Коммуникация с использованием слабых сигналов

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:

• 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, K6MYCTaylor 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:

Параболические антенны

• From a short visit to NW of Boston on a Sunday morning
• The 30ft Dish Antenna by Grote Reber (W9GFZ) in Wheaton, Illinois US
• The Rotary Array by Karl Jansky at Bell Labs in Holmdel, New Jersey US
• The 40 Foot "Little Big Horn" at GreenBank for Cassiopeia A Reference Power Measurements
• The Parabolic Hor n used by Robert W. Wilson PhD and Arno Penzias PhD in their Nobel Price winning work on the Background Noise Temperature
• The Scientists are checking the Horn Surface and Discussing the results
• The Parabolic Horn constructed by PA0AVS in Zeist, The Netherlands
• The author of these pages has always had a great interest in Dish Antennae
• The 32 ft stressed Dish at W6/PA0ZN (1983), it got destroyed in a Santa Ana Storm
• Another View of the old Dish
• Not just Radio Amateurs lose their Antennas, the 300 ft Dish at Greenbank, WVA
• An idea for a future 10.8 m Offset Feed Reflector at W6/PA0ZN. Plans call for 1999 finish
• More about Offset Reflectors
• Let's до to KP4 land and Admire a Great Installation
• From a visit to Goldstone, the new Beam Wave Guide Antenna
• The Radio Astronomy systems get bigger Interferometers in Radio Astronomy
• An Interferometry Project Directed by W3IWI
• The biggest system so far
• More on Space Based VLBI

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