Warum beträgt die Betriebstemperatur für die Berechnung des Empfängerrauschens der Voyagers etwa 1550 K?

In Zeile 10 von Tabelle 5.2 von DESCANSO IV – Voyager Telecommunications zeigt es einen Wert der spektralen Rauschdichte des Uplink-Empfängers von –166,7 dBm/Hz, was 196,7 dBW/Hz entspricht, was 2,1E – 20 Watt/Hz = ist k B T . Mit k B = 1,381E-23 J/K, das ist eine Temperatur von etwa 1500 K (was wirklich heiß erscheint!) und das stimmt mit der angegebenen Betriebstemperatur von 1545 K überein, was wiederum sehr heiß erscheint!

In Tabelle 5.3 für den Downlink-Empfänger bei DSN beträgt die Rauschtemperatur 21 K, und das stimmt damit überein, dass er auf etwa 13 K gekühlt wird. Aber ich kann diese 1500K-Zahl für Voyager nicht verstehen, sie scheint unphysikalisch, es sei denn, die Technologie ist so alt, dass die Quelle des Rauschens der Front-End-Transistor aus den 1970er Jahren selbst ist.

Waren die damals wirklich so laut?

DESCANSO IV - Voyager Telekommunikation Tabelle 5.2

DESCANSO IV - Voyager Telekommunikation Tabelle 5.3

Basierte dies vielleicht auf einer ungünstigeren Umgebung in der Nähe von Jupiter?
@SteveLinton Dieselbe Zeile 10 in Tabelle 5.3 zeigt eine detaillierte Aufschlüsselung der Beiträge, einschließlich Ground, Galactic und Atmospheric. Sie mögen Recht haben, aber wenn ja, wäre ich überrascht, dass sie die Betriebstemperatur auf ~ 1500 K definiert haben, anstatt sie als empfangenes Rauschen aufzuschlüsseln. Meine Vermutung ist, dass dies teilweise damit zusammenhängt, warum Satellitenschüsseln zu Hause früher so groß waren; alte Transistoren waren laut.
Sie haben vielleicht Recht, aber ich dachte eher an die Wirkung von Partikelschlägen auf den Empfänger / Verstärker als an eingehendes Funkrauschen. Weiß nicht, ob das so einzuordnen wäre,
@SteveLinton das ist ein interessanter Gedanke!
@uhoh Kann es sein, dass das Signal direkt von der Antenne ins Mischpult geht?

Antworten (3)

Die Antenne der Voyager ist auf die Sonne gerichtet. Der Sender auf der Erde muss stark genug sein, um sich zumindest innerhalb der (sehr begrenzten) Empfangsbandbreite von der Sonne abzuheben. Alle anderen Störquellen sind vernachlässigbar und daher nicht im Linkbudget aufgeführt.

Die vom Voyager wahrgenommene spektrale Rauschleistungsdichte hängt von der spektralen Leistungsdichte der Sonne im S-Band, dem Antennengewinn und der Entfernung von der Sonne ab. Die spektrale Rauschleistungsdichte wird oft durch die Boltzmann-Konstante geteilt, um bequemere Zahlen zu erhalten. Diese Rauschtemperatur ist keine echte Temperatur und Sie sollten nicht zu viel hineininterpretieren. 1545K ist nur eine alternative Darstellung von -166,7 dBm/Hz, was wiederum eine alternative Darstellung von 0,0000000000000000000213 W/Hz ist.

Beim Downlink sind die Antennen auf der Erde von der Sonne weg gerichtet. Die kosmische Hintergrundstrahlung trägt zur Gesamtrauschzahl bei, aber in dieser Richtung sind es nur 2,7K. Es gibt keine einzelne dominante Rauschquelle, daher der Zusammenbruch.

Ich bin mir nicht sicher, ob dies die Frage eindeutig beantwortet. Warum beträgt die Betriebstemperatur für die Empfängerrauschberechnung der Voyagers etwa 1550 K?
Könnten Sie beispielsweise vorschlagen, dass dies eine Obergrenze für das Frontend des Empfängers oder das gesamte System ist, dh wenn die Antenne der Voyager in Richtung einer ausgedehnten Schwarzkörperquelle mit einer charakteristischen Temperatur von 1550 K gerichtet ist, kann sie immer noch empfangen schmalbandige Signale von DSN ohne Sättigung oder andere Signalverschlechterungen? Wenn es das ist, können Sie das etwas deutlicher machen? Wenn nicht, können Sie es anderweitig klären? Danke!
@uhoh im Wesentlichen, ja, letzteres. Es ist nicht allein die Rauschtemperatur des Empfängers; es ist die erwartete Rauschtemperatur des Systems, einschließlich der auf die Erde gerichteten Antenne (die auch die Sonne sieht). Aber als Temperatur hat es keine andere physikalische Bedeutung als "die Temperatur eines Widerstands, der -167 dBm/Hz Johnson-Rauschen erzeugen würde". Es muss keine Beziehung zu der Temperatur von irgendetwas im Weltraum haben.
Ich denke, die Rauschtemperatur hat eine ziemlich definierte physikalische Bedeutung. Es ist die Temperatur eines schwarzen Körpers, der die gleiche Menge an Rauschen erzeugt, wenn die Antenne von ihm umgeben ist. Diese 1500K machen Sinn, wenn man bedenkt, dass die Sonne mit ihren 6000K 1/4^4 der Strahlbreite der Antenne abdeckt.
@fraxinus Die Leistung der Sonne bei diesen Frequenzen und in dieser Entfernung ist im Vergleich zum Empfängerrauschen vernachlässigbar. space.stackexchange.com/a/51305/14419

Diese Temperatur ( ~ 1550 K ) sieht verdächtig nach der maximalen Zodiacal-Staubkorntemperatur vor der Sublimation aus. Daher wird Voyager wahrscheinlich jemals den dominanten thermischen Schwarzkörperhintergrund sehen:

" https://www.researchgate.net/figure/Dust-grain-equilibrium-temperatures-vs-distance-from-the-host-star-KIC-3542116-for_fig5_319210038 "

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das ist wirklich überzeugend! Aus der Sicht der Voyager ist das gesamte innere Sonnensystem nur einen Bruchteil eines Grads breit , und daher blickt die Antenne sowohl auf die Sonne als auch auf den gesamten Staub um sie herum .

Nachdem ich mir das ausgezeichnete Apollo-Video von CuriousMarc angehört und das DESCANSO-Kapitel-3-Dokument gelesen habe , gibt es keinen Hinweis darauf, dass Voyager vor dem Mischpult eine Verstärkung hat. Zu dieser Zeit hätte die Verstärkung bei diesen Frequenzen wahrscheinlich eine weitere Wanderfeldröhre erfordert.

Zitat aus „The feasibility of a direct relay of Apollo spacecraft via a communication satellite“ von PE Schmid : „[Die Rauschzahl] F liegt in der Größenordnung von 10 db am HF-Eingang gegenwärtiger Raumfahrzeugempfänger. Der größte Teil des erzeugten Rauschens Dass bei einem konventionellen Superheterodyn-Empfänger jegliche Signalvorverstärkung fehlt, liegt an der Mischstufe.Bei einer Frequenz von 2 GHz bestehen derzeitige Weltraumfahrzeug-Mischeraus Halbleiterdioden entweder in Single-Ended- oder symmetrischer Konfiguration.Aus Zuverlässigkeits- und Stabilitätsgründen meistens Mikrowellenmischer verwenden Siliziumdioden. Durch sorgfältiges Design kann in diesem Bereich eine leichte Rauschminderung erwartet werden. Beispielsweise beträgt die angegebene typische Rauschzahl für den 1,7 GHz bis 2,4 GHz symmetrischen Mischer von SAGE Laboratories (Sage Modell 225233) 7,0 db."

7,0 dB würden eine Rauschtemperatur von 300 K um den Faktor fünf auf 1500 K erhöhen.

Ich denke, das ist die richtige Antwort. Das Verbindungsbudget für den Raumfahrzeugempfänger trennt das Rauschen des "heißen Körpers" von der Betriebstemperatur (Rauschen). Das heiße Körperrauschen ist der Beitrag von Dingen wie der Sonne und dem Tierkreislicht, und das wird als Null aufgeführt (und übrigens ist das Tierkreislicht optisch dünn). Das Downlink-Budget zeigt eine viel niedrigere Empfängertemperatur (13 K), da der DSN gekühlte Frontends verwendet. Ich denke, sie sollten wahrscheinlich das Sonnenrauschen einbeziehen, weil ich berechnet habe, dass sich die Erde immer ungefähr innerhalb der HPBW der X-Band-Antenne befindet.
Warum beträgt die Betriebstemperatur für die Berechnung des Empfängerrauschens der Voyagers etwa 1550 K?
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