Принципы построения программы “Millimeter Wave CW Exchanger”

Сначала немного о том, почему возникла необходимость в разработке специальной компьютерной программы. Она возникла в рамках проекта, по проведению первой связи с отражением от Луны в миллиметровом диапазоне 47 ГГц. Уже первые эксперименты показали, что для проведения связи не хватает от 5 до 10 дБ. Возможностей для компенсации этого дефицита аппаратными средствами явно не хватало. Чувствительность приемника в диапазоне 47 ГГц ограничена тепловыми шумами луны и земной атмосферы. Увеличение размеров антенны технически трудно осуществимо (требования к точности профиля 0.3 – 0.4 мм) и к тому же малоэффективно. Дело в том, что ширина диаграммы направленности антенны диаметром 2.4 м уже заметно меньше, чем угловой размер луны. Дальнейшее сужение лепестка не приводит к существенному выигрышу. Как всегда, самым надежным средством является повышение мощности передатчика. Однако получение даже единиц ватт в миллиметровом диапазоне является сложной технической задачей.

Поэтому возникла идея повысить отношение сигнал / шум за счет дополнительной цифровой обработки принимаемого сигнала. Сигнал, отраженный от луны на столь высокой частоте имеет свои особенности. На нижних диапазонах луна отражает скорее как гладкий шар, т.е. отражает в основном небольшая центральная часть поверхности. В миллиметровом диапазоне отражает, а вернее рассеивает вся видимая поверхность луны. Конечно, не так равномерно, как мы это видим в оптическом диапазоне. Однако доля энергии, получаемая от периферийных участков лунного диска, уже велика. Это приводит, во-первых к ограничению скорости передачи телеграфного сигнала. Если мы посылаем к луне тире с коротким передним фронтом, то обратно мы получим передний фронт, растянутый на несколько миллисекунд. Первой вернется часть энергии, отраженная от центра луны. Последней часть энергии,отраженная от края диска. Ведь этой части сигнала надо пройти на два радиуса луны больший путь. С учетом скорости света это чуть больше 10 мс. Вторая, более существенная особенность, это значительное расширение спектра отраженного сигнала. Причина та же. Происходит многолучевое отражение от шероховатой поверхности луны. За счет движения луны каждый луч имеет свой допплеровский сдвиг. В сумме они дают шумоподобный сигнал, напоминающий по характеру аврорный. Ширина спектра зависит от положения луны и, в среднем, составляет 200 – 300 Гц. Это ставит крест на узкополосных методах обработки сигнала, столь эффективных на нижних диапазонах. Фактически стоит задача извлечения шума из шума, что перекликается с задачами, решаемыми в радиометрии и радиоастрономии. Известно, что основным инструментом там является накопление сигнала в течение длительного времени. В силу шумового характера сигнала речь о когерентном накоплении не идет. Можно применить некогерентное накопление, т.е. накопление сигнала после детектора без учета фазы высокочастотного заполнения. В соответствии с теорией при этом получаем улучшение отношения сигнал/шум, пропорциональное корню квадратному из числа накоплений. Скажем, если просуммировано сто повторов одного сообщения, то теоретически получаем выигрыш 10 раз или 10 дБ.

“Millimeter Wave CW Exchanger”- это программа, специально разработанная для приема телеграфных сигналов, отраженных от луны в диапазоне 47 ГГц и реализующая метод накопления сигнала. Программа построена следующим образом. Обработка сигнала начинается с входного фильтра. Полоса пропускания фильтра должна соответствовать ширине спектра сигнала отраженного от Луны. Для диапазона 47 ГГц это 300 Гц. Далее отфильтрованный сигнал поступает на детектор, а после него на фильтр нижних частот. Частота среза ФНЧ зависит от скорости передачи телеграфного сигнала. Для 12 WPM (слов в минуту) это 5 Гц. Понятно, что нас интересует только изменение уровня сигнала (ключ нажат / ключ отжат). Поэтому постоянная составляющая из полученного сигнала убирается. Далее сигнал нарезается на отрезки, равные по длительности длине одного повтора, и затем эти куски суммируются. Полученный результат усиливается и выводится на экран осциллографа.