|
перевод: А. Анкудинов UA3VVM ua3vvm
[at] mail.ru
EME, SETI и Радиоастрономия - различные формы
одного явления
- коммуникация с использованием слабых сигналов!
EME - радиосвязь с использованием отражения
радиоволн от лунной поверхности
SETI - проект по поиску внеземного разума
WSC - радиосвязь с использованием слабых сигналов
Что это такое?
Коммуникация с использованием слабых сигналов, далее WSC ( Weak
Signal Communication ), это способ радиосвязи используемый крайне
низкие уровни передаваемых и(или) принимаемых сигналов. При этом принимаемые
сигналы могут иметь уровень мощности ниже уровня шумов приемника. Отношение
сигнал/шум (SNR) на входе приемника зависит от различных факторов: мощности
передающей станции , затухания сигнала на трассе , коэффициента
усиления и шумов приемной антенны , шумов приемника . Некоторые
факторы крайне изменчивы во времени, например затухание сигнала на земных
трассах, хотя в космическом пространстве эта величина довольно стабильна.
Сочетание выше описанных факторов радиолюбители традиционно включают
в понятие Энергетический потенциал радиостанции . Чем он выше, тем более
дальние радиосвязи удается проводить. А в условиях приема слабых и сверхслабых
сигналов тем более имеет решающее значение для возможности или невозможности
проведения радиосвязи!
Данный раздел хоть и является уделом энтузиастов сегодня, но не лишен смысла
и будущего. Это обширная область для исследований и экспериментов.
Рис. 1. Пример соотношения мощного и слабого
сигналов
Эксперименты по WSC могут проводиться
как на очень низких частотах (сейчас это диапазон 136 кГц), так и вплоть
до микроволновых диапазонов волн.
На заре развития радио 70 лет назад, радиолюбители впервые
стали проводить эксперименты по приему слабых сигналов. Появился термин
QRP - работа с малой мощностью передатчика. И по крайней мере в ближайшем
будущем работа QRP останется привилегией энтузиастов. Хотя в последнее
время наблюдается общая тенденция к увеличению выходной мощности любительских
радиостанций (официально и не очень).
Работа с малой мощностью радиостанции раннее и сейчас сопряжена с трудностями.
Среда является своего рода передатчиком информации и ее состояние кардинально
сказывается на качестве сигнала на приемной стороне. В итоге воздействия
неблагоприятных факторов на сигнал - он уменьшается по пути, "загрязняется" шумами
атмосферы, космоса, приемника, прочими сигналами - помехами. В итоге выделить
полезный сигнал становится очень трудным занятием и многого стоит.
В коммерческой связи и радиовещании неблагоприятные факторы
стараются уменьшить путем увеличения выходной мощности станций. Хотя
понятно, что увеличение уровня сигналов приводит к увеличения взаимных
помех, "забития" приемных трактов,
искажениям информации и часто просто к невозможности приема. Все это прекрасно
известно радиолюбителям, и на какие только ухищрения не приходится идти
конструкторам аппаратуры, антенн и пр.
Но существуют области, где применимы техники коммуникации
слабыми сигналами. Это - область радиоастрономии, космическая связь для
коммерческих и научных целей, проект SETI. Сюда на полноправной основе
входит и радиолюбительская связь. Исторически сложилось, что радиолюбителям
выделены диапазоны частот для экспериментов в области радиосвязи. Они
представляют своеобразное "богатство",
так как в какой то мере защищены от коммерческого использования и "загрязнением" мощными
сигналами. Хотя, чего кривить, сами радиолюбители "вкачивают в эфир" киловатты
не думая о соседе. Кроме того участились случаи использования любительских
частот коммерческими структурами. С развитием техники - "свободных" частот
стало не хватать, а потому постепенно "откусываются частоты" и радиолюбители
занимают положение "Золушки на бале".
Более того, даже всемирно защищенные частоты для радиоастрономии загрязняются
сигналами низкоорбитальных и прочих спутников, что в будущем может
сделать проблематичным существование целого научного направления (в
том числе и SETI).
Но надо помнить, что никто не имеет конституционных прав
на полосы частот, выделенные как признание вклада радиолюбителей в развитие
радио.
Рис. 2. Параболическая антенна проекта SETI
Известная проблема приема слабого сигнала
- когда он наконец доходит до точки приема, то он обычно имеет тот же
уровень, что и шум антенны/приемника. Характер самого шума тоже меняется
в зависимости от происхождения. Полный шум состоит из многих компонентов:
В радиоастрономии, как и в WSC технике,
существует понятие шумовой температуры. Она измеряется в Кельвинах по
отношению к температуре абсолютного нуля ( -273 C = 0 К ). Даже относительно
малые изменения уровня шумовой температуры и уровня сигнала, могут послужить
причиной больших изменений соотношения сигнал/шум ( SNR ).
Это в значительной степени может помочь обнаружить слабый сигнал.
Начиная с открытия радио, часть радиолюбителей стали проводить эксперименты
в области слабых сигналов ( WSC ). В этой области, когда уровень
сигнала близок к уровню шума были обнаружено множество интересных явлений в
схемах распространения радиоволн. Прошлыми и нынешним поколениями радиолюбителей
были обнаружены новые формы распространения радиоволн, часто используя прием
слабых сигналов.
Настоящие энтузиасты приема
слабых сигналов испытывают трепет, когда в результате экспериментов
находят естественные и человеческого происхождения сигналы с уровнем
шума. По ссылкам вы можете ознакомится с новыми и прогрессивными экспериментами
в области любительского радио. А так же некоторую информацию можно
получить по ссылке Charles,
WD4MBK .
Радиосвязь с отражением радиоволн от луны (EME)
Для большинства радиолюбителей данный
вид применения WSC имеет ограниченное применение ввиду
ряда технических особенностей. В основном из-за сложных эффективных антенн
и передатчиков с высоким энергетическим потенциалом. M2inc с Mike,
Staal, K6MYC Taylor
Howard, W6HD предоставили самые первые сведения по любительской
радиосвязи через луну в диапазоне 144 МГц. В EME лунная
поверхность используется как отражающий рефлектор и радиосигналы посланные
к Луне возвращаются обратно к Земле с уровнем мощности чуть выше уровня
мощности шумов. EME , как и некоторые другие методики,
например метеорные радиосвязи ( MS ) или радиосвязь
с отражением от спорадических слоев Е , формы спутниковой
коммуникации - является большой проблемой для энтузиастов этих видов
радиосвязей. Так как приходится оперировать с крайними величинами - сигналами
на фоне шумов, высокими уровнями мощности передающих систем. Имеют значение
следующие компоненты станции WSC .
- Наличие антенны со сложным поворотным устройством
- Фидерная система
- Усилитель с низким уровнем шума ( LNA )
- Соединение со входом приемника
- Характеристики приемника
- Способность оператора распознать слабый сигнал в шумах
- Информация о точном местонахождении Луны на небосводе
- Получение высокой мощности от передатчика и передача
ее в антенну
- Частотная стабильность приемо-передающих устройств
- Возможность найти необходимые компоненты для построения
станции
- Хорошие знания по радиотехнике, компьютерной технике
и новым технологиям, например DSP (цифровая
обработка сигнала)
- Возможности по обслуживанию лунной станции
- Хороший сосед через дорогу, а лучше отсутствие соседей
вообще на возможно большем расстоянии от передатчика и собственный
земельный участок
- Для радиолюбителя необходим хороший компаньон
- Оценка собственного сигнала по эху от Луны.
Однако есть и хорошие новости. Существование мощных
станций дает возможность проводить менее оборудованным - радиосвязи
с ними! По ссылкам ниже можно ознакомиться с миром малых
сигналов :
Эхо тестовые
сигналы PA0EPD ( Bram, SM0FLY )
Интересная коллекция слабых сигналов
собранная EA6VQ
Радиоастрономия и Любительское
Радио
Требования предъявлямые к подобным любительским станциям,
во многом совпадают с таковыми к оборудованию радиоастрономов, станциям
проекта SETI. Поэтому эксперименты в данных смежных областях будут полезны
всем! Radio Science at Stanford
Для
экспериментов со слабыми сигналами , радиолюбительской службе доступны
различные диапазоны частот. От 1.8 МГц до 28 МГц, (а сейчас эти эксперименты
проводятся и на 136 кГц) - до микроволновых диапазонов длин волн. В
коротковолновых диапазонах несмотря на довольно высокие уровни сигналов
и легкость проведения радиосвязи, всегда существуют условия для исследования
слабых сигналов. Диапазон 50 МГц интересен его приверженцам тем, что
является универсальным для реализации практически всевозможных видов
радиосвязи, а значит и различных методик. К сожалению в России данный
диапазон не выделен радиолюбителям, однако никто не запрещал экспериментов
с мощностью передатчика в 10 мВт (практически безлицензионная мощность
для всех частот!). С повышением частоты появляются более благоприятные
условия для реализации космических радиосвязей.
Микроволновые диапазоны 1.2 ГГц и выше
очень быстро становятся востребованными в коммерческих приложениях. Ввиду
того, что данные диапазоны отданы радиолюбителям на вторичной основе,
это представляет угрозу потери любительских частот. И одновременно это
привлекательные частоты для развития любительской радиосвязи
с использованием слабых сигналов ( WSC ), лунной радиосвязи
( EME ), Радиоастрономии, проектов поиска внеземного
разума ( SETI ).
Очень низкие частоты . Новая часть спектра
частот, долгое время не использованная, а сейчас здесь проводятся эксперименты
с использованием передовых методик приема слабых сигналов. Мониторинг
сигналов маяков и радиосвязи с использованием медленного CW - очень интересная
область.
Радиоастрономия -
раздел астрофизики изучающей спектры радиочастот от самых низких до крайне
высоких 300 ГГц частот. Многие небесные тела в дополнение к видимому,
продуцируют излучение в радиодиапазоне. И служат источником шумов в различных
диапазонах. Изучение типов, численности и местоположения этих источников
радиоизлучения и формируют наблюдательную часть Радиоастрономии.
Радиоастрономия и Любительское радио
Любительская
астрономия стала популярной с появлением чувствительных приемников
и доступных антенн. Многие ее участники так или иначе связаны с любительским
радио в сфере слабых сигналов. Одни пришли в радиоастрономию из любительского
радио или наоборот.
Прект
SETI - поиск внеземного разума - наука о поиске разумных сигналов
от других Цивилизаций. Эта наука вызывает много споров в научных кругах.
Однако на наш взгляд напряженный поиск истины в этой сфере - развивает
передовые технологии обнаружения слабых сигналов. Вы можете найти много
информации по этому вопросу в научной литературе, в сети Internet.
Интересно прочитать материалы пионера SETI - David
W. Swift.
Использование большого количества небольших любительских WSC -
станций, вместе с большими сложными станциями в проекте SETI, дает надежду
на оправдание затраченных на исследования средств! Участники этого поиска естественным
образом интегрируются во всемирную компьютерную сеть (internet), вместе с заинтересованными
радиолюбителями.
Цифровая обработка сигналов (DSP)
Цифровая
обработка сигнала дает существенное преимущество перед аналоговыми
способами обнаружения слабых радиосигналов. Хотя аналоговая обработка
не потеряла актуальности и используются совместно с цифровой.
Появление мощных персональных компьютеров ( ПК )
и развитие DSP технологии
произвело прорыв в исследовании слабых сигналов. И время от времени использование ПК в
данной сфере вызывает жаркие споры. Очень мощные
многоканальные анализаторы спектра и системы распознавания образов
уже использутся в SETI . Все эти инструменты базируются
на цифровом анализе сигналов. В качестве примера можно привести ссылку
на программные многоканальные анализаторы
спектра , которые можно использовать в любительском SETI ,
для проведения метеорных радиосвязей ( MS ), наблюдения
за маяками Slow CW , приема сигналов EME .
Однако использование программных многоканальных анализаторов спектра
( MCSA ) не всегда позволяет уверенно принимать телеграфные
сигналы ( CW ), особенно на скорости более 5 слов в
минуту. Для этих задач более полезен цифровой
фильтр .
Надеюсь, что вы уже заинтересовались этими идеями. Новые
проекты базируются на DSP - технологиях, осваивается область сверхвысоких
частот (СВЧ).
Немного об антеннах. Антенна это первичный элемент воспринимающий
сигнал, и от его качество целиком зависит дальнейшая судьба полученного
сигнала. При наличие "плохой антенны" другим устройствам - даже самым
совершенным, просто нечего будет анализировать. Поэтому наличие хорошей
антенны важно в любых приложениях любительского радио. Наибольшее распространение
на СВЧ диапазонах получили параболические антенны. Кроме параболических,
существует много других проверенных конструкций антенн. Каждый тип антенны
имеет свое назначение и выбирается в зависимости от поставленных задач.
С примерами антенн можно ознакомиться по ссылкам ниже:
Источник:
EME, SETI, Radio
Astronomy, DSP and Radio Amateurs
|
