Link budget analysis for RF and Optical Transmission systems

ULG Space Sciences: Optical Space Communication
Abstract
The appearent work treates main aspects of an optical communication technology for space
applications. From a system perspective, the classical space communication with means of
directive microwave radio links is compared with three promising optical technologies:
Semiconductor-Laserdiode and Avalanche Photo Diode, Erbium-doped fiber amplifier in
transmission and reception path as well as coherent optical communication. Main parameters
of data transmission, like the sensitivity limits, the different causes for noise, the signal-tonoise-ratio, bit error rates and achievable data rates are treated in comparison for all four
system approaches. Necessary satellite sub-systems as well as models for optical
communication to calculate a link power budget are presented for space communication as
well as for atmospheric paths. Supplementing these performance properties, the availability
and life-time expectations are considered, especially degradation of different optical
components caused by radiation in the space environment. With some examples for optical
communication experiments in space the high state of development already achievable today
is documented, and some candidate applications are identified.
Kurzbeschreibung
Die
vorliegende
Arbeit
behandelt
wesentliche
Aspekte
einer
optischen
Kommunikationstechnik für Anwendungen im Weltraum. Aus System-Sicht werden der
klassischen Weltraumkommunikation mit Mitteln der Mikrowellen-Richtfunktechnik drei
aussichtsreiche optische Technologien gegenübergestellt: Halbleiter-Laserdiode und
Fotolawinendiode, Erbium-dotierte Faserverstärker für Sende- und Empfangszweig sowie die
kohärente optische Übertragungstechnik. Wesentliche Parameter der Datenübertragungstechnik, wie die Grenzen der Empfindlichkeit, die Ursachen für Rauschen, das Signal-zuRauschleistungs-Verhältnis, Bitfehlerraten und erreichbare Datenraten werden für alle vier
Systeme vergleichend behandelt. Notwendige Satelliten-Hilfssysteme sowie Modelle zur
Erstellung einer Streckenbilanz werden darüber hinaus für optische Systeme bei Übertragung
im Weltraum sowie durch atmosphärische Strecken behandelt. Ergänzend zu diesen
Eigenschaften der System-Leistung wird auch Verfügbarkeit und Lebensdauer betrachtet,
insbesondere Degradation verschiedener optischer System-Komponenten durch die Strahlung
im Weltraum. Am Beispiel einiger optischer Kommunikations-Experimente im Weltraum
wird der heute erreichbare hohe Entwicklungsstand dokumentiert, und es werden auch
mögliche Anwendungen identifiziert.
Master Thesis Michael Gebhart
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