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Receptores

Señales débiles

Uno de los problemas que surgen en la recepción de señales procedentes de vehículos espaciales no tripulados es la baja potencia de los transmisores de a bordo, del orden de 20 watios, que es la que corresponde a la bombilla del interior de un frigorífico doméstico, y que además resulta atenuada progresivamente con el cuadrado de la distancia entre transmisor y receptor.
 
Cuando esta señal llega a la Tierra desde, por ejemplo, un vehículo en las proximidades de Saturno, el concentrado haz de microondas se ha extendido sobre un área cuyo diámetro es igual a unos 1000 diámetros terrestres. Por ello, la energía captada por las antenas de los complejos de comunicaciones es sólo una pequeñísima parte de la emitida por el vehículo, mezclada con un ruido de fondo al que hay que añadir el producido por cada uno de los elementos del canal de comunicaciones.
 
 
Este enlace espacio-tierra está formado por el transmisor del vehículo con su antena, la región del espacio entre el vehículo y la estación de tierra, y la antena de la estación terrena con el receptor de la misma.

El concepto Ruido

Vamos a detenernos un momento en el concepto de ruido, que es fundamental en la caracterización de los sensibles dispositivos únicos de esta red, que no se encuentran en otro tipo de instalaciones que procesan señales más potentes.
 
Para centrar la discusión sobre el ruido nos fijaremos en el de tipo térmico. Un elemento conductor metálico, o una resistencia, contiene un número indeterminado de electrones libres. Debido a la agitación térmica los electrones libres se mueven de manera desordenada provocando colisiones con los átomos y produciéndose un intercambio de energía. Éste es el fundamento de la resistencia del conductor, por lo que aun sin circular corriente en la resistencia se origina un voltaje de ruido producido por el movimiento errático de los electrones.

Temperatura efectiva de ruido

Resultados experimentales han confirmado que la potencia debida al voltaje de ruido es proporcional a la temperatura absoluta, siendo la constante de proporcionalidad la que lleva el nombre del físico austríaco Boltzmann.
 
Aparece así un concepto alternativo asociado con la potencia de ruido, que es el de temperatura efectiva de ruido. No debe confundirse con el de la figura de ruido que tradicionalmente mide la calidad de los sistemas de microondas, y que cuando tiene un valor próximo a la unidad pierde la finura deseada para caracterizar la contribución de ruido propia del sistema.
 
El concepto de temperatura de ruido puede aplicarse a cualquier fuente, no necesariamente relacionada con una temperatura física. Por ejemplo, una antena que capta una potencia de ruido galáctico, solar, etc. puede ser asociada con una temperatura efectiva de ruido. De igual manera, este concepto se aplica a los ruidos generados por elementos activos tales como amplificadores.
 
En sistemas de radiocomunicaciones muy sensibles, como los existentes en nuestro complejo, el concepto de temperatura de ruido proporciona una herramienta de gran utilidad para conocer con precisión las capacidades de los mismos.
 
Recuérdese que en la escala centígrada o Celsius los cero grados (temperatura en la que coexisten el agua y el hielo) equivalen a los 273 grados en la escala absoluta o Kelvin, y que el cero absoluto está fijado en los -273 grados centígrados.

Receptores de bajo nivel de ruido

En la cadena de escucha de las señales provinientes de los vehículos espaciales, hay que reducir la contribución de ruido de todos y cada uno de sus elementos, empezando por la antena y continuando por los receptores de radiofrecuencia, consiguiéndose en la actualidad sistemas con temperaturas efectivas de ruido inferiores a los 20 grados Kelvin. 
 
Un elemento clave en esta cadena es el conjunto receptor, que está formado por un amplificador montado en el punto focal de la antena, y un receptor propiamente dicho, instalado en la sala de control junto al resto de los equipos electrónicos.
 
 
El amplificador tiene por objeto aumentar la débil señal captada por la antena, tanto como sea posible, sin añadir ruido propio apreciable. La relación de amplificación conseguida se sitúa entre las 100.000 y las 700.000 veces, después de lo cual la señal ya es susceptible de ser transmitida desde la antena hasta los receptores.
 
Este amplificador está formado por un dispositivo especial de muy bajo nivel de ruido, del orden de los 2 grados Kelvin, basado en el efecto “maser”, palabra formada por las siglas de la descripción en inglés del proceso amplificador: “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, cuya traducción es “Amplificación de microondas por la emisión estimulada de radiación”. El proceso ha dado, a su vez, nombre al propio amplificador.
 
 
El maser está formado por un cristal sintético de rubí (óxido de aluminio con impurezas de cromo), situado en un fuerte campo magnético y superenfriado con helio líquido hasta cerca del cero absoluto. El proceso necesita técnicas avanzadas de criogenia para lograr la temperatura de -269 grados centígrados.

El efecto Doppler

El problema provocado por las señales débiles se resuelve normalmente empleando grandes antenas y receptores con amplificadores de muy bajo nivel de ruido. Cuando esto no es suficiente, se puede mejorar la relación señal/ruido combinando las señales recibidas por varias estaciones que estén en contacto simultáneamente con el mismo vehículo espacial. 
 
Ahora bien, en la comunicación con un vehículo en movimiento se presenta otro fenómeno conocido en el mundo de la Física como efecto Doppler, y que consiste en la variación que experimenta la frecuencia generada por un transmisor móvil, en función de la velocidad de desplazamiento del vehículo que lo transporta.
 
Si, como en el caso de una base terrestre, el receptor también se mueve, hay que tener en cuenta la composición de velocidades de transmisor y receptor.
 
Este efecto se traduce en que la frecuencia de la señal recibida aumenta cuando se acercan transmisor y receptor, y disminuye si se alejan. Un ejemplo con frecuencias audibles es el de un observador situado en una estación de ferrocarril, a la que se acerca a toda velocidad un tren que pasa de largo sin detenerse. Al acercarse, la frecuencia del silbato de la locomotora aumenta (su sonido se hace más agudo), y al alejarse disminuye. 
 
Para compensar el efecto Doppler en las comunicaciones con vehículos espaciales, el Jet Propulsion Laboratory,  JPL, diseñó a principios de los años 60 un receptor equipado con un dispositivo denominado en inglés “Phase Locked Loop”, y que es conocido a partir de entonces internacionalmente por sus iniciales PLL, habiéndose convertido en un standard adoptado por la industria electrónica.
 
Gracias a estos dispositivos se consigue mantener la comunicación con el vehículo, adaptando continuamente y de forma automática la sintonía del receptor correspondiente. El PLL permite, asimismo, evaluar la velocidad del vehículo y el sentido del movimiento relativo entre emisor y receptor.
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