SpaceX的星链卫星成功实现激光通信！那激光通信是个啥？

日前，SpaceX透露，其已经首次成功在轨道上测试了星链卫星的“激光通信”，这种设计可大幅降低连接延迟，为打造更强大空基互联网的目标迈出了重要一步。

看来，在第九批或第十批发射的星链卫星中，有两颗已经成功在轨道上测试了原型激光器。

SpaceX完全互连的星链网络的目标是将延迟降低至8毫秒，并希望将单个连接的带宽限制提高到千兆位或更高。当升级后的星链卫星设计完成并在轨道上进行测试，SpaceX很可能会结束v1.0版卫星的生产和发射，在v0.9到v1.0跳跃之后进入迭代的第二阶段。

激光通信是什么?

其实激光和普通的光并没有什么不同，和光一样，激光也是一种特殊的电磁波。

所谓“激光通信”则是利用激光传输信息的通信方式，这种通信方式带宽极高，并且可以长距离高速传输大量数据。卫星间激光通信技术就是利用激光束的高速，强抗干扰能力在空间中以图像，音频和信号等形式传递信息。

现代电子通信需要一个能够将任何数据编码为可传输形式(“比如声音、电信号、光信号等”)的发送设备，以及一个和能够区分信息信号与其周围线路静态噪声的接收器。由美国工程师克劳德·香农在1948年首创的信息理论提供了最终解决这个问题的框架。

和电磁波通讯一样，激光通信系统也需要使用到调制解调器。调制解调器是顾名思义就是要调制解调，将数字信息转换成模拟信号进行传输，然后再转换回来。

电磁波通信的调制与解调

人类在很久之前就已经发现了电和磁，例如天空中的闪电和利用地球磁场的指南针，但在1865年，麦克斯韦才给出了电场和磁场能够相互转换的完整理论证明。后来，一个叫做赫兹的的物理学家经过试验发现，只要把变化的电流通过线圈就能产生电磁波，而如果想把电磁波发射出去，只需要把这些带有变化电流的线圈对准一个方向，电磁波就会朝着这个特定的方向发射出去。自此，电磁波才开始走上历史舞台。

电磁波有三个特征，分别是振幅，频率和相位。电磁波振幅指的是电磁波的峰值强度，也就是电磁波的上下浮动幅度值;电磁波频率是振荡周期的倒数，即每秒钟振动(变化)的次数称频率;电磁波在两个尖峰值之间走过的距离我们称之为波长;而相位，指的就是电磁波在某个时刻的位置值。

通信设备可以产生和处理语音模拟信号和数字离散信号，模拟信号是连续的信号，就是在是假和幅度值上都不间断的信号;而数字离散信号是一些离散的信号，数字信号通常使用1和0表示。

但是想要通过电磁波传播信息，我们还需要对这两种信号进行转换，也就是调制，同理，对调制后的信号也需要进行解调，才能获取信息。

在模拟信号的调制和解调中，对信号的调制技术会利用到电磁波的这三个特征，因此这些调制技术也可以被称为幅度调制，频率调制和相位调制。

其中，幅度调制技术就是把信源信号的幅度值往上抬升，提升到天线长度能够接受的水平，之后再把信源信号和调制载波信号相乘混合在一起，获得一个新的调制信号。之所以要抬升幅度值，是因为在对外发射电磁波的时候，发射天线的尺寸必须要和发射电磁波的波长差不多一样长才行，而波长等于光速除以频率，如果频率太低，波长就会太长，天线也会变得很长。

而在解调的时候，幅度解调技术也分为相干解调技术和非相干解调技术。相干和非相干指的是解调技术中是否有使用到与原来调制信号相关联的额外信号，如果使用相干解调技术的话，那就是在调制信号中加入一个相位和调制载波信号有区别的余弦波，从而解调出原信号。

对于数字信号的调制来说，它也可以用到幅度调制，频率调制和相位调制这三种方法。数字信息使用一连串的0和1来表示的，如果采用键控法幅度调制，那只需要在0的时候不发信号，在1的时候传输一个正弦波就可以了;如果使用频率调制，则需要准备两个正弦波，在0出现的时候发送A正弦波，在1出现的时候发送B正弦波。如果是相位调制，则只需要在0出现的时候发送相位为A的正弦波，在1出现的时候发送相位为B的正弦波。

激光通信的特点

激光通信的通信容量大。在理论上，激光通信可同时传送1000万路电视节目和100亿路电话。保密性强，激光不仅方向性特强，而且可采用不可见光，因而不易被敌方所截获，保密性能好。结构轻便，设备经济。由于激光束发散角小，方向性好，激光通信所需的发射天线和接收天线都可做的很小，一般天线直径为几十厘米，重量不过几公斤，而功能类似的微波天线，重量则以几吨、十几吨计。

但激光通信通信距离限于视距(数公里至数十公里范围)，易受气候影响，在恶劣气候条件下甚至会造成通信中断。大气中的氧、氮、二氧化碳、水蒸汽等大气分子对光信号有吸收作用;大气分子密度的不均匀和悬浮在大气中的尘埃、烟、冰晶、盐粒子、微生物和微小水滴等对光信号有散射作用。云、雨、雾、雪等使激光受到严重衰减。地球表面的空气对流引起的大气湍流能对激光传输产生光束偏折、光束扩散、光束闪烁(光束截面内亮斑和暗斑的随机变化)和像抖动(光束会聚点的随机跳动)等影响。

不同波长的激光在大气中有不同的衮减。理论和实践证明：波长为0.4～0.7μm以及波长为0.9、1.06、2.3，3.8，10.6μm的激光衰减较小，其中波长为0.6μm的激光穿雾能力较强。大气激光通信可用于江河湖泊、边防、海岛、高山峡谷等地的通信;还可用于微波通信或同轴电缆通信中断抢修时的临时顶替设备。波长为0.5μm附近的蓝绿激光可用于水下通信或对潜艇通信。

而且激光通信还有瞄准困难的缺点。激光束有极高的方向性，这给发射和接收点之间的瞄准带来不少困难。为保证发射和接收点之间瞄准，不仅对设备的稳定性和精度提出很高的要求，而且操作也复杂。

SpaceX的星链卫星

在2015年，SpaceX就表示就计划将数千颗卫星中的一部分或全部进行某种形式的互联。

与地球上的光纤相比，理论上，在互连的卫星网络上传输的数据到达最终用户所需的路由要少得多，从而在物理上缩短了数据必须传输的距离。

而且在激光互连的情况下，连接丢失情况几乎不可能发生。如果一颗现役卫星发现自己在为没有地面站的客户服务，它将用激光将这些被遗弃的数据包传送到另一颗卫星上，而后者可以立即直接访问地面站。经过充分优化，用户通信可以通过激光来往于物理上最接近用户及其通信目的地的地面站。

通过降低延迟，通过激光互连的卫星网络将能够服务于更大的地理区域，因为它允许远离地面站的用户通过其他卫星路由到最近的地面站。

从去年起，SpaceX就已经成为最大的卫星运营商，目前，SpaceX的入轨卫星总数达到713颗，如果包括2018年发射的2颗原型卫星，入轨卫星总数则为715颗，在这次激光通信试验成功之后，后续发射的星链卫星相信将会进一步改变人类的通信方式。

【编译/前瞻经济学人APP资讯组】

参考资料：https://www.cnbeta.com/articles/science/1025947.htm

https://tech.sina.cn/2020-09-08/detail-iivhuipp3134262.d.html?vt=4&pos=18

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1676836470559929852&wfr=spider&for=pc

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https://zhuanlan.zhihu.com/p/63984442