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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49分，美國航空航天局的探測器“新視野號”成功達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。雖然這項史無前例的旅程耗費了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飛去。
48億公里之外的信號是什么樣的？
這是一張太陽系的結構圖，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。要想從如此遙遠的地方傳輸數據回地球，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。假設兩個人正在說話，當兩個人相距1米的時候，一個人不用太大聲說話對方就能聽清。但是當兩個人的距離達到100米的時候，即使一個人大聲說話對方也不一定聽得起。由于信號的強度和距離的平方成反比，隨著距離的增加信號的強度也成指數型減少。探測器和地球之間的關系和兩個人說話十分類似，當兩者距離達到48億公里的時候，地球所能接受到的探測器信號強度非常有限。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，包括恒星在內的許多星體都會發出各種頻率的電磁信號。而在太陽系中，太陽所發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，信號在傳輸的過程中還會因為干擾而出現失真。由于距離太遠加之干擾巨大，信號中的二進制數據很容易出現錯誤。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，數據的還原就會出現嚴重的問題。
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劃的成功。現在問題來了，NASA是怎么解決這些問題的呢？ 盡可能集中能量發射 由于探測器和地球距離過于遙遠，任何沒有對準地球發出的信號都無法被接受到。為了提升發射信號效率，探測器的發射天線必須對準地球。只有將發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。 擴頻技術 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頻技術。所謂的擴頻技術，是將原本用于傳輸的原始信號通過擴頻技術變成頻率較寬的新信號。在信號功率遠低于噪聲功率的情況下，通過擴展信號傳輸的頻譜可以極大的提升傳輸信號的穩定性。而將接受到的擴頻信號進行解調，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為干擾而出現失真，這個時候就需要用信道編碼進行糾錯。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，從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的。舉一個簡單的例子，假設有人運送一批玻璃杯，為了保證運送途中不出現打爛玻璃杯的情況，人們通常用泡沫海綿之類的緩沖物將玻璃杯保護起來。當然，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。同樣的道理，信號的傳輸速率也會因為增加特定的糾錯編碼而下降(傳輸100bit的數據可能90bit都是糾錯碼，真正有用的數據僅有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差錯，也可以在接受端被發現和糾正。通常深空通信使用的信道編碼方式是LDPC碼(低密度奇偶校驗碼)，通過這種編碼方式，探測器所發出的信號可以更加穩定的傳輸到地面接收站。 總結： 在眾多新技術的大力支持下，新視野號探測器發出的信號終于成功被地球接收到，人們也終于有機會一窺來自冥王星的秘密。因為距離遙遠，即使是以光速傳輸，新視野號探測器發出的信號也需要4.5小時才能到達地球。為了獲得穩定可靠的信號，新視野號探測器的傳輸速率更是僅有1Kbps。換句話說，即使探測器已經收集到了大量有用的數據，這些數據傳輸回來也需要相當漫長的時間。根據NASA的初步估計，最終接受完這些數據需要耗費至少16個月的時間。在數據沒有接受完整之前，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。 |
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