Активизация Палестины

...

EME Moonbounce Communication-начало работы

Земля-Луна-Земля EME Moonbounce связь является очень увлекательным аспектом любительского радио. Это самое раннее применение спутниковой связи на земле, когда-либо предпринятое радиолюбителями. Задолго до того, как вокруг нашей планеты был установлен первый искусственный спутник Земли, Луна использовалась для отражения радиосигналов от ее поверхности для установления связи между радиостанциями на земле. В отличие от искусственных искусственных спутников, которые вращаются вокруг Земли на относительно низких высотах, Луна является естественным спутником Земли, который имеет самую высокую известную высоту. Кроме того, искусственные спутники являются активными и несут транспондеры и ретрансляторы, в то время как Луна может выполнять только роль пассивного отражателя, что добавляет гораздо большие проблемы.

Успешные попытки отскока радиосигналов от лунной поверхности были предприняты в 1953 году, однако первая успешная двусторонняя связь была установлена в начале 1960-х гг. С тех пор радиолюбители со всего мира используют лунную поверхность для установления связи Земля-Луна-Земля (EME) Moonbounce. Более ранние контакты были сделаны используя низкоскоростное CW и большую антенну массивы приводились в действие передатчиком мощностью 1 кВт и более. Хотя EME Moonbounce был предпринят даже на диапазонах 10 м и 6 м, более практично и эффективно использовать диапазон 2 м (144 МГц) вплоть до 10 ГГц. С прогрессом в доступных технологиях и более новых методах модуляции, в наше время, эффективный moonbounce EME возможен с значительно меньшей силой и более малыми антенными системами. Например, установка 80W 70 cm (432 MHz), использующая около 12-15 dBi Yagi, хорошо работает для связи EME Moonbounce с использованием цифровых режимов, таких как JT65.

Давайте, шаг за шагом, рассмотрим различные проблемы, которые ставит EME Moonbounce и как их преодолеть.Некоторые из этих проблем включают в себя само расстояние между Землей и Луной, пассивное отражение от лунной поверхности, которое способствовало потерям, доплеровский сдвиг, затухание либрации, задержки Эха и временной разброс, смещение пространственной поляризации из-за кривизны Земли, космическую и Галактическую шумовую температуру и фоновый шум, ионосферные и атмосферные эффекты, такие как вращение Фарадея и Сцинтилляция и т. д.

Расстояние до Луны и ее проблемы

Упрощенное изображение типичного канала связи EME moonbounce

Первая и самая главная проблема EME moonbounce communication исходит из того факта, что расстояние между Землей и Луной огромно. Как правило, среднее расстояние составляет 384400 км. Из-за малого эксцентриситета лунной орбиты она варьируется от 363104 до 365696 км между периапсисом и апоапсисом. Следовательно, обратное расстояние сигнала между двумя точками на земле в два раза больше вышеуказанного и оказывается около трех четвертей миллиона километров.

Кроме того, лунная поверхность используется в качестве пассивного отражателя и, следовательно, из-за ее относительно низкого коэффициента отражения, который составляет всего около 0,065 (6,5%), она резко ослабляет компонент сигнала, который отскакивает от ее поверхности. Низкий коэффициент отражения во многом обусловлен поглощающими и рассеивающими характеристиками лунной поверхности. Давайте посмотрим, как это переводится в EME moonbounce контур потери пути.

В принципе, путь распространения является простой линией визирования (LOS) и, следовательно, сила сигнала следует закону обратных квадратов (1 / D ²). Однако, поскольку расстояние туда и обратно равно двум, плотность мощности сигнала на приемнике будет пропорциональна 1/D ⁴ .

Учет большого расстояния, коэффициента отражения лунной поверхности, размера Луны с точки зрения ее радиуса диска и длины волны (λ) сигнала в сочетании со свободным пространством LOS) уравнение затухания, которое мы объяснили в нашей статье VHF / UHF & свободное пространственное распространение, мы приходим к следующему уравнению, которое обычно определяет потерю пути EME moonbounce. На данный момент давайте предположим, что у нас есть Изотропные антенны на обоих концах схемы связи на земле.

 

где ... 

L (dB) - потеря свободного пространства EME с Изотропными антеннами.
η-коэффициент отражения лунной поверхности (0,065).
r-это радиус Луны (1.738 х 10 ⁶ метров.
D-это расстояние до Луны (3,844 х 10 ⁸ метров.

На основе приведенного выше уравнения можно рассчитать ожидаемые величины путевых потерь плотности мощности сигнала между двумя станциями на земле для любой полосы частот работы. Хотя вышеизложенное расстояние Земля-Луна (D) представляет собой среднее расстояние, несколько отличающиеся расстояния во время фазы периапсиса или апоапсиса лунной орбиты могут быть заменены для определения потерь пути в этих условиях. Однако, мы могли бы игнорировать его на данный момент, так как разница составляет всего около ±1.1 dB.

Поскольку контурные потери траектории изменяются как квадрат длины волны сигнала (λ), то было бы правильно заключить, что потери выше на более высоких полосах частот... вот некоторые из типичных значений потерь траектории Eme Moonbounce, вычисленных для двухсторонних схем на различных полосах частот.

• 50 МГц (диапазон 6 м) — -242,9 дБ
• 144 МГц (диапазон 2 м) — -252.1 дБ
• 432 МГц (диапазон 70 см) - 261,6 дБ
• 1296 МГц (диапазон 23 см) - 271,2 дБ
• 2304 МГц (диапазон 13 см) - 276,2 дБ

Является ли EME на более низких частотных диапазонах проще из-за меньших потерь?

Хотя, на первый взгляд, это может показаться правдой, на самом деле все обстоит как раз наоборот. Хотя это может показаться так из того, что мы рассчитали выше, что потеря траектории Eme Moonbounce составляет около 30 дБ меньше на полосе 50 МГц (6 м) по сравнению с потерей на полосе 1296 МГц (23 см), в реальных сценариях с использованием реальных антенн это оказывается прямо противоположным. Пожалуйста, помните, что наши вышеуказанные вычисления основаны на необработанных параметрах потерь пути с изотропными антеннами. Если мы теперь добавим влияние практических антенн к вышеописанному сценарию,общая тенденция чистых потерь пути имеет тенденцию к обратному развитию.

Как антенны изменяют вышеуказанную тенденцию? Давайте посмотрим...

До сих пор мы замечали, что величина потерь пропорциональна λ ² . Теперь предположим, что антенны на любом конце цепи должны были иметь одинаковый физический размер независимо от полосы частот. Это было бы особенно верно в случае параболических дифракционных антенн, которые мы часто используем. Это также было бы верно для других антенн, таких как Yagi и т. д., Если бы у нас были антенны аналогичного размера. Физический размер антенны практически определяет площадь водосбора антенны или то, что мы называем ее эффективной апертурой.. Сохраняя размер апертуры постоянным, если мы изменим частоту, мы обнаружим, что коэффициент усиления антенны изменяется как обратная длина волны сигнала (1/λ ² ). Следующее уравнение определяет соотношение коэффициента усиления антенны и длины волны для любой антенны с заданной апертурой.

 

Из приведенного выше уравнения (где A-апертура) мы находим, что при уменьшении длины волны (увеличении частоты) коэффициент усиления увеличивается как квадрат длины волны (λ). Это жизненно важный фактор.

Составные чистые потери пути после учета наличия антенн на обоих концах теперь становятся такими же, как при...

L _{путь (dB)} = L (dB) + G _T (dB) + G _R (dB)

В приведенное выше уравнение, так как коэффициент усиления антенны (г_т и Г_Р) и антенны внести с 1/λ²пропорциональности, в то время как в свободном пространстве потери компоненты вносят лишь один раз с λ², чистый эффект заключается в создании эффективной потерь в тракте, который реагирует на изменение длины волны 1/λ² (или proportinate до f²) Ответ.

Поскольку компонент потерь в свободном пространстве L (dB) является отрицательным значением, а коэффициент усиления антенны положителен, результатом приведенного выше уравнения является фактически получение меньшего отрицательного значения, которое указывает на более низкие общие потери пути, когда антенны на земных станциях с заданной апертурой (A) используются на более короткой длине волны или более высокой частоте... следовательно, дело в том, что чем выше полоса частот работы EME Moonbounce, тем меньше общие потери пути цепи.

Тем не менее, потери EME Moonbounce path довольно высоки, порядка -250 дБ, и поэтому представляют собой проблемы независимо от используемой полосы частот.
Доплеровский сдвиг в EME Moonbounce communication
Распознавание и понимание эффектов доплеровского сдвига, встречающихся в связи EME Moonbounce, довольно важно для оператора станции. Как и любая орбитальная спутниковая связь, непрерывное изменение относительного расстояния между орбитальным объектом и наземной станцией приводит к доплеровскому сдвигу. Однако в случае Eme Moonbounce, это не орбитальная Луна, которая является главным вкладчиком из-за очень медленной угловой скорости Луны по небу.

Другое изображение концепции Earth-Moon-Earth EME moonbounce показывает, как фоновые галактические источники шума видны антенне из-за гораздо более широкого угла луча, чем угол, под которым находится Луна.

Основной вклад в этот сдвиг вносит земля, которая вращается вокруг своей оси. Поверхностная скорость вращения Земли максимальна на экваторе, который составляет приблизительно 460 м / с. на более высоких широтах величина этой скорости постепенно уменьшается до теоретически нулевого значения на полюсах. 

Когда луна поднимается над горизонтом вращающейся Земли, доплеровский сдвиг максимален и постепенно уменьшается до нуля, когда Луна появляется над местным меридианом. После этого сдвиг меняет полярность и ведет себя как удаляющийся объект, когда Луна пересекает небо, пока она не опускается за горизонт. Луна всегда доступна для связи EME Moonbounce независимо от того, является ли она оптически видимой или нет, пока она физически находится в пределах прямой видимости. Не имеет значения, день это или ночь, полная луна или полумесяц или что-то еще.

Величина доплеровского сдвига меньше на более низких частотах и пропорционально выше на более высоких частотных диапазонах. Величина смещения также является функцией широты расположения земной станции и склонения Луны. Должный к отражательной природе связи Moonbounce EME, сдвиги столкнутые во время верхних и ухудшающихся ног путей сигнала добавляют для того чтобы произвести кумулятивный эффект. На полосе 2m (144 МГц) доплеровский сдвиг может составлять около 440 Гц, тогда как на полосе 23 см (1296 МГц) он может достигать 4 кГц. Прежде всего, можно было бы склониться к мнению, что сдвиг не так уж велик и, следовательно, не может представлять проблем.

Однако связь EME Moonbounce, в отличие от обычного спутникового радио, не использует (или не может использовать) роскошь более широких диапазонных режимов связи, таких как FM или SSB радиотелефонная связь.Должный к колоссальным потерям пути, практически деятельность EME ограничена к узкополосным режимам как QRS CW или цифровым режимам как JT65, etc. Пропускная способность обнаружения, необходимая для связи, очень узка. Он может варьироваться от нескольких герц до нескольких десятков Герц. EME Moonbounce доплеровский сдвиг, даже если не слишком много по величине становится значительным по отношению к ширине полосы обнаружения приемников. Оператор станции EME должен был бы держать узкое окно обнаружения приемника непрерывно настроенным на сигнал сдвига, иначе связь не будет работать.
Задержки Эха, распространение времени и затухание либрации
Напомним из предыдущей части этой статьи, что лунная орбита вокруг Земли немного эксцентрична, что приводит к слегка эллиптической орбите. Разница в расстоянии между апоапсисом и периапсисом составляет приблизительно 2592 км при среднем расстоянии 384104 км. Из-за этого и кругового движения расстояние вдвое больше, радиосигналы движутся со скоростью света (3 х 10 ⁸ m / sec) требуется около 2,56 сек, чтобы быть полученным обратно на землю. При Апопсисе и Периапсисе лунной орбиты необходимое время составляет 2,4 и 2,7 сек соответственно. Это известно как задержка Эха Eme Moonbounce.

Временной Разброс

Временной разброс отраженного сигнала обусловлен неравномерным обратным расстоянием от лунной поверхности из-за неравномерности ее поверхности.

Поверхность Луны физически не является гладкой и сферической по своей природе. Луна наделена кратерами по всей своей поверхности. Поэтому точное расстояние между точкой на земле и Луной изменяется очень незначительно в зависимости от точки измерения на лунной поверхности и глубины кратеров и других физических особенностей Луны. В результате этого сигналы, отражающиеся от лунной поверхности, могут возникать из места, которое может находиться на глубине кратера или в другом месте. Множественные лучи, которые отражаются назад, будут иметь немного более короткие или более длинные расстояния пути до земли. Это производит влияние Время распространения сигналов, отражающихся от Луны. Одна и та же часть радиосигнала вернется на землю в несколько иное время. Разница во времени может составлять несколько миллисекунд из-за отражения от другой точки Лунной поверхности.

Вследствие эффекта временного распространения сигналов EME Moonbounce невозможно установить безошибочную связь при высоких скоростях передачи данных. Межсимвольное расстояние между битами данных (как CW, так и Digital) начнет сливаться и перекрываться. Следовательно, для эффективной и надежной связи важно поддерживать медленные скорости передачи данных, чтобы преодолеть неблагоприятные последствия разброса времени отраженного сигнала. Приведенная выше неравномерность лунной поверхности также приводит к возникновению другого явления, называемого затуханием либрации. Это похоже по своей природе на хорошо известное многолучевое затухание или затухание роли, которое так часто наблюдается в случае различных типов подвижной автомобильной наземной связи. Многократные пути отраженного сигнала от лунной поверхности в сочетании с относительной скоростью за счет лунной орбиты и вращающейся Земли приводят к непрерывному сдвигу фаз различных компонентов сигнала, достигающих приемника на земле. В зависимости от изменяющихся фазовых сдвигов амплитуда сигнала постоянно изменяется, создавая эффект затухания.

Скорость этого затухания либрации изменяется в зависимости от положения Луны на небе. Как правило, скорость затухания медленнее, когда Луна находится рядом с горизонтом, и становится максимальной, когда Луна приближается к местному Меридиану. Из-за слабой природы сигналов Eme Moonbounce необходимо эффективно управлять эффектами затухания либрации для поддержания надежности связи. Более быстрые тарифы данных (тариф символа) приводят к в больших ошибках связи. Чем медленнее скорость передачи данных, тем лучше способность договариваться о неблагоприятных последствиях затухания либрации. Более длиннее время внедрения позволяет смягчению более быстрых увядая влияний.

Coherant Time

В нижних частотных диапазонах, таких как 2m, скорость затухания довольно медленная, и она может циклически изменяться в течение нескольких секунд, в то время как на более высоких частотах, таких как 23 см или выше, затухание может происходить со скоростью несколько раз в секунду. Время между затуханиями определяет то, что мы называем когерентным временем. Должно к более длиннему когерентному времени на диапазоне 2m, более соответствующе для нормального CW пока будет довольно трудно поддерживать герметичность сигнала для копировать CW на диапазоне 23 cm и более высоко. Однако современные цифровые режимы модуляции, такие как JT65 со встроенной избыточностью, коррекцией ошибок, многочастотным форматом и т. д., способны преодолевать эффекты интенсивного затухания либрации даже на более высоких диапазонах СВЧ.
Поляризационные эффекты, обусловленные отражениями EME
В целом, в полосах частот УКВ/УВЧ, таких как 2 м или 70 см, линейно поляризованный сигнал, отраженный от лунной поверхности, сохраняет свою поляризацию. Например, горизонтально поляризованный сигнал с Земли вернется обратно на исходную станцию с горизонтальной поляризацией после времени задержки Эха. Однако циркулярно поляризованные сигналы обратят свой поляризационный смысл. Сигнал RHCP вернется как LHCP и наоборот. Поэтому, хотя и верно, что круговая поляризация W2, как правило, испытывает меньшее затухание, станции, использующие циркулярно поляризованные антенны, должны знать об этом и должны учитывать реверс поляризации.

Если бы мы проводили ЭМП Moonbounce на более высоких микроволновых частотах, мы сталкиваемся с другим явлением. Величина этой неравномерности лунной поверхности проявляется по-разному на разных длинах волн радиочастоты. Из-за отсутствия лучшего разрешения на более длинной длине волны (более низкой частоте), Луна кажется гораздо более гладкой, чем то, как она выглядит для сигнала с более короткой длиной волны (более высокой частотой). На частоте 5-10 ГГц лунная поверхность выглядит очень шероховатой и неровной, что приводит к явлению деполяризации из-за того, что Луна появляется как электрический более грубый и неровный отражатель. Отраженная мощность плотность энергии распределяется более равномерно по различным углам поляризации. Таким образом, сигнал, принимаемый обратно на Землю, может быть достаточно адекватным при использовании линейных поляризованных антенн, поскольку рассогласование поляризации приемной антенны может не приводить к получению очень глубоких нулей. Конечно, существует общее -3 дБ дополнительное ослабление из-за этого фактора.
Смещение пространственной поляризации на Земле из-за кривизны поверхности
Поляризация сигналов EME Moonbounce, полученных обратно в удаленном месте на Земле, страдает от эффекта пространственного поляризационного смещения, полученного из-за кривизны Земли. В СВЧ-диапазоне частот вследствие деполяризации лунного отраженного сигнала, как мы обсуждали выше, эффект пространственного поляризационного смещения менее заметен, поскольку хаотично поляризованные сигналы со всеми углами поляризации достигают приемной антенны.

A graphical representation of spatial Polarization Offset experienced between two ends of an EME radio link.

Однако при УКВ или УКГЧ смещение пространственной поляризации становится довольно значительным фактором. Это дополнительно усугубляется эффектами вращения Фарадея, вызванными транс-ионосферным путешествием, совершаемым сигналами EME, когда они проникают в ионосферу как во время ее восходящего, так и Нисходящего прохождения.

Скажем, что в определенный момент времени станция EME, которая находится где-то с Луной, выровненной с ее местным меридианом. Если горизонтально поляризованный сигнал от этой станции EME отражается от лунной поверхности, он будет казаться горизонтально (или вертикально) поляризованным на любой другой станции вдоль того же меридиана. Однако из-за кривизны Земли поляризация принимаемого сигнала будет различной по разным меридианам. Например, если станция RX продольно смещена на 45°, то произойдет дезориентация поляризации на 45°, испытываемая антенной приемной станции. Наихудший сценарий будет иметь место, когда местоположение приемной станции имеет смещение меридиана 90°, потому что сигнал, полученный этой станцией, будет испытывать изменение поляризации на 90°. Другими словами, хотя передающая станция EME передала горизонтально (или вертикально) поляризованный сигнал, станция RX при смещении меридиана 90° получит вертикально (или горизонтально) поляризованный сигнал.

Хотя я привел пример смещения меридиана,смещение поляризации может происходить и с другими широтами. Это будет зависеть от продольного положения Луны по отношению к передающей станции. Кроме того, может возникнуть сложный эффект продольного (меридианного) смещения, а также смещения широты.

Вышесказанное было бы верно, если бы не было ничего другого, что могло бы повлиять на изменения поляризации. Однако это не совсем так. Сложность ситуации усугубляется тем, что вращение Фарадея, которое добавляет к поляризационному рассогласованию еще больше. Кроме того, величина вращения Фарадея является непредсказуемой переменной величиной.

Для преодоления неопределенности ориентации линейно поляризованных сигналов, поступающих в приемник во время связи EME Moonbounce, антенны часто устанавливаются в виде скрещенных Яги с переключателем поляризации или устройством поляризационного разнесения. Такие схемы гарантировали бы, что потеря поляризационного рассогласования никогда не могла бы быть больше -3 дБ, что эквивалентно максимально возможному рассогласованию на 45°. Дополнительная маржа потерь в 3 дБ учитывается при расчете бюджета канала EME Moonbounce circuit.

Временами может возникнуть довольно сложная ситуация из-за комбинированного эффекта вращения Фарадея и смещения пространственной поляризации, в результате чего связь может быть возможна только в одном направлении, в то время как обратное звено может выйти из строя. Если пространственное смещение в одном направлении равно +45°, то это смещение будет равно -45° для обратной связи. Теперь, если вращение Фарадея должно было быть +45deg; (применимо в обоих направлениях), то связь в одном направлении будет страдать +45 -45 = 0° сдвигом поляризации, в то время как в другом направлении она будет -45 -45 = -90° сдвигом, таким образом, приводящим к отсутствию копии. Различные специфические комбинации могут возникнуть, чтобы создать проблемы для EME Moonbounce связи. Мы оставим это на данный момент и рассмотрим эти явления более подробно в отдельных статьях и сообщениях на этом веб-сайте.
Тропоферическое и Ионосферное воздействие на EME Moonbounce
Как тропосфера (нижняя часть атмосферной метеорологической системы), так и ионосфера играют определенную роль в связи EME Moonbounce. Квант этих эффектов изменяется в зависимости от используемой полосы частот. В спектре УКВ/УВЧ тропосферные эффекты меньше, но ионосфера играет значительную роль. С другой стороны, на микроволновых частотах за пределами 1 ГГц, роли меняются местами, где тропосфера становится главным фактором влияния, в то время как ионосфера постепенно отступает на задний план.

Тропосферные эффекты

Панель програмного обеспечения WSJT показывая Doppler цепи EME и ухудшение соединения вместе с в реальном масштабе времени параметрами положения Az/El от QTH оператора.

Когда Луна находится на более низких углах возвышения вблизи горизонта, изгиб радиоволн из-за тропосферной рефракции часто довольно заметен на УКВ/УВЧ и СВЧ-частотах. Усиленные эффекты тропосферного градиента показателя преломления из-за условий тепловой инверсии в нижних слоях атмосферы часто приводят к сверхрефракции, канализации сигналов и аномальному изгибу тракта радиосигнала. Иногда из-за сверхрефрактивного изгиба может быть получена Луна, которая может быть немного ниже горизонта, и могут быть получены сигналы. Однако эти условия могут быть слишком суровыми для установления эффективной связи из-за низкой высоты и, следовательно, большего шума. Этот низкий шум высоты может быть вызван либо теплой и шумной землей, либо может иметь искусственное происхождение.

Более высокая величина шума на малых углах возвышения может быть ограничивающим фактором при УКВ/УВЧ, тогда как в микроволновой области поглощение сигналов из-за деревьев, листвы и зданий может стать довольно значительным.

Рассеяние и поглощение радиоволн в микроволновом сегменте часто становятся существенными. Это увеличивает с атмосферическими поллютантами, частицами пыли, etc таким образом способствуя к амортизации сигнала. Капли дождя могут еще больше ослабить микроволновые сигналы, что делает связь EME нестабильной или даже неработоспособной.

Ionospheric effects

Хотя затухание сигнала из-за транс-ионосферного распространения не является очень значительным на 2m УКВ или более высоких частотных диапазонах, ионосфера может модифицировать распространение сигнала несколькими способами, вызывая проблемы, особенно в области УКВ/УВЧ.

Помимо вращения Фарадея, которое мы уже обсуждали, ионосферный изгиб радиоволн, проникающих в него, является фактором, который становится более заметным при малых углах падения. Поэтому, когда Луна находится на низкой и средней высоте над горизонтом, изгиб ионосферы может привести к появлению сигналов на наземной станции Eme Moonbounce с направления, которое может отличаться от визуального направления Луны. Кроме того, это направление сигнала может быть нестабильным и может иметь тенденцию мигать, что приводит к быстрому затуханию сигнала или частичной потере. Этот эффект будет более выраженным при УКВ по сравнению с УВЧ или микроволновой печью.

Еще один примечательный эффект, который влияет на цепь Eme Moonbounce, известен как ионосферная Сцинтилляция. Ионосферные сцинтилляции (сродни мерцанию звезд) могут играть значительную роль в УКВ и УВЧ, в первую очередь на ЭМП-трактах, проникающих в ночную геомагнитную экваториальную зону или полярные области. Эффект сцинтилляции имеет тенденцию усиливаться во время нарушенных ионосферных условий, которые обычно происходят во время выброса корональной массы (CME) с Солнца и более часты в течение более активной части 11-летнего солнечного цикла. Многолучевой временной разброс очень мал, меньше микросекунды, в то время как частотный разброс и скорость затухания могут быть в долевых герцах до нескольких герц. Эти сцинтилляции могут увеличить скорость затухания, вызванную вращением Земли и лунными колебаниями.

Эффекты, вызванные транс-ионосферным проникновением, более подробно обсуждаются в моей статье о распространении космической радиосвязи . Пожалуйста, проверьте это.
Источники шума как ограничивающие факторы для EME

Типичный сигнал EME над полом шума на диапазоне 23 cm (1296 MHz) показанном на объеме диапазона и дисплее водопада.

Преобладающий шум в канале связи неизменно является определяющим фактором, определяющим предельный порог его слабой сигнальной способности. Это справедливо для любой формы системы связи. В обычной жизни мы часто склонны принимать это как должное, потому что обычно уровни сигнала значительно сильнее для большинства сценариев. Однако режим EME moonbounce любительской радиосвязи, безусловно, является исключением. Из-за экстремальных потерь пути, связанных с EME, и ограниченных ресурсов, доступных радиолюбителям, тщательное понимание шума цепи EME имеет жизненно важное значение для использования нашей способности использовать его для достижения выполнимых решений.

В принципе, уровень принимаемого сигнала должен быть больше, чем общий шум, чтобы произвести положительный SNR. В противном случае связь может оказаться невозможной. Шум может исходить из нескольких источников, и их совокупный эффект играет вверх как избыток спорта. Шум агрегируется по полосе пропускания канала (полосе обнаружения) и увеличивается или уменьшается пропорционально этой полосе пропускания. Поэтому величина шума часто характеризуется как мощность шума на единицу полосы пропускания (P _n / Гц), где P _n-мощность шума. Это называется плотностью мощности шума.

Другим способом обозначения величины шума является указание ее в качестве температуры шума. Это удобный метод, используемый при работе с системами EME Moonbounce. Причина заключается в том, что многие из источников шума EME являются либо галактическими, либо происходят из больших небесных тел, таких как Солнце, Земля, Луна или межгалактическое пространство. Шум, возникающий из этих источников, традиционно лучше всего определяется их шумовыми температурами. Шумовая температура таких источников изменяется в зависимости от полосы частот. Эти небесные объекты могут казаться теплее или холоднее на различных участках электромагнитного спектра.

Мощность шума (P _n) и температура шума (T) имеют математическую зависимость и, следовательно, могут быть преобразованы из одного в другое с помощью следующего уравнения.

 

Где же...

P _n = мощность шума в дбвт.
k = 1.38 x 10 ^-23 (Константа боцмана в джоулях/Кельвине).
T = температура в °к (Кельвин).
B = пропускная способность В Гц.

Давайте теперь кратко рассмотрим различные источники шума, которые вносят свой вклад в шум системы связи EME.

Receiver Front-end hardware noise

Радиоприемник, используемый для связи EME Moonbounce, генерирует конечное количество шума за счет протекания тока через различные электронные компоненты. Шум, вносимый передними конечными каскадами приемника, играет наиболее значительную роль, в то время как следующие каскады играют все меньшую роль. Таким образом, передний предусилительный каскад в первую очередь определяет общую шумовую характеристику хорошо спроектированного приемника. В настоящее время очень малошумные, высокопроизводительные полупроводниковые приборы, использующие арсенид галлия (GaAs) или транзисторные транзисторы с Гиперэлектронной подвижностью (HEMT), обеспечивают современные приемники с низким уровнем шума, который хорошо распространяется в СВЧ-области.

Как правило, производительность шума радиоприемника определяется как его коэффициент шума (NF) в дБ. Чем ниже NF, тем лучше его способность работать в условиях слабого сигнала. Однако внешний шум, принимаемый антенной от различных посторонних источников шума, которые добавляют к общему шуму, как правило, является ограничивающим фактором. Поскольку внешние шумы от атмосферных, галактических и небесных источников шума обычно определяются в терминах шумовой температуры, обычно удобно преобразовать показатель шума приемника в эквивалентную шумовую температуру с целью вычисления величины составного шума. Приемник NF преобразуется в шумовую температуру с помощью следующего уравнения.

T _r = 290(10 ^NF/10-1) 

Где же...

T _r = температура шума приемника в °K. 

Общая шумовая температура системы (T _s ) может быть определена путем добавлять T _r к совокупности помех от внешних источников на входе антенны, которая обозначается как Т _а .

T_s = T_r + T_a 

После этого общий составной шум, связанный с входным сигналом приемника, может быть легко преобразован обратно в входную мощность шума RX, используя ранее приведенное уравнение.

P_n = 10Log(kT_sB) 

Как только общая мощность шума, ожидаемая на входе приемника, известна, требуемая мощность передатчика и антенные усиления, необходимые для установления жизнеспособной линии связи EME, могут легко быть вычислены на основе полной потери пути и желаемого SNR на приемнике.

Радиоприемник EME NF около 1,0-1,2 дБ является адекватным для диапазона 144 МГц EME из-за гораздо более высоких антенных помех от галактических источников, однако, для таких полос, как 70 см, 23 см и т. д., RX NF по крайней мере 0,5-0,6 дБ обычно лучше для достижения адекватной слабой производительности сигнала. Современные малогабаритные полупроводниковые приборы делают это вполне возможным и находятся в пределах досягаемости радиолюбителей.

Антенный шум от посторонних источников

Основная часть шумового вклада от посторонних источников, которые играют в сценарии связи EME Moonbounce, поступают из нескольких естественных источников. Как мы уже упоминали ранее, Квант шума от таких источников зависит от частоты.

Ухудшение связи EME, наблюдаемое в полосе 2m (144 МГц) в январе 2020 года. Желтая кривая показывает изменение расстояния из-за эксцентриситета лунной орбиты, синяя кривая показывает изменение склонения, а красная кривая показывает кумулятивный эффект деградации связи в dB в течение месяца.

Например, галактический шум выше по величине на более низких частотах, таких как диапазон 2 м или 70 см, который постепенно уменьшается по мере увеличения частоты. С другой стороны, атмосферный шум и шум теплого тела от Луны и других небесных тел увеличиваются с частотой и часто становятся доминирующим фактором в области СВЧ (ГГц). Общий уровень шума обычно минимален в диапазоне 23 см (1296 МГц).

Лунная фаза, ее положение в небе, ее орбитальное склонение, ее положение в апогее/перигее и т. д. также влияют на общую потерю пути и величину композитного шума на антенне EME приемной станции. Эти эффекты более заметны на более низких частотах, таких как 2m (144 МГц). Квант деградации канала связи следует периодическому циклу, зависящему от вышеуказанных факторов, и эта закономерность повторяется каждые 27,3 дня, что соответствует периоду лунного месяца. Орбита Луны наклонена относительно орбитальной плоскости Солнечной системы. Этот фактор в сочетании со склонением земли приводит к орбитальному склонению Луны относительно Земли. В результате получается, что Луна проходит по нашему небу на разных широтах в разные дни лунного месяца. Максимальный размах его склонения составляет ±28,7° относительно Земли.

В силу вышеприведенных причин различаются также фоновые небесные тела и источники галактического шума, которые появляются за Луной в разные дни. В определенные дни с определенным лунным склонением на лунном фоне могут появляться более сильные источники шума из нашей галактики (Млечный Путь). В результате чего величина антенного шума (особенно на 144 МГц и низких частотах) приемника стала бы значительно выше, чем в другие дни. Мы называем это деградацией цепи EME. Во время пиковых дней деградации, чистое снижение SNR может пострадать на целых 12-13 дБ или более. Из-за ограниченности ресурсов многие любительские станции EME moonbounce, которые предназначены для работы с ограниченным запасом SNR, не смогут установить контакты EME в эти дни. Как правило, 4-5 дней, каждый лунный месяц будет производить неприемлемо высокие деградации. Так же, как для работы со спутниками LEO используется различное программное обеспечение для прогнозирования спутникового прохода, существует несколько программ отслеживания Луны, доступных радиолюбителям для прогнозирования оптимальных условий эксплуатации EME и дней. Это облегчает жизнь для операторов EME Moonbounce.
Указатель для установки любительской Эми-станции
В этой статье, не вдаваясь в детали создания любительской радиостанции EME, я кратко перечислю некоторые важные факторы, которые необходимо иметь в виду. Однако я представлю подробную информацию о настройке и работе EME Moonbounce earth station в последующих статьях в этом разделе нашего веб-сайта.

Традиционно, на протяжении последних десятилетий, CW в основном использовался для проведения любительских EME-коммуникаций. Из-за ограничений, создаваемых современными технологиями, обычно требовались более высокие уровни мощности TX, а также более крупные антенные решетки. Такая установка обычно была вне досягаемости большинства радиолюбителей. Однако с развитием технологий, как с точки зрения доступного оборудования, так и с точки зрения узкополосных методов цифровой модуляции, таких как JT65 и т. д., Теперь радиолюбителям стало относительно легко осуществлять связь EME с ограниченным бюджетом и ограниченными требованиями к недвижимости.

Позвольте мне представить несколько советов о том, как начать работу с EME Moonbounce, не нарушая банк и действуя из ограниченных космических объектов.

Вот список из нескольких важных маркированных точек для справки…

• Цель для установки станции для диапазона 2m или 70 cm. 23 см также могут быть осуществлены с некоторым дополнительным оборудованием.
• Стандартный приемопередатчик любительского радио который может положить вне 80-100W на диапазон интереса.
• Используйте малопотертый коаксиальный кабель для подключения антенны, такой как LMR400 или лучше.
• Установите малошумный предусилитель с 0.5-0.8 dB NF на входной точке anteena.
• Используйте хотя бы 10-12-элементную антенну Yagi с длиной стрелы 2-3 λ.
• Будьте предельно осторожны, чтобы убедиться, что антенна имеет минимально возможные боковые лепестки и другие паразитные лепестки, даже если это может означать незначительно более низкий коэффициент усиления.
• Чистый узор лепестка обеспечит минимальный прием шума от теплой земли и других искусственных источников шума на низком угле возвышения.
• Хотя там будет небольшое увеличение уровня шума на низких углах возвышения, но это будет полностью компенсировано усилением Гундов из-за земли.
• Чтобы позаботиться о вращении Фарадея и смещении пространственной поляризации, используйте конфигурацию антенны Crossed-Yagi (X-pol) с переключателем поляризации.
• Приведенная выше схема гарантирует, что рассогласование поляризации на вашем приемнике никогда не превышает 45° и потери меньше -3 дБ во все времена.
• Предпочтительно использовать держатель вращателя Az / El с электрической отслеживая возможностью. Достаточно было бы также установить его вручную с возможностью поворота.
• Настройте трансивер для работы с компьютером, на котором запущена такая программа, как WSJT.
• Установите программное обеспечение для отслеживания Луны на вашем компьютере, чтобы не только отслеживать Луну, но и находить лучшие дни работы с минимальным ухудшением SNR.

EME Moonbounce, в конце концов, не так устрашающе, как это может показаться на первый взгляд. Конечно, есть несколько проблем, но радиолюбитель, который готов экспериментировать, найдет это вполне полезным. Я бы предложил новичку в EME начать с минимальной установки, которую я предложил выше. По мере того как одно приобретает больше опыта, одно смогло расширить основную установку и добавить больше пунша к станции. В какой-то момент можно было бы также поэкспериментировать с более сложной установкой LINRAD для адаптивной компенсации поляризации и многое другое. О компании LINRAD EME Setup мы поговорим в отдельной статье.