当问题发布在 Space SE 中时，我开始编写此答案，并随着问题的移动将其移至此处。

在激光卫星系统中，我们的光束要窄得多……距离会影响激光通信系统中的数据速率吗？

相同的计算（和物理）适用于激光和无线电链路预算。它们都以准直光束开始，并且在很长的距离上，它们的直径都随着距离线性地扩大，这意味着它们的单位面积功率下降为$1/r^2$.

• 阅读有关链接预算的更多答案

有关更多信息，请参阅Quantitatively 的答案，为什么光通信比 X 波段更适合深空通信？

正如该答案所指出的那样，检测方案可能会有所不同，因为我们可以使用光进行单光子计数/定时，而对于无线电，我们使用具有冷却、低噪声前端的普通固态放大器。这在简单的计算中不会有很大的不同，但记住这一点很重要。

...但是云/太阳/其他障碍物会阻碍信号...

确实是的！

回答未来的深空光通信“地面站”实际上是在太空中还是在地面上？建议将一些光学深空通信卫星放在地球轨道上并通过常规无线电信道中继到地面会容易得多。

这些站基本上看起来像小型太空望远镜，并且将像小型太空望远镜一样运行，孔径只有几十厘米，即使对于非常深的太空任务也是如此。

有多种方法可以分布地面站，这些地面站的晴空概率很高：这些光学卫星地面站的位置是否被选为晴空？但深空信号会非常微弱，因此与地球轨道卫星激光通信不同，这些只能在夜间进行。

...距离与数据速率？

如果您需要一些实际的方程式或大致数字，请参阅以下问题的答案：

• 如何计算航海者一号的数据速率？深空链路预算的所有细节，包括 S/N 和数据速率
• 为什么数据传输速率会随着距离而降低
• 到火星的可变距离会影响数据传输率吗？
• 为什么New Horizo​​​​ns的数据传输速度与Voyager相比如此缓慢？
• 从冥王星到地球等距离的航天器进行下行链路的最高实际数据速率是多少？

然而...

以下是从我的 Space SE 答案中复制的：

这很有趣！

起初我认为光通信总是赢，因为$\lambda/d$对于直径为 30 厘米的望远镜，在 850 nm 处约为 350,000，而对于 8 GHz 或 32 GHz 的深空航天器上的 3 米碟形天线，Ka 波段仅为 80 或 320。1000 in$\lambda/d$是另一端信号强度的一百万倍，或 60 dB。

一百万的乘法因子有很长的路要走，但问题是当前的无线电和光学检测方案非常不同。

无线电信号检测

无线电接收器/检测器将入射波的电场耦合成电压，该电压的平方除以放大器的阻抗就是功率（$V^2/R$)。

换句话说，接收到的无线电功率也是检测电路中的功率，我们将其与放大器的噪声等效功率（NEP）进行比较，大约为$k_B T \times \Delta f$在哪里$k_B$是玻尔兹曼常数。

信噪比 (S/N) 就是接收功率与接收机前端噪声等效功率的比值。

假设我们在 S/N = 1 的边缘运行。如果接收到的功率下降 10 倍（距离为$\sqrt{10}$进一步）然后我们必须削减$\Delta f$也增加了 10 倍以保持相同的 S/N。

光子信号检测

目前，将光信号转换为电信号的标准方法是使用某种光电二极管。大多数进入光电二极管的光子被吸收并产生电子-空穴对。这些被收集为电流。

产生的对数以及电流与入射光功率成正比，到目前为止还可以，但放大器中的电功率等于电流的平方除以阻抗！ ($I^2R$)

这意味着我们必须与 NEP 进行比较的电功率与光功率的平方成正比！

因此，一旦打开这个问题的引擎盖，就会发现天线收集的功率只是问题的一半；光学和无线电转换为电信号的方法是如此不同，以至于在很远的距离无线电可能能够使用传统的检测技术获胜。

但是联合国常规检测技术呢？

有几件事情需要考虑，可以使远距离光通信的未来更加光明。

Toyoshima 等人的参考文献 #8 中超过了量子光通道（也是researchgate ）的经典容量限制。

可通过通信信道传输的信息量由信道的噪声特性和可用传输资源的数量决定。在经典信息论中，对于固定的噪声特性，当传输资源（例如码长、带宽、信号功率）增加一倍时，可传输的信息量最多可以增加两倍。然而，在量子信息论中，传输的信息量甚至可以增加两倍以上。我们通过使用单个光子的三元对称状态以及从弱相干光源中进行事件选择，对量子通道的经典容量的这种超可加性进行了原理验证演示。我们还展示了超加性编码的增益，即使在很小的代码长度下，

此外，由于探测器可以对单个光子进行计数并将它们的确切到达时间记录到皮秒精度，并且一些激光器可以以微秒和纳秒的间隔产生皮秒脉冲，因此有很多机会可以使用时间结构来帮助提高 S/N以无线电波无法实现的方式，因为计算单个无线电光子更具挑战性。

有关更多信息，请参阅

• 这个答案是否可以用激光将高速数据传输扩展到地球到火星的距离？ 每个光子 13 位！
• 这个答案（定量地说，为什么光通信比 X 波段更适合深空通信？ 超导纳米线光子计数和其中的参考资料
• 这个答案是关于 Starshot 计划提出的微型航天器应该如何与地球通信的？以及其中的参考资料
• 我们能否使用一种狭隘的范式，比如激光，来更快地从 New Horizo​​​​ns 获取信息？（有月球基地。）