotones recibidos y la eficiencia del enlace se medirá en fotones por bit requerido para que el enlace funcione .