Намедни тут затронули вопрос помеховой обстановки в крупном городе и перспектив радиоастрономии там же. Братишки, я вам немного помех покушать принес.
Предполагается, что целевая аудитория поста знакома с физикой на уровне полного среднего образования.
Чтобы оценить масштаб того трэша, который творится в эфире, достаточно просто включить соответствующий прибор - спектроанализатор. Анализатор делит заданный участок (здесь - от 10 до 4 ГГц) на кусочки (здесь - по 150 КГц) и измеряет средний уровень мощности в каждом из этих кусочков, выводя спектрограмму. На вход анализатора нужно поставить хоть какую-нибудь нормальную антенну, да хоть кусок проволоки. Хотя нет, кусок проволоки не надо, можно убить статикой входные цепи анализатора. Антенну от LPD-рации (433 МГц) можно.
читать дальше
Здесь у нас все - и радио, и ТВ, и базовые станции мобил, и строители-охранники с их рациями.
Что характерно - антенна хоть и рассчитана на свой, сравнительно узкой, диапазон, но исправно гребет массу всякого сверх того.
Что все это означает с точки зрения мощности? Обратим внимание на маркер с функцией измерения мощности в диапазоне. На свободном от помех (хотя это не совсем так, о чем ниже) участке шириной 400 МГц и центральной частотой 3.138 ГГц у нас намеряется -70 дБм (10^-7 мВт) фонового шумового сигнала. В радиоастрономии полезный сигнал, кстати, сидит под этими шумами, имея на порядок меньшую величину, чем шумы лучшего приемника с антенной и атмосферой.
А если захватить тем же диапазоном какой-нибудь участок с помехой?
Вот так-то. -54 чертовых дБм.
Иными словами - жалкая узкополосная помеха вбрасывает мощность в сорок раз большую. 98% принимаемой мощности проходится на помеховый сигнал.
Изучая помехи на экране анализатора нужно также иметь ввиду:
1) Рассматривая спектр более подробно (= увеличивая частотное разрешение анализатора), из-под фона будет вылезать новый лес.
2) Анализатор - приемник безусловно хороший. Но радиотелескопы - порядка на два лучше с точки зрения внутренних шумов. А значит... правильно, помех вылезет еще больше.
Вот так это выглядит в виде временной развертки сигнала. Здесь брались "куски" шириной 1 ГГц в диапазонах 3-4 ГГц, 4-5 ГГц и т.д. По горизонтальной оси время (примерно минута на "кусок", потом диапазон переключается), по вертикальной - мощности сигнала, пропорциональная градусам Кельвина шумовой температуры (К).
"Ступенька" посередине куска - калибровочный сигнал величиной около 100 К.
Самый ядреный источник, не считая звезды по имени Солнце - это Луна, 200-300 К.
"Нормальный" источник - порядка 10 К.
Реально ли различить источник на таком фоне?
НЕТЪ.
Что же делать?
1) Не надо просто наводить антенну куда не надо!
Да, антенны в радиоастрономии огромные и узконаправленные. Но есть любой антенны есть такая неизбежная вещь, как боковые лепестки диаграммы направленности. То есть - сильно с краю она тоже сигнал принимает, правда на два-три порядка хуже. С учетом мощностей помех и чувствительности аппаратуры - для порчи сигнала хватит.
2) У нас будут другие частотные диапазоны!
А как их, сосбна, ограничить? Входная цепь приемника в идеале состоит из антенны и усилителя, от антенны в первую очередь требуется диаграмма направленности, от усилителя - усиление. Обеспечить еще и частотную избирательность - задача ну очень нетривиальная. Поэтому входные цепи обычно перекрывают заведомо более широкий диапазон, а фильтрация ведется уже на других устройствах.
Мощный же сигнал помехи может
- вызвать интермодуляционные искажения. Это когда на выходе усилителя вы начинаете видеть удвоенные (утроенные, учетверенные и т.д.) частоты помехи. Откуда у нас помеха на 5.4? А это третья гармоника от GSM1800!
- "вогнать усилитель в компрессию". Снижается коэффициент усиления со всеми вытекающими.
- сжечь усилитель нафиг. Если не задаваться целью, этого все же не происходит.
Почему не поставить фильтр перед усилителем? А потому что любые потери сигнала (а пассивный фильтр в принципе не может не вносить потерь) перед первым усилителем резво гробят общую шумовую температуру системы.
Частично работающий метод - переходить на более высокие частоты. Однако стоимость аппаратуры растет в геометрической прогрессии, а излучающий ширпотреб тоже не стоит на месте.
3) Свалить от города подальше!
Частично работающий способ. Есть на другом конце планеты охранная зона Грин Бэнк где мобилы прочно забанены и живут люди с ЭМ-гиперчувствительностью. Создать такую зону для каждого телескопа?
Чтобы построить обсерваторию нужна инфраструктура - дороги, тепло, электричество, интернет.
Уединенный уголок с готовой инфраструктурой? Да там же рядом можно курорт влепить!
Курорт это люди. Людям нужна связь.
Ну, вы поняли.
А еще курорт это хорошие деньги.
4) Нужно что-то сделать с выходным сигналом!
Еще один частично работающий способ. Потому что сделать "что-то" с выходным сигналом можно в том случае, если он представляет собой что-то осмысленное. А если помехи перегрузили усилители и выходной сигнал соответствует постоянному максимальному уровню зашкаливающего измерителя - математика тут бессильна.
5) Да здравствует корреляционная обработка!
Воистину так. Ибо если пронаблюдать одно и то же с разных телескопов в весьма разнесенных точках, а потом взаимно обработать эти сигналы, то все, что этих телескопах разное (некоррелированное) - от аппаратурных особенностей до помеховой обстановки - будет умножено на ноль.
---
Что я хотел всем этим сказать?
Что если вы житель мегаполиса и хотите стать радиоастрономом-любителем или просто радиолюбителем, то путь ваш будет долог и тяжек. Нельзя просто взять "Буфенг" и услышать передачи с МКС.
Но трудно - не значит невозможно.
Stay tuned.
73.