2015年07月21日 08:44 創(chuàng)事記 微博 作者： 丁傲西 我有話說(328人參與)

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　　文/丁傲西
　　最近這段時間，一張冥王星的照片紅遍了全世界。北京時間7月14日晚7點(diǎn)49分，美國航空航天局的探測器“新視野號”成功達(dá)到了與冥王星最近距離處，二者相隔只有1.25萬公里。新視野號成功拍下了這張清晰度極高的冥王星照片，并且順利傳回地球。雖然這項(xiàng)史無前例的旅程耗費(fèi)了9年半的時間，但是飛行了48億公里的新視野號并沒有因此停下自己的腳步。拍攝完這張照片，新視野號就以每小時4.96萬公里的高速度向著位于柯伊伯帶的下一個目標(biāo)飛去。
　　48億公里之外的信號是什么樣的？

　　這是一張?zhí)�陽系的結(jié)構(gòu)圖，冥王星位于太陽系邊緣的柯伊伯帶，距離太陽的平均距離將近59億公里。即使是太陽發(fā)出的光，也需要將近5.47小時才能照射到冥王星的表面。要想從如此遙遠(yuǎn)的地方傳輸數(shù)據(jù)回地球，新視野號探測器需要克服很多困難。
　　首先，影響信號傳輸最大的困難就是距離。為了更好理解這個問題，不妨舉一個簡單的例子。假設(shè)兩個人正在說話，當(dāng)兩個人相距1米的時候，一個人不用太大聲說話對方就能聽清。但是當(dāng)兩個人的距離達(dá)到100米的時候，即使一個人大聲說話對方也不一定聽得起。由于信號的強(qiáng)度和距離的平方成反比，隨著距離的增加信號的強(qiáng)度也成指數(shù)型減少。探測器和地球之間的關(guān)系和兩個人說話十分類似，當(dāng)兩者距離達(dá)到48億公里的時候，地球所能接受到的探測器信號強(qiáng)度非常有限。除非使用超高靈敏度的接受天線，否則這一信號很難被檢測出來。
　　其次，背景噪音也會直接影響到信號的傳輸。回到前一個例子，假設(shè)兩個人身處非常吵雜的體育場中。即使他們間相距1米，巨大的噪聲也會影響到兩者的溝通。如果兩者的距離擴(kuò)大到100米，那么無論再怎么大聲說話對方也無法聽清。在我們的宇宙中，包括恒星在內(nèi)的許多星體都會發(fā)出各種頻率的電磁信號。而在太陽系中，太陽所發(fā)出的的電磁波更是成為了巨大的噪聲源。這些噪聲累加在一起，成為宇宙空間的背景噪聲。隨著距離的增加，探測器的傳輸信號很容易淹沒在宇宙背景噪聲中，更加難以被檢測出來。
　　雪上加霜的是，信號在傳輸?shù)倪^程中還會因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)失真。由于距離太遠(yuǎn)加之干擾巨大，信號中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)很容易出現(xiàn)錯誤。明明代表0的信號可能因干擾變成1，明明代表1的信號也可能因干擾而變成0。一旦信號失真，數(shù)據(jù)的還原就會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。

　　雖然信號傳輸問題很多，但是NASA還是成功接收到了來自冥王星的信號，史無前例的高清圖片更是宣告了冥王星探測計(jì)劃的成功。現(xiàn)在問題來了，NASA是怎么解決這些問題的呢？
　　盡可能集中能量發(fā)射
　　由于探測器和地球距離過于遙遠(yuǎn)，任何沒有對準(zhǔn)地球發(fā)出的信號都無法被接受到。為了提升發(fā)射信號效率，探測器的發(fā)射天線必須對準(zhǔn)地球。只有將發(fā)射的能量盡可能的集中，地球才有可能接受到48億公里之外的探測器信號。
　　擴(kuò)頻技術(shù)
　　為了克服宇宙背景噪聲對信號帶來的影響，探測器在傳輸信號的過程中使用了擴(kuò)頻技術(shù)。所謂的擴(kuò)頻技術(shù)，是將原本用于傳輸?shù)脑�始信號通過擴(kuò)頻技術(shù)變成頻率較寬的新信號。在信號功率遠(yuǎn)低于噪聲功率的情況下，通過擴(kuò)展信號傳輸?shù)念l譜可以極大的提升傳輸信號的穩(wěn)定性。而將接受到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行解調(diào)，就可以輕易的從背景噪音中獲取到所需的信號。

　　信道編碼
　　即使獲得了有用的信號，信號在傳輸過程中依然有可能因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)失真，這個時候就需要用信道編碼進(jìn)行糾錯。為了增加通信的可靠性，人們利用信道編碼對原始信號增加特定的信息，從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯和糾錯的目的。舉一個簡單的例子，假設(shè)有人運(yùn)送一批玻璃杯，為了保證運(yùn)送途中不出現(xiàn)打爛玻璃杯的情況，人們通常用泡沫海綿之類的緩沖物將玻璃杯保護(hù)起來。當(dāng)然，有得必有失。由于增加了緩沖物，原來能裝100個玻璃杯的箱子可能只能裝80個了，剩下的空間被緩沖物所占據(jù)。同樣的道理，信號的傳輸速率也會因?yàn)樵黾犹囟ǖ募m錯編碼而下降(傳輸100bit的數(shù)據(jù)可能90bit都是糾錯碼，真正有用的數(shù)據(jù)僅有10bit)。
　　通過對原始信號增加特定的糾錯信息，信號即使在傳輸過程中出現(xiàn)差錯，也可以在接受端被發(fā)現(xiàn)和糾正。通常深空通信使用的信道編碼方式是LDPC碼(低密度奇偶校驗(yàn)碼)，通過這種編碼方式，探測器所發(fā)出的信號可以更加穩(wěn)定的傳輸?shù)降孛娼邮照尽?br /> 　　總結(jié)：
　　在眾多新技術(shù)的大力支持下，新視野號探測器發(fā)出的信號終于成功被地球接收到，人們也終于有機(jī)會一窺來自冥王星的秘密。因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)，即使是以光速傳輸，新視野號探測器發(fā)出的信號也需要4.5小時才能到達(dá)地球。為了獲得穩(wěn)定可靠的信號，新視野號探測器的傳輸速率更是僅有1Kbps。換句話說，即使探測器已經(jīng)收集到了大量有用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)傳輸回來也需要相當(dāng)漫長的時間。根據(jù)NASA的初步估計(jì)，最終接受完這些數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)至少16個月的時間。在數(shù)據(jù)沒有接受完整之前，我們只能看到一些照片的壓縮版本。而真正高清晰度的冥王星靚照，還需要我們耐心等待。