¿Por qué la temperatura de funcionamiento para el cálculo del ruido del receptor de las Voyagers es de aproximadamente 1550 K?

En la línea 10 de la Tabla 5.2 del DESCANSO IV - Voyager Telecommunications se muestra un valor de densidad espectral de ruido del receptor uplink de -166.7 dBm/Hz, que es 196.7 dBW/Hz que es 2.1E-20 Watts/Hz = k B T . Con k B = 1.381E-23 J/K que es una temperatura de alrededor de 1500 K (¡que parece muy caliente!) y que concuerda con la temperatura de funcionamiento indicada de 1545K que, de nuevo, ¡parece muy caliente!

En la Tabla 5.3 para el receptor de enlace descendente en DSN, la temperatura de ruido es de 21 K y eso es consistente con un enfriamiento de alrededor de 13 K. Pero no puedo entender esta cifra de 1500K para la Voyager, parece poco física a menos que la tecnología sea tan antigua que la fuente del ruido sea el propio transistor frontal de la era de 1970.

¿Eran realmente tan ruidosos en ese entonces?

DESCANSO IV - Voyager Telecomunicaciones Tabla 5.2

DESCANSO IV - Voyager Telecomunicaciones Tabla 5.3

¿Se basó esto en un peor entorno cercano a Júpiter, tal vez?
@SteveLinton La misma línea 10 en la Tabla 5.3 muestra un desglose detallado de las contribuciones, incluidas las terrestres, galácticas y atmosféricas. Puede que tenga razón, pero si es así, me sorprendería que definieran la temperatura de funcionamiento en ~1500 K en lugar de desglosarla como ruido recibido. Mi corazonada es que esto está en parte relacionado con por qué las antenas parabólicas domésticas solían ser tan grandes; los viejos transistores eran ruidosos.
Es posible que tenga razón, pero estaba pensando en el efecto de los impactos de partículas en el receptor/amplificador, en lugar del ruido de radio entrante. No sé si eso se clasificaría de la misma manera,
@SteveLinton ¡eso es un pensamiento interesante!
@uhoh ¿Podría ser que la señal vaya directamente de la antena al mezclador?

Respuestas (3)

La antena de la Voyager apunta al sol. El transmisor en la tierra debe ser lo suficientemente potente como para destacar contra el sol, al menos dentro del (muy limitado) ancho de banda del receptor. Todas las demás fuentes de ruido son insignificantes y, por lo tanto, no figuran en el presupuesto del enlace.

La densidad espectral de potencia del ruido que ve la Voyager depende de la densidad espectral de potencia del sol en la banda S, la ganancia de la antena y la distancia al sol. La densidad espectral de potencia de ruido a menudo se divide por la constante de Boltzmann para dar números más convenientes. Esta temperatura de ruido no es una temperatura real y no debería leer demasiado. 1545K es solo una representación alternativa de -166.7dBm/Hz, que nuevamente es una representación alternativa de 0.0000000000000000000213W/Hz.

En el enlace descendente, las antenas en la tierra apuntan lejos del sol. La radiación cósmica de fondo contribuye a la figura de ruido general, pero en esta dirección es solo de 2,7K. No existe una única fuente dominante de ruido, de ahí la avería.

No estoy seguro de que esto responda claramente a la pregunta ¿Por qué la temperatura de funcionamiento para el cálculo del ruido del receptor de las Voyagers es de aproximadamente 1550 K?
Entonces, por ejemplo, podría estar sugiriendo que es un límite superior para el extremo frontal del receptor o para todo el sistema, es decir, si la antena de la Voyager apunta en la dirección de una fuente de cuerpo negro extendida con una temperatura característica de 1550 K, todavía podrá recibir ¿Señales de banda estrecha de DSN sin saturación u otras degradaciones de señal? Si eso es lo que es, ¿puedes dejarlo un poco más claro? Si no es así, ¿puede aclararlo de otra manera? ¡Gracias!
@uhoh esencialmente, sí, el último. No es la temperatura de ruido del receptor por sí sola; es la temperatura de ruido esperada del sistema, incluida la antena que apunta a la Tierra (que también ve el Sol). Pero como temperatura no tiene ningún significado físico más que "la temperatura de una resistencia que produciría -167dBm/Hz de ruido Johnson". No necesita tener ninguna relación con la temperatura de nada en el espacio.
Creo que la temperatura del ruido tiene un significado físico bastante definido. Es la temperatura de un cuerpo negro que producirá la misma cantidad de ruido si la antena está rodeada por él. Estos 1500K tienen sentido si se considera que el Sol con sus 6000K cubre 1/4 ^ 4 del ancho del haz de la antena.
@fraxinus El poder del Sol en esas frecuencias y a esa distancia es insignificante en comparación con el ruido del receptor. space.stackexchange.com/a/51305/14419

Esa temperatura (~ 1550 K) se parece sospechosamente a la temperatura máxima del grano de polvo zodiacal antes de la sublimación. Por lo tanto, es probable que la Voyager vea el fondo de cuerpo negro térmico dominante :

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

ingrese la descripción de la imagen aquí

¡Esto es realmente convincente! Desde el punto de vista de las Voyagers, todo el sistema solar interior tiene solo una fracción de grado de ancho , por lo que la antena mira tanto al Sol como a todo el polvo que lo rodea .

Habiendo escuchado el excelente video Apollo de CuriousMarc y leído el documento del Capítulo 3 de DESCANSO , no hay evidencia de que la Voyager tenga amplificación antes del mezclador. En ese momento, a esas frecuencias, la amplificación probablemente habría implicado otro tubo de ondas viajeras.

Citando de "The factibility of a direct relay of Apollo spacecraft via a communication satellite" de PE Schmid : "[La cifra de ruido] F es del orden de 10 db en la entrada de RF de los receptores actuales de las naves espaciales. La mayor parte del ruido generado en un receptor superheterodino convencional que carece de preamplificación de señal se debe a la etapa del mezclador. A una frecuencia de 2 GHz, los mezcladores de naves espaciales actuales consisten en diodos semiconductores en una configuración balanceada o de un solo extremo. Por razones de confiabilidad y estabilidad, la mayoría Los mezcladores de microondas emplean diodos de silicio. Con un diseño cuidadoso, se puede anticipar una ligera reducción de ruido en esta área. Por ejemplo, la figura de ruido típica indicada para el mezclador balanceado de 1,7 GHz a 2,4 GHz de SAGE Laboratories (Sage Model 225233) es de 7,0 db".

7,0 dB aumentaría una temperatura de ruido de 300 K en un factor de cinco a 1500 K.

Creo que esta es la respuesta correcta. El presupuesto del enlace para el receptor de la nave espacial separa el ruido del "cuerpo caliente" de la temperatura de funcionamiento (ruido). El ruido del cuerpo caliente es la contribución de cosas como el Sol y la luz zodaical, y eso aparece como cero (y, por cierto, la luz zodaical es ópticamente delgada). El presupuesto del enlace descendente muestra una temperatura del receptor mucho más baja (13 K) porque el DSN usa extremos frontales enfriados. Sin embargo, creo que probablemente deberían incluir el ruido solar, porque calculé que la Tierra siempre está aproximadamente dentro del HPBW de la antena de banda X.
¿Por qué la temperatura de funcionamiento para el cálculo del ruido del receptor de las Voyagers es de aproximadamente 1550 K?
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