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Military版 - 狗来的:关于登月直播信号传输问题的讨论
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http://blog.sina.com.cn/s/blog_5004d5cb01007zzh.html
作者:常山 提交日期:2006-8-19 23:54:00
月球探险者通讯系统使用所谓的S波段与地球通讯联络,通讯地面站使用所谓的深
层空间网,由一个七十米天线阵组成,所谓的S波段频率约两千多兆,信道容量能力最
高仅为每秒三千六百比特。这么低的信道通讯能力,大大出乎我的预料。于是我作了一
番计算,估算在理想状况之下,从热力学原理出发,理论上可以达到的最高通讯信道容
量是多少。稍懂点普通物理的朋友都知道,信息即是负熵,中间只差了一个波尔之曼常
数,而熵乘以温度即是能量。信息的传播,必须通过传送最低需要的能量来达成,温度
越低,携带同等信息所需能量越少。这就是为什么许多高灵敏度的物理实验都必须在超
低温下做,许多的高灵敏接收天线都要降到超低温来提高灵敏度。天线阵是不可能泡入
液氮里的,所以我们用常温来进行计算,为了方便,假设环境温度是绝对300度,乘以
波儿之慢常数,得出要传送一个波特信息所需要的最低能量为百万分之四皮焦耳,也就
是说4。14×10^-21焦耳,一比特等于ln2波特。每秒3600比特的信道容量,相当于十
亿亿分之一瓦特。读过我其他贴子的朋友们,还能记得我怎样推导出月球三反射镜反射
回地球而被接收到的激光光子只有每分钟几颗吗?此无他,距离使然。地球到月球的距
离是三十八万四千四百公里,实在太远了,什么信号都变得非常微弱。以月球为中心,
月地距离为半径的球面上,一个球面角的球面面积就有十五亿亿平方米。当然,卫星天
线是有方向性的,能量集中在一个方向上。可是S波段的波长有十五厘米之长,假设卫
星天线直径为半米,电波将集中在约0。44个球面角范围内。一百多瓦特的通讯设备,
大部分功率是消耗掉的,能有几分之一瓦转化为电磁波能量就不错了,为了简单起见,
假设有半瓦转化为电磁波能量,分布在0。44个球面角上,在地球上每平方米应该可以
接收到一百亿亿分之7。6瓦特的能量。至少要用一个1。33平方米大小天线才能接收到
每秒3600比特信道容量要求的十亿亿分之一瓦。天线阵里的每一个天线都必须接收到至
少那么多电磁波能量,然后才能进行相关运算,滤除干扰以上分析只是纯理论上的计算
。和实际数字比较表明,月球探险者号的通讯技术,不但是达到了当今技术上的极限,
也已经逼近了技术上绝无可能逾越的理论极限了。3600比特的通信速率已经是不可能再
高了,除非有人能够把热力学几大定律推翻或造出永动机。回想起当年阿波罗11号登月
时,曾有电视镜头作了实况转播,这个电视信号是否真的是来自于月球表面的实时电波
信号呢?普通的商业广播的黑白电视信号的信息容量大约是每秒六百万比特,远超过普
通数据传送容量,大家想想,假如你的电脑还是用老式的2400比特Modem来上网,传送
一张图片要化多少时间,就知道了。象月球探险者的3600比特速度,传送静止图片都要
化很长时间,传送电视信号是绝无可能的。要增加信息通道容量,就必须增加能量。现
代的月球探险者用近百瓦的通讯器材,传送给地面的70米深层空间天线矩阵,不过只得
3600比特的信道容量。阿波罗那时还没有深层空间天线阵,接收能力还没有现在高,通
讯器材效率也还没有现在高。权且就算这两项都可以和现代相比,要从3600比特信息量
提高到 6000000比特,其他条件都不变,通讯器材的功耗就要提高近一千七百多倍,要
从一百瓦提高到十七万瓦。阿波罗飞船全部电力靠化学电池供给,连太阳能电池都还没
有,根本没有这个能量。事实上,阿波罗的通讯器材也只有一两百瓦左右的功耗。当然
还有一个办法是使用较大的抛物面天线,使得无线电波更加集中。事实上后来阿波罗15
号的确架起了一个很大的抛物面天线,可惜这仍然差得很远,与事无补。一开始的阿波
罗11、12、14都没有带抛物面大天线,有的只是登月舱上的半米左右天线。很显然,全
球二十几亿电视观众看到的首次登月电视实况镜头,绝对不可能来自月球之上。这些电
视镜头是在地球上拍的。在地球到月球的距离上,只有S波段还能保持联系,并且必须
使用高增益模式才行。S波段通讯采用两种模式,一种是正常模式,采用51200比特信道
速率,相当于现在最快的56KMODEM,另外一种是低速模式,采用1600比特速率,比早期
最慢的2400MODEM还要慢一倍。非常显然,正常速率模式是供距离较近时,即在比较接
近地球的距离上使用,到了月球距离,因为信号微弱,只能使用很慢的1600比特速率传
递信号。这1600比特要传送所有的有关信号,包括仪器测量控制数据,与地面的声音对
话,还有电视信号。事实上也没有办法做到比1600比特更加高的速率,这不但受技术条
件限制,更加受技术上绝不可能突破的理论上的极限限制。 1600比特的信道容量,连
传送正常对话的声音信号都非常困难,更不用说电视信号了。这些声音,电视信号要传
输只有一个办法,就是先记录下来,然后用很长的时间慢慢传送,再凑到一起合成原来
的声音信号和电视信号。实时,实况的声音和电视镜头的传送,象阿波罗11那时的实况
电视转播,绝对没有可能!许多网友都玩过internetphone甚至internetvideophone,
要玩这个,除了电脑运算速度足够快,可以处理实时声音图象信号,并对其加以压缩,
还得有足够快的MODEM,我用的是33600的MODEM都嫌不够快。阿波罗那时根本没有对声
音和图象进行实时数据压缩的技术,甚至数据压缩的数学算法都还没有研究出来,用一
个相当于比2400比特的MODEM还慢一半的信道速率,要传送实时
电视信号,岂不是要比想骑着三轮车想上月球还要难?去年的轰动一时的火星探测车,
由于类似技术极限,通讯信道速率只有几十到几百比特,这自然不是说NASA那么穷,连
个33600比特速率的MODEM都装不起,热力学定律限制,这是打不破的极限。火星探测车
传一张照片回来要化近
二十分钟时间,实在不容易,你假如说火星探测车能实况转播火星表面电视镜头,我马
上就知道是假的。
阿波罗的实况电视镜头,已经明明白白是假的了。
信息量为零的图象有哇,黑黑的一个屏幕,什么都看不到,不就是信息量为零了,
你爱用什么带宽传都没问题啊。要传送普通电视画面,就是要6兆这么多数量级的信息
量。
模拟信号对噪音抵抗力远远的超过数字信号,为什么现在大家都把模拟信号纷纷的
弃之不用,都在搞数字化?为什么现在长途电话线路都是数字化的,不用模拟信号?顺
便告诉你吧,阿波罗飞船和地面的通讯联系,还真的不是用模拟信号,人家那时就已经
采用了数字信号了。阿波罗上面有台仪器,用来把几百个不同的模拟信号用脉冲调制编
码的办法数字化,然后综合成为一个信号,送给S波段发射出去。这个脉冲调制编码,
现在的电话网路都在用,只不过改进为自适应脉冲调制编码。
化学电池有干有湿,如果装的是液体介质就算湿电池吧。其实干湿是无所谓的。关
键是阿波罗飞船电能有限。更关键的是其通讯器材能量有限,无法在月球的距离传递实
时电视信号。事实上,我已经引用了一个NASA数据,说S波段的功放输出有两个,一个
是两瓦多,一个是十一瓦。这才是说明问题的数据。事实上燃料电池只有在服务舱里才
装有。登月舱上本来想装的,太重,还是没有装。电视转播信号是从登月舱直接送往地
球去的,没有经过指令舱中继。登月舱因为电源有限,重量又受到严格限制,通讯系统
的输出功率势必比指令舱的十瓦还要小。再上登月舱的小抛物面天线比服务舱的那个四
个一组的小天线阵要小得多,因而电波波束更加发散,能量更不集中,能够传送信息量
更少,绝无可能作电视转播。后来的阿波罗15带了个巨大的抛物面天线上去,还差得不
多。
哈姆雷特对冯向光所说的天线发射效率提出,超过兆赫频率的天线辐射效率几乎是
百分之百,也作了回应。
他说:第一,趋肤效应你听说过吗?阿波罗的S波段频率不是一兆赫,是两千兆赫
,从射频功放输出一直到天线,再发射出去,各种损耗是很大的。第二,算你对,十分
之一和百分之百,不过差了十倍,一瓦功率和十瓦功率,差了多少?按阿波罗的数据计
算,信道的容量顶多几千比特,离传播电视信号需要的几兆比特差了几千倍呢,十倍顶
什么事?热力学第二定律说,总熵只能增加,不能减少。这条应用在信息传播理论上,
就是说,要传播一个波特的信息,也就是1/ln2个比特的信息,就必须传递一个k
T的能量,也即一份波尔兹曼能量。这是香农信息论里很重要的一条。是理论极限,不
可逾越。其实,即使是用一个kT能量传播一波特信息,也不过达到一比一的信噪比。
从香农信息论里,采用理论上无限优化的编码方案,在接近一比一的信噪比之下,是可
以近于无失真的传送信息的。但是在实践中,这样近乎理想的编码方案是并不存在的,
所以一般要至少二三十分贝的信噪比,才足以满意地传播信息而失真较小。也就是说,
传一个比特信息,要几百个kT的能量才比较合适。
通讯卫星和阿波罗飞船相比,为什么能转播电视节目呢?一、同步通讯卫星比月球
近了十倍,所以能量要集中一百倍,二、通讯卫星用太阳能电池,只要电池板足够大,
能源充足,一般通讯卫星都有几百瓦到几千瓦的发射功率,这又有一百多倍的差别了。
第三、通讯卫星以宇宙空间为背景,背景温度是绝对三度,计算传递信息所需最低能量
时用三度来算,比以月球为背景的阿波罗飞船又要小一百多倍。三项加起来有一百万倍
的差异了,所以可以足以传播电视节目信号。
冯向光面对哈姆雷特所列举的科学数据和事实并不感兴趣,但这毕竟是冯向光由“
我懒的一一驳斥”回到不驳不可的地步。因此,他还是回了帖,说:你这态度就不对。
搞研究说一是一,你提出的几个论点应该个个禁得起推敲。不要这个错了拿那个挡。你
的推理的很大一个漏洞在于你对阿波罗的技术细节并不清楚。就拿电池来说,你现在也
承认阿波罗的电池不是不可补充的电池,只要有燃料,就有电力。你说飞船的天线辐射
功率只有十瓦,这是非常可笑的数据,十瓦的灯泡用在卫生间都嫌暗吧? 另外你总提什
么微波背景,实际上大气层本身就是一个辐射源,对卫星和飞船是一样的.
不料冯向光的这一驳,使他陷入困境。“你说飞船的天线辐射功率只有十瓦,这是
非常可笑的数据”竟出自美国宇航局,哈姆雷特见势反问冯向光道:十瓦输出功率这个
数据是美国宇航局公布的数据,如果你觉得这个数据可笑,和美国宇航局去说呀!是谁
对阿波罗登月技术细节不清楚?我列举了那么多原则资料网页,你去读过了吗?我看你
连阿波罗飞船总重多少都说不出来。考考你,登月舱里宇航员是坐着的,躺着的还是站
着的?燃料电池是可补充电池吗?燃料用完了用什么补充?这燃料电池总共能提供多少
电能?说不上来吧?电视的转播是从登月舱直接发往地球的,登月舱根本没有燃料电池
。你说的大气层就是一个辐射源,可见你的普通物理全都还给老师了,物质对某一频率
辐射的吸收能力和辐射能力是一样的。比如黑色物体,对可见光几乎完全吸收,因此加
热到白热时辐射效率也最高,白色东西几乎不吸收光线,到白热状态时就几乎辐射为零
(相对于黑体辐射)。阿波罗为什么使用S波段通讯?就因为这个频率的电波不被大气
层吸收,差不多百分之百地穿透大气层,大气层既然不吸收这个频谱,自然也不辐射这
个频谱的电波。因此可以看作是无辐射的背景。
传送一定信息量要消耗正比于信息量的能量,这是基本的热力学了。如果连这都不
懂,你的热力学要重修。
由于冯向光在这场阿波罗登月舱与通讯能力的争论中,对阿波罗登月舱的通讯设备
不做了解和其随意爱作评论,使其处处被动,而步了方舟子的后尘。
针对哈姆雷特与冯向光等人争论的上述问题,我们专访了一位无线电通讯专家,希望
能从他那里得到一个确切的答案。
开始,我们用哈姆雷特给出的一些数据提出问题: “如果用S波段功放单元的输出
功率为10瓦,由月球384400万公里向地面发射无线电信号,人们是否能够接收得到? 而
且是图像和声音同时接收? ”这位专家的回答是:“太远了! 那是绝对不可能接收到的
,绝对绝对不可能的! ”他又举出实例说:“中央电视台的信息由北京地面传递到哈尔
宾中间需要有20多个中继站,50公里就需要一个。”他还强调地说:“按照这个理论是
绝对不可能传回来的,如果能接收到,可是天方夜潭!”
当我们告诉他:“这是有人质疑美国阿波罗登月是个骗局而提出的问题”时,专家
感到有些惊诧地说:“这可严重了,能是假的吗? 不过,用10瓦的功率发射能接收到,
可是奇迹! ”他象是回答我们的问题,又象是在自言自语地说:“不过,不可能的事也
有可能出现啊! ”接着他问:“传递手段是什么?”当他知道是S波段、2000多兆频率时
,他有些停顿,又是一惊:“2000多兆?!! 这频率也太快了! ”不过他很快又解释道:
“无线电是很微妙的。你要知道,国际上有很多情报人员用流星滑过的一瞬间很快地把
情报由地球的这边传到那边,流星跑得那么快都能计算出来,美国航天技术是很先进的
,可能人家把比较尖端的东西研究出来了,但为了情报保密并没有公布真的数据,这也
是未尝可知的。”他又问:“用的能源是什么? ”我们说:“据NASA提供,阿波罗登月
配备的能源是化学电池。”他又是一惊:“化学电池! 如果是化学电池接收到的可能性
就更小了。”他又问:“接收到的是什么? ”,“图像和声音,是实况传播吗? ”专家
马上也反应到:“对了,好象我们还看过,人在上面一跳一跳的。会不会是录好了后拿
回来放给大家看的?如果是实况,那假可造大了!”不过,他又换了一种口气说:“咱得
相信科学! 按常理这不可能是真的,但现实会不是真的,还真不好说。在地面上,地心
的吸引力对电波衰减作用相当大,地球大气外层吸收电波就少得多了,同时电波还会窜
到电离层外面去,这样电波就没有衰减。外层空间我们没有接触和研究过,还是个空白
,很难说是真是假。”最后,专家又总结性地说:“按照一般的通讯常规,这一定是假
的,不可能的。但是它传回来了,就不好说了。会不会有什么尖端的东西在里面? 也不
敢说不可能啊! 科学是在日新月异的。”
通过采访这位无线电专家,我们并没有得到一个确切的答案,但我们却明白了“科
学常识”、“尖端技术”和“奇迹”是不可分的,怎么样巧妙地把它们揉在一起,使人
信服,这是现代科学的学问。
z***y
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这种民科帖子总是很欢乐
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