 ...from the Sputnik beep to messages from Pluto, signals from Space 101. You know how they say that there is absolute silence in space, but for anyone listening on the right frequencies, there are still plenty of signals to pick up. And our next speaker, Inko, is a PhD student in Stuttgart and he's been working with satellites at the university and he's going to tell us all about it. No, już następny mówca, jest doktorantem w Leczu Stuttgartu i pracował nad satelitami na Uniwersytecie. Dziękuję bardzo. Kiedy wypuszczono Sputnik i zaczął wysyłać swoje sygnały, większość osób pamięta charakterystyczne beep. Ale tak naprawdę Sputnik miał dwa różne transmitery i cztery anteny, więc można było słyszeć beep raz na jednym kanale, raz na drugim. To nie wiem tylko beep, który mówił, że tak, słychać nas, jesteśmy tutaj, ale były tam też zapisywane dane. Sputnik miał kształt kul i dlatego, żeby łatwiej roznosiło się ciśnienie, zmieniały się długości tych sygnałów i w ten sposób był kodowany sygnał. Jeżeli ciśnienia albo temperatura wyszły poza zakresy, to był wypuszczany odpowiedni sygnał. Popatrzmy na bardziej ogólny program, w jaki sposób możemy zakodować dane. Jeżeli mamy na przykład sygnał sinusoidy, to nie wysyłamy żadnych informacji, ale możemy na przykład zmieniać amplitudę tej fali. Jeżeli chcemy mieć inny symbol, wybieramy inną amplitudę. Inny sposób to zmieniamy fazę sygnału. Na diagramie możemy zobaczyć, że na granicach symbolu sygnał przewskaskuje w fazie, a potem przeskakuje znowu i ta zmiana kodu jedana. Możemy połączyć obie te techniki, to znaczy modulować serwną amplitudę, jak fazę w tym samym czasie. Dzięki temu możemy łatwiej zakodować dane w fali nośnych. Zwykle używamy takiego diagramu. Na tym diagramie punkty kodują amplitudę poprzez odległość od środka. I fazę poprzez kąt, kąt pomiędzy osią i x. Możemy w tym momencie na tym diagramie zdefiniować nasze symbole. Na przykład tutaj mamy cztery możliwe punkty, dlatego że mamy cztery możliwe symbole i każdy z nich ma dwie cyfry. No i teraz do różnych symboli używamy po prostu różnych legalnych punktów z naszego diagramu. Jeżeli chcemy jednym symbolem zakodować więcej bitów, no to używamy po prostu diagramu, na których możliwe jest więcej różnych punktów. Na przykład tutaj mamy pięć bitów na symbol. Nie używamy nieskończonej leści punktów. Tutaj widzimy, co się dzieje, kiedy wykonujemy przesyłanie informacji. Widzimy, że po lewej wysyłamy, a po prawej odbieramy informację, ale te, które odbieramy po prawej, to nie są dokładnie te same punkty. Czasami nie możemy zrozumieć, jaki symbol był wysłany na początku. No i to nazywamy szulną. Są zmienia pozycje takiego punktu na diagramie. Co jeszcze możemy zrobić, żeby przesyłać więcej informacji? Powiedziałem wcześniej, że synuSide nie koduje żadnej informacji. No i kiedy popatrzymy na spektrum, to zobaczymy po prostu taki nieskończony i cienki pik, ale kiedy zmieniamy jakaś modulujemy sygnał, to wtedy widzimy, że spektrum trochę się oszerza. Jeśli przesyłamy więcej symboli i częściej zmieniamy ten sygnał, to wtedy używamy szerszego pasma i to znaczy, że mniej ludzi muszą używać tego samego pasła, to znaczy mamy ograniczone zasoby. Mamy też taki problem, że jeżeli chcemy dobrze demodulować te informacje, to znaczy zidentyfikować punkty, to musimy wziąć pod uwagę cały zakres częstotliwości. W sytuacji, kiedy mama szuma, mama jakąś podłogę szumu, minimalny szum, który jest taki sama na całym naszym paśmie. Jeżeli używamy szerszego pasma, to bardziej musimy wziąć pod uwagę również szumu. Jeżeli przesyłamy wiele różnych symboli, mama dużo czegoś pasma, to znaczy, że mamy też więcej szumu, więc po lewej stronie mamy symbole i podłogę szumu. Dorównajmy teraz różne diagrama. Na pionowej osi mamy ilość błędów. Na poziomie osi mamy energię na bit, podzieloną przez gnaźność szumu. Jeżeli będziemy mieć więcej symboli, to mamy więcej szumu, ale możemy też przesłać więcej informacji. Porównujemy, jak dużo energii jest potrzebna na każdy bit. Widzimy, że im więcej energii mamy w sygnale i energii na bit, tym mniej mamy błędów, ale im gęstsze są te symbole, tym większa jest częstość błędów. Jeżeli punkty są bliżej siebie, to trudniej je odróżnić. Co możemy zrobić, żeby poprawić tę sytuację? Możemy skupić sygnał w jakimś kierunku. Jeżeli antena odbierająca jest wystarczająco daleko, to nie ma znaczenia, czy wysyłam informacje we wszystkie strony, czy więcej energii w stronę odbiornika. Możemy po prostu założyć, że jeśli wysyłam informacje we wszystkie strony, jeżeli wysyłam informacje tylko w jedną stronę, to nie potrzebujemy tak dużo mocy. Ale jeżeli zwiększamy ilość mocy, to nie ma znaczenia. Powiedźmy, że jeżeli mamy system kontroli w kierunku satelity, to musimy się starać bardziej, bo jeżeli, chociaż trochę, zmienimy kierunek satelity w stosunku do odbiornika, to mamy duży spadek jakości danych po stronie odbiornika, musimy używać więcej energii. No to trzeba zwracać uwagę, jeżeli mamy bardziej skupioną wiązkę, to jeżeli zwiększymy częstotliwość bez zmiany innych rzeczy, to równocześnie zwiększa się skupienie wiązki. Powiedźmy, że jeżeli mamy 5 gigahertzów w porównaniu do 2, to trzeba bardziej celować antenę. Jakie rodzaje anten mamy na satelitach? Jeden z nich jest wszechkirunkowa. Jest używana po to, żeby przesyłać wiadomości do satelity, gdy jest blisko ziemi, albo jeżeli jest jakaś awarię na satelicie, to może nie mieć możliwości skirowania się w kierunku ziemi. Więc jeżeli w przypadku awarii musimy mieć jakiś system, który jest mniej więcej tak samo dobry w kierowaniu wiązki i w wszystkich kierunkach, to rodzaj anteny do wysyłania danych aplikacyjnych jest to antena o większej sile, przesyła informacje szybciej, ale musi być bardziej dokładnie skierowana. Kolejny rodzaj jest bardziej interesujący. Powiedźmy, że mamy satelitę GPS, Galileo, albo coś w tym rodzaju. I chcemy oświetlić całą, jedną stronę ziemi. Ale wiadomo, że ziemi jest okrągłe, więc pewne części ziemi są dalej, które są bliżej i ten, który jest bezpośrednio poniżej. Więc potrzebna jest trochę więcej mocy w kierunku części ziemi, które są bardziej oddalone. Więc są pewne schematy, które są nazywane isoflux, które... isomoc, które przesyłają mniej mocy do środka, a bardziej na skraje. Ale to jest w porządku, bo mniej więcej na całej powierzchni jest mniej więcej taka sama moc odbioru. No więc już sprawdziliśmy, co mogliśmy w kwestii i transmisji. A teraz jeżeli chodzi o słabnięcie sygnału, moc spada zgodnie z kwadratem odległości, ponieważ przesyłamy moc na większej sferze. Ale dodatkowo są jeszcze inne efekty. Przykładowo, gdy mamy niską częstotliwość poniżej ich herca, opór atmosferyczny staje się ważny. Część atmosfery, która jest zjinizowana, czyli mają naładowane czosteczki, albo deszcz jest większym problemem, gdy ma się większą częstotliwość. Czasami jeżeli masz małą telesatetarną, to deszcz może bardzo mocno obsłabić sygną. Ogólnie para wodna jest bardzo niedobra dla przesyłania sygnału. Powiedzmy, że w przypadku gasów atmosferycznych one też blokuje pewien sygnał, np. tlen. Czyli wiemy już, jak sygnał się dostaje na Ziemię, co z szumem. Bardzo dużo szumów w systemach satelitarnych pochodzą poza odbiornika. Ogólnie można powiedzieć, że wszystko pobiera energię określonej częstotliwości, ale jednocześnie wysyła. Powiedzmy, że jest deszcz. To dodatkowo oprócz osłabianie sygnału on jeszcze wprowadza szum. Następne duże źródło szumów to słońce. Oczywiście słońce, jak widzimy, jest bardzo mocne, ale dotyczy to także spektem radiowego. Jeżeli wskazujemy anten na słońce, to wtedy słońce możemy zagłuszyć nasz sygnał i nie możemy go już odebrać. No i to jest problem z systemami satelitarnymi. Mimo, że technologia się poprawia, to mamy pewien górny limit i to jest kosmiczne promieniowanie tła. I to też jest pewność źródło szumu i będziemy je zawsze widzieć, więc to jest limit niedobrze skoczenia. Niektóre anteny, które niektóre misje satelitarne mają specjalny kształt, także no i wtedy niestety znaczące jest także powierzchnia Ziemi. Jeżeli wskazujemy na słońce, to to jest problem, że słońce się nie ma, bo to jest problem, że słońce się nie ma, jeżeli wskazujemy na podniskim kątem, to również ważna jest powierzchnia Ziemi. Popatrzmy na przykładowe diagram satelity, co musimy zrobić, żeby przesłać komendy na przykład. Zobaczmy, w jaki sposób odbierano jest sygnał. Na początku mamy filter, który rozdziela części, części, których używamy, częściby pasma, które używamy do wysyłania i do odbierania, bo inaczej te sygnały zagłuszają się nawzajem. Potem wzmacniamy przychodzący sygnał. Sygnały musi być wzmocnione, żebyśmy mogli używać w następnych etapach. To jest mixer. Jeżeli ktoś nie wie, jak działają radia, to taki mixer może łączyć dwa różne sygnały. Dostajemy sumę tych dwóch wczesnych liwości. Dostajemy sumę tych dwóch wczesnych liwości. Jeżeli potrzebujemy tylko jednego, możemy go odfiltrować. I wtedy mamy oryginalny sygnał, ale na innej częstotliwości. Czyli tutaj mamy sygnał z 7-8 GHz i konwertujemy go tak, żeby łatwiej go było zdekodować. Potem odfiltrowujemy te części z procesu miksowania, któreś nie potrzebujemy. Potem znowu zmieniamy częstotliwość na niższą i w tej chwili mamy właściwie część na jakiejś 0 GHz a część na kilkomego GHz. Potem mamy konwerter analogów cyfrowy i możemy już wykrywać symbole w domań cyfrowej. Można zobaczyć, ile energii wiedzimy na wejściu. Dzięki temu możemy zrobić pentle śledzącą i odpowiednio poprawić, jeżeli mamy niewłaściwą częstotliwość, czyli dostoić częstotliwość naszego odbiornika. Czyli mamy na przykład stację, która próbuje przesyłać na jakiejś częstotliwości, ale możemy mieć na przykład przesunięcie Doplerowskie i statek kosmiczny widzi ten sygnał na innej częstotliwości. Tutaj jest mała ramka, gdzie możemy zdekodować ten sygnał, no więc to nie będzie działać. No więc na początku wysyłam ten sygnał na różnych częstotliwościach, aż znajdzie się w środku tej ramki. Wtedy włącza się ta pentla śledząca i w tym momencie statek kosmiczny może próbować dostosowywać się tak, żeby ten sygnał zawsze był w ramce i nawet jeżeli częstotliwość dalej się przesuwa, to możemy dalej śledzić tę częstotliwość. Dzięki temu możemy zawsze dostać informacje na tej samym częstotliwości. Tu jest inny przykład satelity, na przykład dla telewizora w domu tu mamy filty, które znowu rozdziela wejście i wyjścia. Potem wzmacniamy sygnał, tak żeby można było z nim pracować. Potem miksujemy, to znaczy przesuwamy ten sygnał i zawsze przesuwamy go tak samo, to znaczy nie potrzebujemy już takiej pentla śledzącej. Dalej mamy multiplexer, który rozdziela to spektrum na kilka różnych zakresu transpondera i transponder to jest jeden z kanałów na satelicie i każdy takich mamy różne kanały, które właśnie rozdziela w tym samym cyklu. Mamy różne kanały, które właśnie rozdziela ten multiplexer a każdy z nich przechodzi dalej przez odpowiedni filtr i niezależnie wzmacniamy je i wzmacniamy ich moc i na koniec dostajemy sygnał o dużej mocy i ten mocny sygnał możemy dostać naszej antenie satelitarnych i potem mamy wyściowy multiplexer, który znowu łączy wszystkie sygnała i dostajemy sygnał na innej częstotliwości więc ten sygnał nie może pójść z powrotem i ten sygnał dalej wysyła antena. Możecie zobaczyć, że tu nie ma cyfrowe cyfrowe w tronichi i to może być satelitak po prostu dostaje sygnał wzmocniaje, miksuje, przesyła dalej i nie jest ważne jaki to jest tutaj sygnału więc jeżeli na przykład zmienia się standard sygnału to nie chodzi nas w tym momencie jeżeli zmienimy z telewizji analogów na cyfrowe to również ma to znaczenia i dzięki temu możemy zmieniać rzeczy na poziomie gruntu i przez 15 lat satelita może dalej funkcjonować bez zmian Z drugiej strony pamiętajcie, że problem jest szumem do tych satelitów będą docierały szum z różnych źródeł więc na pewno ten sygnał będzie obarczony jakimś szumem no i kiedy wzmacniamy sygnał to zmierzamy również szum i wysyłamy go z powrotem więc ziemia dostaje więcej szumu ten system nie jest idealny wtedy kiedy chcemy mieć system o małej ilości szumu dlatego, że zawsze zmocniamy ten szum gdybyśmy mieli satelite które dekoduje dana ma korakcję błędów i wysyła dalej to działał by to lepiej Mówiłem wcześniej o korakcji błędów a korakcja błędów próbuje kompensować problem szumu zwykle nie możemy w tej sytuacji poprosić o retransmisje danych ale powiedzmy, że w telewizji nie można zapytać o satelit wszyscy mogą zapytać o satelit więc próbujesz to zrobić bardzo robustne i to robisz z powrotem akurat jednym z rodzajów na prawy błędów polega na tym, że bierzemy strumień bitów dodajemy dodatkowe bity składamy, jest powrotem i wysyłamy dalej coś innego, co możemy zrobić to wziąć cały strumień danych i zmienić go zupełnie to jest przykładek kodowanie konwolucyjnego dosyć stary sposób na korakcję błędów najpierw mamy strumień danych zostanie wprowadzony do serii rejestrów i ostatecznie wyjście to nie będzie to samo co wejście ale seria bitów składzających się nie tylko z bitów wejścia, ale także stanu rejestrów przetworzonych przez operacje XO i ostatecznie wyjście to nie będzie to samo co wejście ostatecznie można domyślić się jakie były bity na wejście oglądając bity na wejściu ale ostatecznie to ma tak właściwie tak naprawdę tak naprawdę tak naprawdę to ma tak właściwość że podwaja ilość bitów na wejściu z drugiej strony jeżeli dużo bitów się powtarza to możemy je opuścić jak wygląda proces dykodowania na przykład w Witerbi korzysta z faktów że w rejestrze każdy bit ma tylko kilka możliwych przejść z stanu jeżeli mamy rejestr to nie jest tak naprawdę tak naprawdę jeżeli mamy rejestr z samymi zerami to można przejść do niego tylko w dwa kolejne stany czyli sam zera albo zero i jedynka stąd znowu mamy tylko dwie możliwe dwa możliwe stany które mogą zostać wyjść z dekodera im więcej symboli dostajemy tym lepiej można zgadzać co tam rzeczywiście było po pewnym ilości bitów można coraz lepiej się domyślić jakie bity były na wejściu śledząc trasy które przecież śledząc trasy danych które przeszły przez dekoder jeżeli spojrzymy na ilość błędów kodowaniu z kodowaniem i bez kodowania to dostajemy dodatkową energię z darmo w przypadku kodowania jeżeli interesuje was ten temat to dwie rzeczy które można sobie wyszukać pierwszy z nich to jest zestaw standardów CCSDS to jest komitet który zajmuje się standardami w komunikacji w przestrzeni kosmicznej dotyczy szczegółów kodowania na statkach kosmicznych ale uwaga to jest bardziej taki zestaw rzeczy które można sobie wybrać do każdej misji więc nie wszystkie z tych standardów pasują do siebie ale trzeba mieć dodatkowo wiedzę żeby co zrozumieć druga rzecz to są standardy ETSC dvbs2x czyli standard do nadawania satelijów telewizyjnych i innych z rozproszonym dawaniem sygnału dziękuję i zapraszam bardzo dziękuję za wykład mamy jeszcze bardzo dużo czasu więc jeżeli są jakieś pytania proszę podejść do mikrofonu proszę podejść i zadać pytania bardzo by było miło gdyby ktoś miał jeszcze jakieś pytania ponieważ jak już mówiłam mamy bardzo dużo czasu cześć dzięki za wykład mam pytanie dotyczące szukania frekuencji szukania czystotliwości dzieje się to ze strony transmittera czy to jest standardowe wydaje mi się, że lepiej by było gdyby to było robione po stronie odbioru przy komunikacji z satelitami zwykle zaczyna się na stacji ziemnej zwyczajnie zwykle stacja bazowa ma bardzo skomplikowane systemy więc może łatwiej odpowiadać na zmiany w strumieniu danych to co często się dzieje możliwe, że satelita nawet nie wysyło żadnych danych ale jeżeli widzi jakiś przesył to zaczyna wysyłać sam więc dzieje się to wszystko po stronie odbiorczej bo jest bardziej łatwiej kontrolować to postanie w stronie stacji bazowej czy są jakieś jeszcze pytania nie musicie się bać, nie musicie być ekspertami od satelitów proszę podejść do satelity proszę podejść do mikrofonu jest to jakiś konkretny protokół do komunikacji między statkami z kosmicznymi albo ziemia przestrzeń kosmiczna w drugą stronę na przykład standard CSSDS ma karty do takiej komunikacji jeżeli nie chcemy korzystać z tych kart które dotyczą jednego tematu albo drugiego to też są różne standardy do połączeń między satelitami następne pytanie przy drugim mikrofonie co jakiej rodzaj kodowania użyłbyś jeżeli chciałbyś wysłać coś bardzo, bardzo daleko jak na przykład do Marsa użybyłem prawdopodobnie kodu, który jest bardzo bliski teoretycznego optimum jest taki algorytm, który nazywa się TogoCode o którym nie mówiłem, ale kody Togo mają dwa kodery po stronie wysyłania i po stronie dwóch po stronie odbioru odbiera się dwie z dwa strumień danych i za pomocą oprogramowania jest to, co jest poprawne jest jeszcze problem, że wielkość bloku staje się większa w przypadku satelitów telewizyjnych wielkość bloku do 64 bity więc nie jest to idealne, że chcemy wysłać tylko kilka bitów do naszego statku kosmicznego czy są jakieś jeszcze pytania? czy są pytania z internetu? to nasza ostatnia szansa cześć jakiego rodzaju jest ta szum? czy jest przez cały spektrum czy można spowodować żeby systemy były bardziej odporne na szum tak, nie mówiłem na temat interferencji bo przykładowo jeżeli mamy stacje bazowe to budujemy je w dolinach więc nie mamy interferencji z z wifi jeżeli mamy połączenia między punktami to głównie to jest biały szum w przypadku GPS i satelitów nawigacyjnych musimy zwracać uwagę na inny rodzaj szumu i interferencji na przykład odbicia i są pewne techniki które potrafią z tobis tym poradzić czy są jeszcze jakieś pytania? wydaje mi się, że już nie ma więcej pytań więc bardzo dziękuję za wszystkie pytania i proszę o wację dziękuję bardzo za odpowiedź i wszystkie pytania