Радиосвязь с использованием слабых сигналов

EME, SETI  и Радиоастрономия - различные формы одного явления
- коммуникация с использованием слабых сигналов!

Радиосвязь 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?
   Радиосвязь 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:

Шум неба
 Шум антенны, потери в кабеле снижения и шум приемника
 Шум на частотах выше 400 МГц по данным AA7FV/G3SYS
 Шум луны на частоте 11 ГГц, измеренный OH2AUE
 Шум луны на частотах более 11 ГГц
 Шум луны на частоте 90 ГГц по данным (AA7FV/G3SYS et al)

   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:

Пароболические антенны

Interferometers in Radio Astronomy

Источник:
EME, SETI, Radio Astronomy, DSP and Radio Amateurs

 

перевод: А. Анкудинов
ua3vvm