JPL深空通信与导航丛书：深空网低噪声系统 [Low-Noise Systems in the Deep Space Network] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 里德（Macgregor S.Reid） 编，北京跟踪与通信技术研究所，李赞 译，张纪生 校

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• 深空通信
• 深空导航
• 低噪声系统
• 深空网络
• JPL
• 射频电路
• 微波技术
• 信号处理
• 天线系统
• 通信工程

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302316237

版次：1

商品编码：11268185

品牌：清华大学

包装：平装

外文名称：Low-Noise Systems in the Deep Space Network

开本：16开

出版时间：2013-05-01

用纸：胶版纸

页数：286

字数：330000

正文语

内容简介

　　《JPL深空通信与导航丛书：深空网低噪声系统》描述了DSN中各种低噪声系统，包括它们的开发、校准和操作，以及这些系统是如何用于跟踪和科学试验的。其中一章叙述前端的总系统噪声温度校准，其他章节详细阐述几种低噪声接收机前端，还有大气和天线增益的校准。

内页插图

目录

第1章 概论
参考文献

第2章 深空网所用的系统噪声概念
2.1 概述
2.2 噪声温度的概念
2.2.1 热噪声
2.2.2 系统工作噪声温度
2.2.3 普朗克辐射定律噪声功率减小
2.2.4 不同参考位置噪声温度的转换
2.2.5 噪声温度和损耗分量
2.2.6 接收机噪声温度和噪声系数
2.3 天线
2.3.1 天线噪声温度
2.3.2 DSN天线
2.3.3 天线外部噪声源
2.4 低噪声放大器
2.4.1 接收机等效噪声温度
2.4.2 级联放大器的噪声温度
2.5 接收系统
2.5.1 接收系统的品质因数
2.5.2 接收系统工作噪声温度
2.6 测量方法
2.6.1 y因子噪声温度校准法
2.6.2 衰减
2.6.3 接收系统的非线性
2.6.4 接收系统小型校准
2.7 DSN中的辐射计
2.7.1 引言
2.7.2 总功率辐射计
2.7.3 迪克辐射计
2.7.4 加噪声辐射计
2.7.5 辐射计稳定性
2.8 现状和未来
参考文献

第3章 红宝石脉泽
3.1 引言
3.2 红宝石特性
3.3 旋子谐振、外加磁场、红宝石定向、低温需求和激励
3.4 旋子晶格弛豫时间、反转比、跃迁概率、填充系数和磁Q
3.5 红宝石脉泽的噪声温度
3.6 红宝石脉泽用作噪声温度标准
3.7 防射频干扰
3.8 早期的DSN腔体脉泽
3.9 梳型行波脉泽
3.10 反射波脉泽
3.11 Ka频段返回腔体脉泽
3.12 脉泽设计分析
参考文献

第4章 低温制冷系统
4.1 简介
4.2 使用低温冷却的优点
4.3 开环制冷
4.4 热传递
4.5 装在天线上的制冷器的操作
4.6 闭环氦制冷机
4.7 小结
参考文献

第5章 高电子迁移率晶体管低噪声放大器
第6章 微波频率上的大气衰减和噪声温度
第7章 天线校准
第8章 微波天线全息术
参考文献

前言/序言

　　喷气推进实验室（JPL）是设在加利福尼亚理工学院帕萨迪纳的一个研究部。JPL的历史可追溯到20世纪30年代早期，当时毕业于加州理工学院古根海姆航空实验室的学生FrankMalina，就他的毕业论文向导师TheodorevonKarman提出了一个设计、建造和测试火箭发动机的建议。建议被接纳后，Malina就开始着手研究工作。他很快挑选了两个助手，而且他们的合作研究获得了很大进展。实际上加州理工学院禁止他们进一步开展实验（与噪声过大有关），于是他们将实验设备搬到了约距加州理工学院校园12km的一个干燥的河谷内，正好在帕萨迪纳市所辖范围外，即现在的LaCanada市，也是目前JPL所在的位置。
　　实验在整个20世纪30年代都进展得很顺利，直至第二次世界大战开始，Karman将该项研究扩建成了一个新的实验室，后来称为喷气推进实验室。JPL的成功实验使其在整个“二战”期间和以后都获得了美国陆军的资助。此时，美国正在研制弹道导弹，JPL参与了无线电跟踪和导弹控制项目，而这一跟踪系统就是目前用于跟踪航天器的全球深空网（DSN）的先驱。
　　苏联在1957年发射了第一颗人造地球卫星。第二年，JPL并入新成立的国家航空航天局，自此，JPL及DSN就一直领导或支持着对太阳系每一颗行星和其他诸多天体的探测活动。
　　当前JPL的目标之一是更深入地了解太阳系的起源和演化，进而了解宇宙中生命的起源和进化。这一目标将由那些到达行星、行星的卫星、小行星和彗星的机器人航天器来承担。除此之外，JPL还支持探测宇宙边界的许多宇宙飞行器的星载观测，而且，这些探测活动所获得的数据还在稳步增长中。而DSN的目标是从航天器获取遥测数据、向航天器发送遥控指令、获取航天器的位置和速度、进行甚长基线干涉观测、进行射电和天文研究、为射电科学试验测量无线电波的各种变化、搜集科学数据、监视和控制测控网的性能。
　　DESCANSO系列丛书的主编JosephH.Yuen规定了DSN技术的范围和描述。本书是该系列丛书之一，阐述构成所有DSN地面站前端的低噪声微波系统。微波前端是确定接收链路乃至整个地面站灵敏度和性能的关键。接收系统的灵敏度和性能用G／T值来表示，这里G是天线增益，T是整个接收链路的总噪声温度，通常称为系统工作噪声温度Top。为了提高地面站的接收能力，必须提高G／T值，它可以通过增大天线增益或减小Top来实现。过去，DSN既增大天线增益G，也减小系统工作噪声温度Top，但事实表明，在一定程度上减小Top比增大G会更加经济和有效。
　　因为地面站的微波前端对于确定接收链路的灵敏度和性能至关重要，接收系统的设计者们有责任付出巨大努力来减小Top、标校和保持前端的低噪声。Top确定的越精确，就越能减小航天器任务设计中允许的容差，而减小航天器功率设计容差能够大大降低成本，对于同样的航天器功率而言，就意味着增大科学数据的传送速率，或在这两者之间进行折衷。因此，提高接收链路的校准精度是极其重要的。精确的噪声温度校准对于保持地面站的低噪声性能也同样重要，同时，天线增益的测量精度也非常重要。本书还介绍了目前天线校准和其他一些新技术。
　　在行星际距离上成功完成无线电通信很困难，也极富挑战性。在DSN系统中为达到所需的系统灵敏度，都需采用极低噪声的前端。本书描述了DSN中各种低噪声系统，包括它们的开发、校准和操作，以及这些系统是如何用于跟踪和科学试验的。其中一章叙述前端的总系统噪声温度校准，其他章节详细阐述几种低噪声接收机前端，还有大气和天线增益的校准。
　　本书适合于通信系统、射电和天文台、空间研究设施和干涉测量天文台的设计和操作者们阅读。本书给出了严密而详细的分析，为便于参考，还汇集了一些关键的公式。在系统噪声温度计算中一般不使用精确定义（比通常工业中使用的更精确），它们都基于IEEE标准和规范，而技术人员通常都不使用，其他书本也没有探究得如此详细。然而，所有的分析过程和公式都用来自现场的测量数据的实例充分说明。详细的说明使读者利用有限的知识就足以理解全文，但必要时，仍不缺乏严密的推导，虽然有些部分可能用到研究生程度的微积分知识，但具备高等代数和大学微积分知识的读者一般就能够理解本书中的内容。分析是通过示例和详细研究计划给出的，所以测量数据校准误差的均值和统计分析并不需要进行数学运算。

深空探测的“耳语者”：洞悉深空网低噪声系统的奥秘 浩瀚的宇宙，充斥着无数令人着迷的奥秘，人类探索的脚步从未停歇。从遥远的行星到未知星系的边缘，我们的探测器如同孤勇的信使，承载着人类的好奇与智慧，在漆黑的宇宙中孤独地前行。而维系这一切的关键，便是那无形却至关重要的“深空网”（Deep Space Network, DSN）。它如同一张遍布全球的巨网，连接着地球上的我们与数以亿计公里外的探测器，传递着珍贵的数据，接收着来自遥远彼方的“问候”。在这张巨网中，有一个至关重要的环节，它如同探测器背后最敏锐的“耳朵”，能够捕捉到来自宇宙最微弱的信号，将那些淹没在宇宙噪声中的信息清晰地呈现出来——这便是“低噪声系统”。 本书，将带领您一同走进深空网低噪声系统的核心世界，深入剖析那些支撑着我们深空探索事业的精密技术与智慧结晶。我们不会触及本书本身的内容，而是将聚焦于“低噪声系统”在整个深空通信与导航框架下的重要性、技术挑战、发展演进以及它所扮演的不可或缺的角色。 一、 深空通信的挑战：信号的微弱与噪声的干扰 想象一下，您的一个微弱的声音，需要传遍整个城市，甚至跨越大陆。这其中的困难不言而喻。深空通信面临着更为严峻的挑战。探测器距离地球动辄数百万、数千万甚至数十亿公里，即使它们以强大的功率发射信号，抵达地球时信号强度也已衰减得微乎其微，常常淹没在宇宙背景噪声、地球大气层噪声以及通信设备自身产生的噪声之中。 噪声，如同宇宙中的“静电干扰”，它无处不在，并且以各种形式存在。宇宙微波背景辐射、行星和卫星的热噪声、地球大气层的电离层和对流层噪声、甚至探测器和地面接收站电子元器件内部产生的热噪声和量子噪声，都在试图吞噬那些珍贵的微弱信号。在这种环境下，想要准确地接收并解码来自探测器的信息，就如同在暴风雨中试图听清一句低语。 二、 低噪声系统：深空通信的“敏锐之耳” 正是为了克服这些巨大的挑战，低噪声系统应运而生，并成为深空通信链路中至关重要的一环。低噪声系统最核心的目标，便是尽可能地降低接收端电路产生的噪声，从而提高信号的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），使微弱的信号能够被有效地检测和提取出来。 低噪声系统的构成通常包括以下几个关键部分： 低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）： 这是低噪声系统的“第一道防线”。LNA通常布置在接收天线的馈电口附近，甚至是与天线直接集成。它的任务是在信号被进一步传输和处理之前，以最小的噪声系数（Noise Figure, NF）对接收到的微弱信号进行放大。低噪声系数是衡量LNA性能的关键指标，系数越低，意味着LNA自身产生的噪声越少，对原始信号的干扰也就越小。LNA的设计需要考虑多种因素，包括工作频率、带宽、功率效率以及稳定性等。 滤波器： 滤波器用于滤除不需要的频率成分，只允许目标信号所在的频段通过。这有助于进一步抑制带外噪声，提高系统的整体性能。在深空通信中，滤波器需要具备高度的选择性，以精确地分离出探测器发出的窄带信号。 混频器与本振（Local Oscillator, LO）： 在许多接收系统中，信号需要被下变频到较低的中频（Intermediate Frequency, IF）以便于后续处理。这个过程由混频器和本振完成。本振的噪声会直接影响到下变频后的信号质量，因此低相位噪声的本振设计至关重要。 其他组件： 此外，低噪声系统中可能还包含匹配网络、传输线、连接器等。这些组件的设计和选择也需要考虑如何最大限度地减少信号损耗和噪声注入。 三、 低噪声系统的技术挑战与发展演进 设计和实现高性能的低噪声系统并非易事，其中蕴含着深厚的技术挑战： 极限的低噪声系数要求： 随着深空探测任务的目标越来越远，信号的衰减也越来越大，对LNA的噪声系数提出了近乎极致的要求。在微波和毫米波频段，要达到优于1-2 dB的噪声系数已经非常困难，而深空网可能需要更低的数值。 宽带与高增益的权衡： 探测器可能在不同的任务阶段或使用不同的频率进行通信，因此接收系统需要具备一定的带宽。然而，宽带设计往往会增加电路的复杂性，并可能引入更多的噪声。如何在宽带和低噪声之间取得平衡，是设计中的一大难点。 环境适应性： 深空探测器需要在极端恶劣的环境下工作，包括高温、低温、真空、强辐射等。地面接收站也面临着不同的环境挑战，如大气扰动、电磁干扰等。低噪声系统必须具备高度的可靠性和稳定性，以应对这些严峻的环境考验。 制冷技术： 为了进一步降低热噪声，一些高性能的低噪声系统会采用低温制冷技术。将LNA等关键组件冷却到极低的温度（如液氦温度），可以显著降低其产生的热噪声。然而，制冷系统的复杂性、能耗以及对空间站的影响都是需要仔细考量的因素。 新材料与新工艺的应用： 随着半导体技术的进步，氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、铟镓砷（InGaAs）等高性能半导体材料以及先进的微波集成电路（MMIC）和射频集成电路（RFIC）工艺，为实现更低噪声、更高频率、更高功率的低噪声器件提供了可能。 低噪声系统的发展，与深空探测事业的发展紧密相连。从最初的几十米口径天线配合相对简单的电子设备，到如今数百米口径的巨型天线阵列，再到未来可能部署的太空干涉仪，低噪声系统的技术也在不断进步，以满足日益增长的通信需求。从分立元件到集成电路，从室温工作到低温制冷，每一次技术的飞跃，都为深空通信的边界拓展奠定了基础。 四、 低噪声系统在深空通信与导航中的核心作用 低噪声系统不仅仅是信号接收链路中的一个环节，它更是整个深空通信与导航系统的“神经末梢”，其性能直接决定了深空任务的成败。 数据传输的效率与可靠性： 高质量的低噪声系统能够以更高的信噪比接收数据，这意味着在相同的数据速率下，所需的发射功率可以更低，或者在相同发射功率下，数据速率可以更高。这对于资源有限的深空探测器尤为重要，可以延长任务寿命，传输更多科学数据。同时，高信噪比也意味着数据传输的可靠性更高，误码率更低，减少了数据重传的需要。 远距离通信能力的保障： 随着探测器不断向太阳系外探索，通信距离呈指数级增长。没有高性能的低噪声系统，即便是最强大的发射信号，在抵达地球时也可能早已消失在噪声的海洋中。低噪声系统是实现超远距离通信的“千里眼”和“顺风耳”。 导航精度的提升： 在深空导航中，精确的测量至关重要。探测器需要接收来自地面站的精确时间信号和测距信号。低噪声系统能够更精确地捕捉这些信号，减少测量误差，从而提升导航的精度。例如，在进行脉冲测距（Ranging）时，微弱的脉冲信号需要被准确地识别和测量，低噪声系统是实现这一目标的关键。 科学仪器的优化： 许多深空探测任务携带的科学仪器，例如射电望远镜、粒子探测器等，本身也需要接收微弱的宇宙信号。低噪声系统的性能提升，也间接提高了这些科学仪器的灵敏度和探测能力，使我们能够观测到更暗弱的天体，研究更精细的宇宙现象。 五、 展望未来 随着人类对宇宙的探索欲望愈发强烈，未来深空探测任务的规模、距离和复杂性将不断增加。新的探测目标，如系外行星的大气层分析、冥王星轨道以外的柯伊伯带天体探测、甚至跨越太阳系的星际探测，都对通信系统提出了前所未有的挑战。 因此，低噪声系统的研究与发展将持续是深空通信领域的重中之重。未来的发展趋势可能包括： 更加先进的器件与材料： 探索新型半导体材料和制造工艺，以实现更低的噪声系数和更高的工作频率。 更智能化的系统设计： 利用机器学习和人工智能技术，优化系统参数，实现对噪声的动态抑制和信号的自适应优化。 分布式接收与干涉测量： 结合多个小型天线进行协同接收，实现等效于更大口径天线的灵敏度，并利用干涉测量技术提高分辨率。 极低温制冷技术的进一步发展： 探索更高效、更可靠、更低能耗的制冷技术，以支持未来更极端的低噪声需求。 “深空通信与导航丛书：深空网低噪声系统”的探索，正是对这一核心技术领域的一次深刻审视。它为我们理解深空探索的强大支撑、为我们领略科学技术的无限可能，提供了一个绝佳的视角。通过深入了解低噪声系统的原理、挑战与发展，我们不仅能更好地欣赏那些来自遥远宇宙的“低语”，更能激励我们不断突破技术瓶颈，迈向更广阔的星辰大海。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书，我脑海中立即浮现出那些关于未来科技电影的场景，仿佛主人公正通过屏幕与遥远的星系进行着实时对话。而这本书正是揭示这一切成为现实的幕后功臣。《深空网低噪声系统》这个书名，虽然听起来略显专业，但我认为它背后所蕴含的意义远不止于技术本身。它代表着人类渴望与宇宙交流的决心，代表着我们不断突破极限的勇气。我好奇这本书会如何描绘JPL在建立和维护这个庞大而精密的“深空网”中所扮演的角色。尤其是“低噪声系统”这个关键词，让我联想到那些需要捕捉极其微弱信号的场景，就像在嘈杂的人群中试图听清一个细语。我猜想，书中会深入讲解JPL是如何设计和优化那些能够最大限度地减少干扰、放大信号的接收和处理设备的。这其中可能涉及各种先进的电子学技术、信号处理算法，甚至是材料科学的应用。我想象书中会用大量的图示和案例来解释这些复杂的概念，让即使是对技术不太了解的读者也能有所体会。这本书或许会分享一些JPL在早期深空探测任务中遇到的通信难题，以及他们是如何一步步攻克这些难关，从而奠定今日深空通信体系的基石。我期待它能给我带来一种“哇，原来是这样！”的惊喜感，让我对那些闪耀着智慧光芒的工程师们产生由衷的敬意。

评分☆☆☆☆☆

《JPL深空通信与导航丛书：深空网低噪声系统》这个书名，一下子就勾起了我对于深空探测背后那些精密技术的好奇心。我想象这会是一本深入探讨JPL如何在浩瀚宇宙中建立起高效、可靠通信网络的著作，特别是聚焦于“低噪声系统”这一关键领域。这个词组本身就充满了科技感，暗示着在信号传输过程中，如何最大限度地抑制各种干扰，确保来自遥远探测器的微弱信号能够被清晰地接收。我期待这本书能够详细解读JPL在设计和构建这些“低噪声系统”时所采用的各种创新技术和工程策略。也许它会深入讲解天线的设计原理，如何优化接收器的灵敏度，以及如何运用先进的信号处理算法来过滤掉宇宙背景辐射、地球大气层的影响以及探测器自身产生的噪声。我还猜想，书中可能会通过一些具体的案例，例如JPL历史上那些里程碑式的深空探测任务，来生动地展示这些“低噪声系统”是如何在实际应用中发挥作用，并为任务的成功保驾护航。我希望这本书能够提供详实的技术细节，同时又能以一种引人入胜的方式呈现，让我能够深刻理解JPL在深空通信领域所取得的卓越成就，以及这些成就背后所凝聚的智慧与汗水。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题——《JPL深空通信与导航丛书：深空网低噪声系统》——让我立刻联想到那些关于宇宙探索的壮丽景象。我想象这不仅仅是一本技术手册，更是一部关于人类智慧如何跨越星辰大海的史诗。JPL作为深空探索的先驱，其在通信与导航方面的成就一直令人瞩目。而“低噪声系统”这个概念，更是直接触及了深空通信中最核心的挑战之一：如何在宇宙的寂静中放大那些来自遥远探测器的微弱“呼唤”。我非常好奇这本书会如何深入浅出地解释这些复杂的工程原理。它是否会介绍那些巨型的碟形天线是如何捕捉微弱的信号，又或者那些精密的电子元件是如何在极端环境下保持稳定工作。我也期待书中能够分享一些JPL在早期航天时代遇到的通信困境，以及他们是如何凭借着不懈的努力和卓越的创新，逐步克服这些困难，最终构建起如今这个强大的深空通信网络。我想象书中可能会穿插一些关于天体物理学、无线电工程以及信号处理的知识，以帮助读者更好地理解“低噪声”的重要性。这本书的出现，仿佛为我打开了一扇通往JPL核心技术世界的窗户，让我能够一窥那些默默奉献的科学家和工程师们的智慧结晶。

评分☆☆☆☆☆

我一直以来都对天文学和航天工程领域抱有浓厚的兴趣，而JPL（喷气推进实验室）的名字更是与那些激动人心的深空探测任务紧密相连。因此，当看到《JPL深空通信与导航丛书：深空网低噪声系统》这本书时，我立刻被它所吸引。这本书名中“深空网”三个字，就足以勾勒出一个宏大而神秘的画面——一个连接地球与遥远宇宙的通信网络，它承载着人类探索未知的好奇与渴望。而“低噪声系统”则触及了其中的关键技术难题，它暗示着如何在浩瀚的宇宙背景辐射以及各种潜在干扰中，捕捉到那些来自数亿甚至数十亿公里之外探测器发出的微弱信号。我期待这本书能够详细阐述JPL是如何在如此严苛的环境下，构建起如此精密且可靠的通信基础设施的。这其中，我想象会涉及到的技术细节可能包括了各种高性能的射电望远镜、灵敏度极高的接收器、先进的信号处理技术，以及能够有效抑制各种噪声源的复杂设计。或许，书中还会穿插一些JPL历史上那些著名的深空探测任务，比如旅行者号、好奇号、毅力号等等，并详细介绍在这些任务中，低噪声系统是如何发挥至关重要的作用，确保了数据的顺利传输和任务的成功。我希望这本书能提供丰富的技术解读，同时又不失故事性和人文关怀，让我能够深刻理解JPL团队在深空通信领域所付出的巨大努力和取得的辉煌成就。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常吸引人，深邃的宇宙背景搭配简洁的标题，立刻勾起了我对深空探索的好奇心。我一直对那些将人类的触角伸向遥远星辰的伟大工程感到着迷，而JPL（喷气推进实验室）作为其中的佼佼者，其深空通信与导航系统更是我一直想要深入了解的部分。这本书的名字——“深空网低噪声系统”——虽然听起来有些技术性，但它所暗示的意义却是如此宏大：在浩瀚无垠的宇宙中，如何确保来自遥远探测器的微弱信号能够清晰地被接收，这本身就是一项了不起的成就。我设想，这本书将会为我揭示那些隐藏在幕后的技术细节，解释JPL是如何克服时空的巨大障碍，建立起连接地球与宇宙的“耳语网络”。从天体的距离、信号的衰减，到地球大气层的干扰，再到探测器本身的限制，我想象这本书会一一剖析这些挑战，并详细阐述“低噪声系统”是如何应对的。或许，它会介绍那些精密的天线、高性能的接收器，以及那些能够过滤掉宇宙背景辐射和人为干扰的复杂算法。我非常期待能通过这本书，理解到JPL在深空通信领域的深厚积累和创新能力，以及他们是如何将科学的严谨与工程的智慧完美结合，从而为人类拓展认知的边界贡献力量。这本书的厚度也预示着其内容的丰富，我迫不及待地想要翻开它，开始我的这段知识探索之旅。