Betekenis van zend- en ontvang informatie op eyes.nasa.gov

[Benm]

Ik vind het toch een lastige: Als we stellen dat de temperatuur van de schotel niet belangrijk is, dan is te temperatuur van een stukje grond -naast- de schotel ook niet belangrijk. Het is niet dat de thermische ruis van het schoteloppervlak het LNB niet bereikt, maar het is gewoon relatief weinig energie (oppervlakte van de schotel is minien ten opzichte van het 'oppervlak in de ruimte' dat je bekijkt).

De perfectie van de schotel is natuurlijk wel van belang, als dat onvoldoende is komt gewenst signaal naast het LNB terecht, of potentieel erger, ongewenst signaal dat elders uit de ruimte komt er juist in.

Wat die halfgeleiders betreft: Het is inderdaad correct dat de ruis die ze ZELF produceren 20 dB zal dalen bij koeling van 300K naar 3K. De vraag is alleen hoeveel die ruis is in verhouding tot het signaal. Je wint dus lang geen 20 dB SNR door dat koelen, tenzij de ruis van de transistors de grootste bron van ruis is.

Het noise figure is het verschil in SNR voor en achter een versterker (alles in dB's). Bij een typische consumentenschotel ben je dus 3 dB SNR kwijt als gevolg van het LNB, maar beter dan 0 wordt het nooit.

[Olof Bosma]

Ik vind het toch een lastige: Als we stellen dat de temperatuur van de schotel niet belangrijk is, dan is te temperatuur van een stukje grond -naast- de schotel ook niet belangrijk...
 
Wat die halfgeleiders betreft: Het is inderdaad correct dat de ruis die ze ZELF produceren 20 dB zal dalen bij koeling van 300K naar 3K. De vraag is alleen hoeveel die ruis is in verhouding tot het signaal. Je wint dus lang geen 20 dB SNR door dat koelen, tenzij de ruis van de transistors de grootste bron van ruis is.

Het noise figure is het verschil in SNR voor en achter een versterker (alles in dB's). Bij een typische consumentenschotel ben je dus 3 dB SNR kwijt als gevolg van het LNB, maar beter dan 0 wordt het nooit.

 
Ik heb uit tamelijk eerste hand begrepen dat bij het gebruik van gekoelde ontvangers er een grens is aan de frequentie waarvoor de schotel bruikbaar is: namelijk tot de frequentie waarbij de mazen van de schotel te groot voor de golflengte zijn geworden en het signaal doorlaten, waardoor de belichter de ruis van de aarde er achter kan ‘zien’. Het staat hierdoor voor mij wel vast dat de aarde gewoon ruis uitstraalt volgens P = kTB, maar de schotel dat niet doet. Dit was voor mij ook nieuw maar dat komt doordat de weerstand van de schotel in de keten maar een heel klein deel uitmaakt en die van de aarde veel meer.
De oppervlakte van de schotel staat hier los van; als de belichter via de schotel uitsluitend naar een lege plek in de ruimte kijkt ziet die de ruistemperatuur van het heelal (2,7 ºK). De grootte van de schotel heeft wel invloed op de versterking van het door de sonde uitgezonden signaal binnen de openingshoek, en daarmee op de SNR.
 
Het is waar dat een verbetering van de ontvanger van 20 dB geen verbetering van 20 dB van het totale systeem oplevert. De ruisvermogens van alle componenten worden bij elkaar opgeteld. De grootste ruisleverancier heeft dus de grootste invloed. Zolang de ontvanger warmer is dan 2,7 ºK is dat in ieder geval de ontvanger (als er geen grotere lek van andere bronnen in het spel is zoals de aarde).
 
Zoals jij het noise figure definieert geldt dat alleen wanneer er aan de ingang uitsluitend thermische ruis aanwezig is (kTB). En het vermogen van die thermische ruis is recht evenredig met de temperatuur in ºK. 
Nu is het noise figure een factor (daarom wordt die vaak in dB uitgedrukt), dus als de thermische ruis gelijk aan nul wordt (bij T=0), bedraagt de totale ruis: nul maal het noise figure. Dat is dus nul. Zou dat nu waar zijn?

[Benm]

Het is niet dat -ik- de definitie voor het noise figure verzonnen heb, dat is gewoon de formele definitie van het begrip: verschil in SNR voor en na een component. Een component in deze zin kan ook een waveguide, stuk coax of wat dan ook zijn, als het ruis toevoegt heeft het een noise figure >0 dB.

Wat die mazen in de schotel betreft zit het anders: Als die groter zijn dan pakweg 1/10e van de golflengte is de schotel niet echt meer een spiegel, en gaat er een deel van het signaal dwars doorheen. Dat signaal komt niet in het LNB maar verdwijnt ergens in de grond oid. Het is niet zo dat een vierkante meter grond meer ruis produceert dan een vierkante meter perfecte schotel. Het maakt in die zin niets uit of je het LNB richt op 70 m2 schotel of 70 m2 grasveld. Het levert even veel ruis op, maar in geval van de grasveld uiteraard geen signaal.

[Michel Uphoff]

Wat betreft de nauwkeurigheid van het oppervlak van de dss14 schotel. Ik heb begrepen dat de maximale afwijking onder de ongunstigste observatieomstandigheden binnen 1 cm blijft, en gedurende normale observatieomstandigheden beperkt is tot enkele millimeters.
 
Dat valt denk ik ook wel af te leiden uit deze twee grafieken, waarbij de gain loss als gevolg van de oriëntatie (en daarmee de invloed van de zwaartekracht op de vele tonnen staal en aluminium) is bepaald, samen met het verlies t.g.v. oppervlaktefouten in de geperforeerde aluminium panelen die het reflectievlak vormen:
 

Image1 1019 keer bekeken

Image2 1019 keer bekeken

Bron: Large Antennas of the Deep Space Network, William A. Imbriale
 
Voor de echte liefhebbers hier een zeer uitgebreid paper over de prestaties van DSS schotels:

Large-Antennas-of-the-Deep-Space-Network

(8.14 MiB) 222 keer gedownload

[Olof Bosma]

Het is niet dat -ik- de definitie voor het noise figure verzonnen heb, dat is gewoon de formele definitie van het begrip...
Wat die mazen in de schotel betreft zit het anders: Als die groter zijn dan pakweg 1/10e van de golflengte is de schotel niet echt meer een spiegel, en gaat er een deel van het signaal dwars doorheen. Dat signaal komt niet in het LNB maar verdwijnt ergens in de grond oid. Het is niet zo dat een vierkante meter grond meer ruis produceert dan een vierkante meter perfecte schotel. Het maakt in die zin niets uit of je het LNB richt op 70 m2 schotel of 70 m2 grasveld. Het levert even veel ruis op, maar in geval van de grasveld uiteraard geen signaal.

 
Dit is niet de formele definitie van het noise figure, maar waarschijnlijk een vuistregel die in bepaalde disciplines handig is. Dit gaat bv. niet op in een cascadeversterker met twee gelijke trappen. De eerste trap geeft een veel grotere SNR daling dan de tweede trap en toch hebben beide trappen hetzelfde noise figure.
Ook wanneer je te maken hebt met andere temperaturen gaat de vuistregel mank. De definitie is namelijk als volgt:
Stel, je hebt een versterker met aan de ingang een weerstand gelijk aan de ingangsimpedantie van de versterker en deze weerstand heeft een temperatuur van 290 ºK. Deze weerstand geeft dan een ruisvermogen aan de versterker af van kTB watt. Deze ruis verschijnt vermenigvuldigd met de vermogensversterking G aan de uitgang: kTBG . Er komt echter nog iets meer ruis uit de uitgang doordat de versterker zelf ruis toevoegt, het totaal is dus kTBG + Extra ruis .
De verhouding (kTBG + Extra ruis) / kTBG is het noise figure. Dit kun je zowel in een factor als in dB uitdrukken. (Jouw vuistregel is dus een speciaal geval van de volledige definitie.)
Aangezien de definitie van het noise figure is gekoppeld aan de temperatuur van 290 graden K, wordt het ingewikkelder als je van die temperatuur afwijkt.
 
Wanneer nu i.p.v. de ingangsweerstand een antenne is aangesloten en die ontvangt uitsluitend signaal uit de ruimte met een temperatuur van 2,7 ºK, dan kun je dat voor wat betreft ruis beschouwen als een weerstand met die temperatuur. Hoever komen we nu met een ongekoelde versterker:
 
Goede FETs kunnen een ruisgetal hebben van 0,3 dB. 
Het ruisvermogen uit de weerstand van 290 ºK bedraagt:
P_t = kTB = 1,38.10^-23 * 290 * B = 4,002.10^-21 watt/Hz .
De ruis van de FET voegt daar nog 0,3 dB aan toe en dan wordt het totaal:
P_t+N = kTB.10^NF/10 = 4,288.10^-21 watt/Hz .
De eigen ruisbijdrage van de versterker is dus gelijk aan het verschil: 2,86.10^-22 watt/Hz
 
Dat betekent dus dat door het kijken naar een koude ruimte de SNR met 11,5 dB verbeterd is. Dat is nog niet voldoende en hier begint mijn inzicht te haperen.
Kennelijk wordt het noise figure door koeling naar beneden gebracht. Waarschijnlijk is er sprake van parasitaire weerstand in de versterker (imperfectie geeft noise figure hoger dan 0 dB) die ook weer thermische ruis opwekt waardoor het betreffende noise figure ontstaat. Deze ruisbijdrage gaat naar beneden door het koelen van de ontvanger. Zo zou dan uiteindelijk de SNR worden bereikt die nodig is bij de ontvangst van de ruimtesondes.
 
En ja, die mazen. Je haalt zelf het voorbeeld van een coaxkabel aan. Dat lijkt mij een goed voorbeeld. Het noise figure van een kabel is gelijk aan de kabeldemping. Kabelverliezen worden veroorzaakt door ohmse verliezen, die ontstaan door weerstand en in weerstand wordt thermische ruis opgewekt. Een kabel met weinig demping heeft dus ook een laag noise figure. De bijdrage van de kabel aan de ruis bij weinig demping is dus laag. Ook als de kabel veel heter is. Zo zie ik ook het verschil tussen een schotel en de aarde. De reflectie op de schotel gaat met weinig verliezen gepaard en daardoor is er ook weinig ruisbijdrage en is het niet de moeite om de schotel te koelen. De aarde echter absorbeert op deze frequenties zeer veel en draagt daardoor wel bij aan de ruisbijdrage en dat moet je vooral niet in je belichter krijgen.
Van dichtbij het vuur heb ik vernomen dat de straling van de aarde door de mazen heen het grootste probleem is. Dat kan ik me ook goed voorstellen.
Stel de mazen zijn iets te groot en er gaat 10% van de straling doorheen. Van het ontvangen signaal kaatst de schotel dus 90% terug. Die 90% geeft een vermindering van het signaal van 0,5 dB. Maar de aarde straalt 100 keer meer vermogen uit dan de ruimte dus als daar 10% van door de schotel komt is dat 10 maal zoveel als de ruis uit de ruimte. Dat geeft een vermindering van SNR van 10 dB. Dus lang voordat je last krijgt van reflectieverlies heeft de ruisstraling van de aarde door de schotel heen ontvangst al onmogelijk gemaakt.

[Olof Bosma]

In het paper van Michel op blz. 35 is een voorbeeld te vinden over spiegels en hun equivalente ruistemperatuur die veel lager is dan 1 ºK, dankzij hun geleidingsvermogen en geringe demping (0,001 dB). Alhoewel het hier gaat over het transport van radiogolven binnen de antenne, wordt hier eveneens duidelijk het verband gelegd tussen geringe verliezen en lage equivalente ruistemperatuur.
Hetzelfde principe waardoor ook de antenneschotel zo weinig ruis toevoegt.

[Benm]

Yeah, ik heb er ook nog even over nagedacht waarom die schotel nou zoveel minder ruis oplevert dan bijvoorbeeld de grond erachter/naast/onder.

Waar ik even niet aan gedacht had is dat de grond min of meer een blackbody radiator is, maar die schotel voor de gebruikte frequentie bepaald niet, dat benaderd eerder een perfecte spiegel en emissiviteit van nagenoeg 0. Het voelde wat tegen-intuitief gezien het uiterlijk van zo'n schotel voor zichbaar licht, maar voor 8 GHz is het feitelijk gewoon een blinkende spiegel die nauwelijks als thermische straler fungeert.

Beetje hetzelfde idee waarom radiatoren van de cv optisch wit zijn maar voor thermisch-IR pikzwart, dat moet je bijna zien om het te geloven

[Olof Bosma]

Inderdaad, daar had ik ook nog niet aan gedacht. Het is volkomen analoog met de optische benadering.

[Michel Uphoff]

Van dichtbij het vuur heb ik vernomen dat de straling van de aarde door de mazen heen het grootste probleem is. Dat kan ik me ook goed voorstellen.

 
Bij de Westerbork telescoop array wordt gaas met een draaddikte van 0,8 mm en een maasgrootte van 8 mm gebruikt. Mogelijk dat daar nog wat achtergrond door heen komt bij 8,3 GHz (de schotels waren oorspronkelijk ontworpen voor 21 cm golflengte, de 1420 MHz waterstoflijn).
 
Zie bijv. deze pagina voor een foto.
[Edit Miels: oorspronkelijke foto 6-1-2017 vervangen door bovenstaande link naar een vergelijkbare afbeelding]
 
Maar heel veel andere telescopen gebruiken aluminium platen met kleine perforaties, zoals de DSS schotels en de enorme 305 meter Arecibo telescoop, of zelfs een volkomen dicht oppervlak zoals bij de Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Daar zal dat probleem dus nauwelijks spelen.
 

alma 1020 keer bekeken

ALMA. Bron: Eso
 
'Buiten de rand' van de reflector kijken, waardoor er ruis van de warme Aarde wordt opgevangen wordt ook tegengegaan door de hoorn in de focus, de rand ervan schermt het ongewenste gebied af. De Arecibo telescoop ligt in een enorm zinkgat met heuvels rondom. Daarom is er rond deze telescoop een gaas hekwerk geplaatst van 15 meter hoog.
 

arecibo 1020 keer bekeken

Arecibo. Bron: NAIC - Arecibo Observatory

Een dergelijke afscherming was ook gepland voor de dss14 schotel in Goldstone, in de vorm van een 2 tot 3 meter dikke gaasring, maar die is nooit geïmplementeerd. Kennelijk was het niet nodig.
 

dss 14 1019 keer bekeken

DSS 14 Goldstone. Bron: Nasa

[Benm]

Dat zal altijd een afweging blijven voor een gegeven budget, in ieder geval waar het staande schotels betreft. Aluminium met kleine gaatjes is overigens geen probleem, de maximale frequentie is beperkt tot 10 a 20 GHz, op hogere frequenties absorbeert water in de lucht teveel signaal.

Arecibo is een geval apart natuurlijk, waarschijnlijk staat dat hek eromheen om te voorkomen dat mensen (of dieren?) op het oppervlak kunnen komen.

[Michel Uphoff]

Dan zou een hek van 15 meter hoog nogal overdreven zijn.
Het is in 1997 bij de upgrade aangebracht om de schotel af te schermen van de straling van de omringende grond (klik).