Transcription
使用一个比披萨还大的卫星天线盘，放置在你的房子顶部，将互联网信号从森林深处发射到距离地球大气层外 550 公里处的轨道卫星。好吧，说实话，这在技术上是令人惊叹的。更疯狂的是，星链卫星移动速度极快，每小时约 27,000 公里，它们之间的数据传输速度高达每秒数百兆比特，而天线盘和卫星则持续调整或转向指向它们之间的数据光束。此外，由于卫星移动得相当快，天线盘大约每四分钟就会切换一次卫星，因为它们很快就会移出天线盘的视野范围。如果你完全不知道这是如何实现的，请继续关注，因为我们将深入探讨使卫星互联网神奇工作的多项关键技术。首先，我们将探索卫星天线盘内部，看看它是如何产生能够到达太空的数据光束的。其次，我们将了解这个天线盘如何持续转向光束，使其直接指向天空中移动的卫星。第三，我们将深入探讨天线盘和卫星在光束中发送的确切内容，从而使你能够同时播放五部高清电影或节目。这个视频相当长，因为它充满了深入的细节。我们建议先以 1.25 倍的速度观看，然后再以 1.5 倍的速度观看第二次，以便全面理解这项技术。所以，请继续关注，让我们开始吧。首先，让我们先弄清楚电视卫星天线盘（例如这个）与埃隆·马斯克称之为“Dishy McFlatace”或简称“Dishy”的星链地面天线盘之间的区别。电视天线盘使用抛物面反射器来聚焦电磁波，这些电磁波是从距离地球 35,000 公里高空的广播卫星发送的电视信号。电视卫星天线盘只能接收来自太空的电视信号。它们无法发送数据。然而，Dishy 可以从距离 550 公里处的轨道星链卫星发送和接收互联网数据。虽然星链卫星比电视卫星近 60 倍，但要无线发送信号，这仍然是一个令人难以置信的距离。因此，Dishy 和星链卫星之间的光束需要聚焦成紧密、强大的光束，并且需要持续调整角度或转向以相互指向。相比之下，电视广播信号来自一辆货车大小的卫星，其信号以宽扇形传播，覆盖面积比北美洲还大的陆地。然而，星链卫星需要处于低地球轨道，以提供 20 毫秒的延迟，这对于流畅地玩网络游戏或浏览网页至关重要。因此，它们的覆盖范围要小得多。因此，需要 10,000 颗或更多的星链卫星，所有卫星都在低地球轨道上以极快的速度运行，才能为整个地球提供卫星互联网。现在让我们打开 Dishy McFlatace。背面有一对电机和一个连接到路由器的以太网电缆。请注意，这些电机不会持续移动 Dishy 以直接指向星链卫星。它们仅用于初始设置，以将天线盘指向正确的总体方向。打开 Dishy，我们发现一个铝制结构背板。另一侧是一个巨大的印刷电路板或 PCB。一面有 640 个小型微芯片和 20 个大型微芯片，以一种复杂的布线模式排列，这些布线从大芯片扇形延伸到小芯片。 along with additional chips, including the main CPU and GPS module on the edge of the PCB. 另一面有大约 1,400 个铜圆圈，圆圈之间有网格状的正方形。下一层是一个带有小型缺口铜圆圈的橡胶蜂窝状图案。其后是另一个蜂窝状图案，然后是 Dishy 的正面。那么，我们看到的是什么？本质上，我们有 1,280 个天线，排列成六边形蜂窝状图案，每个铜圆圈堆栈都是一个由 PCB 上的微芯片控制的单个天线。这个巨大的阵列协同工作，称为相控阵，以发送和接收指向和来自距离上方 550 公里处的轨道星链卫星的电磁波。让我们放大看看单个天线是如何工作的。这里有一个孔径耦合贴片天线，由六层组成，其中大部分位于 PCB 内部。它与老式收音机的天线看起来截然不同，而且说实话，非常复杂。所以，我们来简化一下。我们暂时移除几层，然后逐步介绍我们如何产生一个从该天线传播出去的电磁波的基本原理。从底部开始，我们有一个来自小型微芯片的微带传输线馈电。这个传输线馈电只是一个铜制 PCB 走线或导线，它突然终止在天线堆栈下方。我们向馈电线发送一个 12 GHz 的高频电压或信号，这是一个以正弦波形式上下波动的电压，每 83 皮秒（每秒 120 亿次，即 12 GHz）从正到负再回到正。请注意，高频电流的工作方式与直流电或低频 50 或 60 赫兹的家用电流不同。例如，在铜制馈电线上方，我们有一个带有切口的铜圆圈，称为天线贴片。对于直流电或低频交流电，由于贴片是隔离的，不会发生太多事情。但是对于高频信号，发送到馈电线的功率会被耦合或发送到贴片。这究竟是如何发生的？正如前面提到的，一个 12 GHz 的信号被施加到铜制馈电线上。当电压处于正弦波的最低点或波谷时，电子会聚集在馈电线的末端，从而产生负电荷区，这对应于最大负电压。电子在导线尖端的聚集会排斥所有电子，包括贴片顶部的电子。结果，这些电子被推到圆形贴片的另一侧。因此，贴片的一侧带正电，另一侧带负电，从而在贴片和馈电线之间产生电场，如下图所示。然而，当我们在 42 皮秒后反转铜制馈电线的电压时，导线末端会产生正电荷聚集或电子缺乏，因此贴片中的电子会流向另一侧。贴片中的电压会翻转，电场方向也会翻转，因为馈电线电压在两个峰值和波谷之间以 42 皮秒的间隔来回振荡。随着电子或电流来回流动，贴片中的电场也会振荡。如果我们暂停振荡，我们可以看到一些来自贴片的电场矢量或箭头是垂直的。由于它们大小相等、方向相反，因此它们会相互抵消。然而，其他电场是水平的，位于贴片的同一平面内，称为边缘场。这些边缘场方向相同，因此它们会相互叠加，从而产生一个指向此方向的组合电场。同时，电子从圆盘的一侧流向另一侧（即电流）会产生一个磁场，其强度和方向（或矢量）垂直于边缘电场矢量。结果，我们有一个指向一个方向的电场和一个指向与其垂直方向的磁场。让我们前进到馈电线上的电压变为正值的时候。现在我们处于正弦波的峰值，42 皮秒后。电荷聚集或电压以及电流都已翻转，因此电场和磁场指向相反的方向。电场和磁场向所有方向传播。通过产生这些振荡场，我们产生了一个电磁波，该电波沿着垂直于电场和磁场矢量的方向传播。由于两组场矢量不都在同一平面上，而是弯曲的，因此传播的电磁波以膨胀的壳层或气球状向外传播，有点像天花板上的灯泡。让我们简化视觉效果，以便我们可以看到每个波的峰值和波谷（顶部和底部）。请注意，波谷只是一个指向相反方向的矢量。此外，这些场矢量的强度直接与我们最初发送到堆栈底部的铜制微带馈电线的电压和信号相关。这意味着如果我们想使这些电场和磁场更强，我们只需增加馈电线的电压即可。这就像灯的调光器一样。功率越大，灯越亮。到目前为止，我们一直在讨论这个孔径耦合贴片天线作为发射器。然而，它也可以用于接收信号。在这个称为前端模块的微芯片中，我们将天线从发射切换到接收，并关闭 12 GHz 信号。当来自卫星的电磁波指向 Dishy 时，该入射信号的电场会影响铜贴片中的电子，从而产生振荡的电子流。然后，这个接收到的高频信号被耦合到馈电线，并发送到前端模块芯片，该芯片会放大信号。因此，这些天线可以用于发射和接收电磁波，但不能同时进行。需要注意的两点。首先，如前所述，此天线有更多层，比我们讨论的要复杂。例如，这里有两个圆形贴片。底部用于在 13 GHz 下发射，而顶部用于在 11.7 GHz 下接收。此外，还有两个 H 形槽和两个馈电线以支持圆极化，背面有一个反射平面，并且还有多个用于隔离一个天线与相邻天线操作的特征。我们在创作者评论中包含了这些以及更多细节，您可以在英式加拿大字幕中找到。第二点是，地球上的每个点都有来自数千种不同来源的各种频率的电磁波通过，无论是来自太阳的可见光，来自无线电或蜂窝基站的无线电波，还是来自卫星或基站的电视信号。因此，为了阻止所有其他频率的电磁波，这些天线贴片的设计尺寸非常精确，以便它们仅接收和发射非常窄范围的频率，而该范围之外的所有其他频率基本上都被天线忽略。让我们继续看看单个天线如何与其他天线组合以放大光束以到达外太空。这个单个天线直径仅约一厘米。仅使用它就像打开和关闭一个灯泡，并试图从国际空间站看到它一样。我们需要一种方法使光线亮几千倍，然后将所有电磁波聚焦成一个强大的光束。现在，巨大的 Mr. IC Flatface PCB 宽 55 厘米，总共有 1,280 个相同的六边形阵列天线。将所有天线的功率组合在一起的技术称为波束成形。那么它是如何工作的呢？好吧，让我们先看看当我们有两个间隔很近的简化天线时会发生什么。如前所述，一个天线会产生一个以气球状向外传播的电磁波。在空间中的每个点，只有一个具有强度和方向的电场矢量。因此，两个天线的振荡电场矢量在空间的所有点上组合在一起。在某些区域，天线的电场指向同一方向，具有重叠的峰值，因此通过相长干涉叠加；在其他位置，它们方向相反，一个峰值对应一个波谷，因此通过相消干涉相互抵消。我们现在可以看到，相长干涉叠加的区域比单个天线更紧密或更聚焦。当我们添加更多天线时，相长干涉的区域会变得更加聚焦，这被称为波束前沿。因此，通过将 1280 个天线组合在一起，我们可以形成一个具有如此强度和方向性的光束，以至于它可以到达远方。现在，你可能会认为一个天线的强度乘以 1280 倍会产生总功率，嗯，是单个天线的 1280 倍。但你会弄错的。所有这些天线组合形成的主光束的有效功率和范围实际上是单个天线的 3500 倍。快速解释是，通过这些相长和相消干涉的模式，就好像我们取了一个天线，将其乘以 1280，然后在周围放置了许多镜子，只留下一个孔让主光束穿过。长篇解释需要大量的数学和物理学。所以，让我们继续。Dishy McFlatace 和星链卫星无疑拥有一些相当复杂的技术和工程。要完全理解这一切，你必须是一名跨学科学生。为了帮助你做到这一点，请查看 Brilliant，它是本视频的赞助商。Brilliant 是一个很棒的学习工具。它们以动手互动的方式教授广泛的 STEM 主题，其中许多主题与星链和其他尖端技术（如电动汽车、量子计算机、火箭技术或神经网络）直接相关。例如，它们有一个专门介绍波和光的课程，另一个介绍引力物理学的课程，这将极大地帮助理解星链和 SpaceX 火箭。Brilliant 与枯燥的教科书完全不同，而是所有课程都使用互动模块来使课程内容引人入胜，并帮助概念深入人心。要真正理解当今的前沿技术，并帮助你成为像埃隆·马斯克那样的革命性工程师和企业家，你必须精通广泛的科学和工程领域。我们建议你注册，免费试用一些课程，如果你喜欢它们（我们相信你会的），就注册年度订阅。对于本频道的观众，Brilliant 为前 200 名注册者提供年度订阅 20% 的折扣。只需访问 brilliant.org/branchededucation。你可以在下面的描述中找到该链接。现在，让我们继续探索强大的光束如何能够持续地扫过天空，以及我们如何每秒用数百兆比特的数据填充它。快速回顾一下，这里有一个 1280 个天线的阵列，我们用相同的 12 GHz 信号馈送它们，以创建一个激光般的波束，垂直于 Dishy 传播。然而，如前所述，我们需要能够调整这个光束的角度，使其直接指向以 27,000 公里/小时的速度飞驰的星链卫星。使用电机是不可行的，因为它们会在一个月内损坏，而且不够精确。所以，解决方案是使用所谓的相控阵波束转向。好吧，让我们回到我们两个天线的例子。之前我们向两个天线馈送相同的信号，因此天线彼此同相。理解相位至关重要，所以要快。改变信号的高度或幅度是通过改变发送到天线的功率来完成的。从而使信号变强或变弱。频率是指每秒有多少个峰值和波谷或波长。改变相位是向左或向右移动信号。相位偏移以度为单位，介于 0 和 359 之间。因为如果我们移动信号 360 度或一个完整的波长，那么我们就回到了起点，就像绕着圆圈循环一样。例如，这是一个具有 45 度相位偏移的信号。这是另一个具有 180 度偏移的。然后是另一个具有 315 度偏移的。你的眼睛看不到可见光的相位偏移差异。然而，像 Dishy 内部的高科技电路非常擅长检测和处理相位偏移。那么，我们如何使用相位偏移来调整光束并使其直接指向卫星呢？解决方案是相对于另一个天线对发送到其中一个天线的信号进行相位偏移。结果，一个天线发出的峰值和波谷的时间与另一个天线不同。这些峰值和波谷向外传播，相长干涉的位置现在向左倾斜，而其他地方则发生相消干涉。如果我们再次改变天线的相位，相长干涉的区域就会向右倾斜。因此，通过持续改变发送到天线的信号的相位，我们可以创建一个扫动的相长干涉区域。让我们引入另外六个天线，并简化视觉效果，以便我们只看到每个波的峰值的一部分。远离天线，波浪汇合形成一个平面波波前。就像海浪拍打海岸线一样。就像之前一样，通过持续改变每个天线发出每个波峰的时间，我们可以改变波前形成的 कोण，从而有效地将光束转向一个方向或另一个方向。如果我们引入更多天线组成二维阵列，我们就可以在 100 度的视场内将光束转向任何方向。让我们回到 Dishy 中的所有 1280 个天线。为了知道需要指向或转向光束的确切角度，我们使用来自此处芯片的 Dishy 的 GPS 坐标以及星链卫星的轨道位置（在 Dishy 软件中已知）。软件计算出精确的 3D 角度集以及每个天线所需的相位偏移。然后将这些相位偏移结果发送到称为波束形成器的 20 个大型芯片。每个波束形成器协调大约 32 个称为前端模块的小芯片，每个芯片控制两个天线。每隔几微秒，这些计算都会重新计算并分发给所有微芯片，以完美地将光束对准卫星。结果，光束可以在 100 度的视场内任意转向。有几点快速说明。首先，主光束，也称为主瓣，看起来像这样。然而，相长和相消干涉并不完美，结果是存在额外的功率较低的旁瓣。第三，McFlatace 先生拥有一个相控阵。然而，在星链卫星上，实际上有四个相控阵天线。两个用于与多个天线盘通信，两个用于与地面站通信以中继互联网流量。第四，相控阵在许多应用中使用，有趣的是，它们在商用飞机上用于实现飞行中互联网。因此，本视频也间接解释了飞行中互联网是如何工作的。在我们探讨实际数据如何发送之前，我们想说一下，本视频的研究耗时一个月，剧本修改了二十几次，建模和动画制作了两个月。如果这项技术的复杂性和本视频的深度让你大吃一惊，请点击订阅按钮，点赞本视频，在下方写下评论，我们一定会制作更多此类视频。我们要深入探讨的第三个主题是信息如何在 Dishy 和星链卫星之间传输。例如，我们谈论了高频正弦波形电磁波，但这看起来一点也不像二进制，更不像你最喜欢的电视节目。那么，发生了什么？好吧，Dishy 和卫星确实发送了看起来像这样的信号。然而，它们会改变传输信号的幅度和相位，然后将六位二进制值分配或编码给每个不同的组合或排列的幅度和相位。使用六位，有 64 种不同的值，因此我们需要 64 种不同的幅度和相位排列。然而，与其列出所有排列，不如通过在称为星座图的图表中排列 64 个不同的值来更轻松地可视化，如下图所示。让我们看看点 011 01，然后从原点画一条线到这个点。与原点的距离是信号的幅度，与正 x 轴的角度是相位。这有点像使用极坐标。因此，为了让 Dishy 发送这六位，它会传输一个幅度为 59% 且相位偏移为 121 度的信号。然后，如果下一个要发送的值是 101 0 0，信号将切换到 87% 的幅度（亮度）和 305 度的相位偏移。之后，它会发送下一个具有不同幅度和相位偏移的值。这六位分组中的每一个都称为符号，它们仅持续大约 10 纳秒，然后发送下一个符号。很多时候你会看到信号被压缩成这样。然而，由于信号的频率是每 83 皮秒（即 12 GHz）一次，而一个符号持续 10 纳秒，因此在发送下一个符号之前，每个符号有大约 120 个波长是更准确的。由于我们处理的是皮秒和纳秒的量级，这意味着我们可以容纳 9000 万个六位数组或符号，从而实现每秒 5.4 亿比特。然而，请注意，此数据传输在下载和上传之间共享。由于此特定天线可以同时传输和接收数据，因此每秒大约 74 毫秒用于从 Dishy 发送数据到星链卫星，而 926 毫秒用于从卫星向下发送数据到 Dishy。为了减少延迟，这些时间槽会分布在单个秒内，而不是将它们全部分组在一起。这种使用不同幅度和相位变化发送六位值的技术称为 64QAM 或正交幅度调制，比我们讨论的要复杂。但我们不要离题。现在我们有了每秒产生数百兆比特数据的数百万个六位符号流，为了将其转换为你最喜欢的电视节目，我们使用高级视频编解码器或 H.264 格式。你可以在我们探讨图像压缩的视频中了解更多关于它的信息，该视频在此处显示。我确信你有很多问题，请随时在下面的评论中提出。但在我们结束之前，让我们澄清两件事。首先，本视频中几乎所有事物的比例都是不正确的。这是 Dishy 和星链卫星的正确比例。然而，Dishy 距离 550 公里，我们无法正确显示。与此形成鲜明对比的是，发射的电磁波之间的距离仅约为 2.5 厘米。因此，Dishy 和卫星之间的距离大约有 2200 万个波长，这比我们这里看到的几个波要多得多。此外，在此动画中，我们显示波长缓慢地上下移动，而实际上，电磁波从 Dishy 或星链卫星发出到达另一端仅需大约 2 毫秒。第二个澄清是，我们不成比例地显示 Dishy 发射电磁波并将其发送到卫星。实际上，卫星天线盘更频繁地处于接收模式，接收电磁波的步骤和物理原理与发射电磁波类似，只是方向相反。这就是 Starlink 和 Dishy 之间发送数据的大致方式。本视频的原始剧本超过 45 分钟，因此所有被删减的细节都放在了创作者评论中，可以在英式加拿大字幕中找到。感谢我们所有的 Patreon 和 YouTube 会员赞助商帮助制作了这个视频。此外，感谢 Colin Flynn（来自 new technology）借给我们一个 Starlink Dishy PCB 用于成像和研究。这是 Branch Education，我们制作 3D 动画，深入探讨驱动我们现代世界的技术。点击其中一个卡片观看另一个 Branch 视频，或点击此处订阅。感谢您观看至最后。