Era
mi intención refritar un viejo boletín enviado hace unos cuantos años a la
LATNET vía packet radio. Lamentablemente lo he perdido, de manera que
reescribiré los conceptos fundamentales establecidos en aquel, aunque sin la
parte literaria de Ciencia Ficción que lo acompañaba para hacerlo más ameno.
El tema de las comunicaciones espaciales no es
habitual en la radioafición argentina, exceptuando aquellos directamente
relacionados con la comunicación mediante los satélites amateur o muy
esporadicamente con el denominado "rebote lunar".
Hace apenas unos días. al comentar que era posible captar las señales del Mars Globar Surveyor Relay con equipos y antenas relativamente sencillas, me sorprendió el nivel de incredulidad que provocó tal comentario. La intuitiva convicción de los participantes de la rueda era que se necesita para tal fin, enormes conjuntos de antenas y tecnologías basadas en sistemas superenfriados.
Resulta obvio que, al menos en el "nivel popular" de la radioafición local no hay un conocimiento más o menos difundido de todo lo que es posible en este sentido. Idéntica situación probablemente ocurra con el proyecto SETI amateur en la medida de que seguramente pocos creerán que existe alguna probabilidad más o menos interesante de que, mediante equipos domésticos, estemos en condiciones de captar señales de alguna inteligencia extraterrestre y que esa inteligencia pueda estar situada fuera de nuestro sistemas solar, a una distancia de varias decenas de años luz.
¿Es posible comunicar con otros mundos?
La respuesta es obvia, ya nos hemos cansado de verlo en la tele en referencia a todas las sondas enviadas para explorar nuestro sistema solar, la pregunta entonces es ¿podemos comunicar con otros mundos con equipos amateur?.
Seguramente muchos sospechan que si, pero entonces hay que precisar aún más la pregunta: ¿Es posible comunicar con otros mundos con nuestros equipos sin que ello signifique una inversión económica prohibitiva o conocimentos extremadamente complejos?
La respuesta categórica es si, SI, ¡SI...!
Para verificarlo echaremos mano a un poco de teoría y, adelantándome a alguien que pueda afirmar que la teoría no sirve, le respondo desde ya: ¿cómo cree que se envía una nave a Marte o Júpiter y se comunica con ella? ¿con la practica?
La propagación en el espacio libre
Se puede encontrar en cualquier libro de radiotecnia básica una sencilla fórmula que permite calcular la atenuación de una señal en el espacio libre; es la siguiente:
Ao = 32.4 + 20 log d + 20 log f donde:
· Ao = Atenuación en decibeles de la señal en el espacio libre.
· d = Distancia en Km
· f = Frecuencia en MHz
Con esta sencillísima ecuación podemos calcular cuál sería la atenuación de un enlace en la banda de UHF (440 MHz) con una una nave orbitando el planeta Marte en su momento de mayor aproximación a nuestro planeta que es de aproximadamente unos 55 millones de kilómetros. El resultado es (verifíquelo con su calculadora)
Ao = 239,9 dB
¡Esta es verdaramente una gran atenuación...!
El número es importante y lo asociaremos con algo más intuitivo, por ejemplo un cable coaxil tipo RG 213U, empleado en esa misma frecuencia, el cual que posee una atenuación de 0,2 dB por metro (6,1 dB/100ft, según Handbook ARRL 1.996 pag 19.5), entonces:
Longitud equivalente a la atenuación del enlace con Marte en RG 213U = 239,9 [dB] / 0,2[dB/m] = 1.199 m.
Es decir que un cable de poco más de un Km tiene la misma atenuación que el enlace a Marte, así, el asunto no parece tan difícil de imaginar ¿verdad?, después de todo no puede ser un desafío tan importante hacer llegar un miserable vatio al otro extremo de un cable de apenas un Km; como no todo lo que reluce es Oro, vamos a verificar si nuestra intuición es correcta.
Veamos qué representan estos 240 dB de atenuación. Recordando que:
Relación de potencias en dB = 10 x log (P2/P1)
Si a la salida de tal cable precisáramos obtener 1 W ¿Cuanto deberíamos inyectar en el otro extremo) Observe:
240 dB = 10 x log (1.000.000.000.000.000.000.000.000 W / 1W)
No, algo debe estar mal ¡cómo vamos a necesitar tanta potencia!, es más, estos números indican que no es posible hacer salir un Watt de un cable de 1 Km. Ni un Watt, ni un Miliwatt, ni siquiera un Microwatt... Nada que se le parezca!. ¿Es contrario al sentido común, verdad?, bueno eso es precisamente lo que quería demostrar con este ejemplo.
¡Ni el sentido común ni la intuición son herramientas muy confiables para manejarnos en la radio...!
Y así como la intuición falla, haciéndonos pensar que es posible obtener un Watt al final de un cable RG 213 de un Km en UHF, también se equivoca al creer que una comunicación a 55.000.000 de Km es casi imposible para el aficionado...
Todo nuestro problema se traduce en encontrar cuáles son las condiciones eléctricas que hacen posible este tipo de contacto. Por experiencia sabemos que tenemos los siguientes elementos para jugar.
· La sensibilidad del receptor.
· La ganancia de la antena trasmisora.
· La ganancia de la antena receptora.
· La potencia del trasmisor
Hay otro ítem más, no tan familiar, pero que será fundamental en esta discusión y es: El ancho de banda de la información que se intercambia y de allí el ancho de banda mínimo del receptor involucrado.
Nuestro objetivo consistirá en averiguar cómo podemos manipular estas variables para que lograr el objetivo y también presumir qué clase equipo de comunicaciones es posible imaginar que un vehículo espacial llevará para este fin en una futura misión tripulada (o no).
Por de pronto nada nos impide imaginar que la nave no pueda transportar un equipo de unos 100 W para comunicar con radioaficionados, tampoco que no tenga antenas de ganancia importante como para trasmitir otro tipo de información a la tierra y que sean compatibles con las frecuencias asignadas a nuestro servicio.
Imaginemos, pues, un sistema de antenas de unos 23 dB de ganancia en ambos extremos. Una antena de 23 dB en UHF es apenas un simple array de cuatro yagis enfasadas de unos 20 elementos per capita (booms de menos de cuatro metros) que cualquiera puede construir por unos pocos Pesos.
Como preamplificador podemos contar fácilmente con uno capaz de aportar una Figura de Ruido de unos 0,5 dB ¡y aquí viene la sorpresa...!
¡En tales condiciones será posible establecer una comunicación en CW con un filtro común de 250 Hz... con una relación señal/ruido de casi +9 dB...!
Pero alguien aun podría objetar que una antena de estas características no está al alcance de un aficionado medio, yo opino que si, a menos que el aficionado sea muy pero muy haragán, pero concedamos esto y supongamos que es cierto; propongamos entonces una elemental antena de apenas 13 dB de ganancia. En este caso el comunicado podría realizarse igualmente, pero reduciendo el ancho de banda de recepción a unos 25 Hz. Esto se consigue hoy muy fácilmente mediante un DSP de hardware o software tal como el DSP Blaster (o un simple filtro activo) y ¡hoy cualquier LU tiene una compu con una Sound Blaster!
Claro que la cuestión no se resuelve tan fácilmente, alguien bien podría decir ¿- y cómo se que lo que Ud. dice es verdad -?, - después de todo esto es una afirmación suya -
Eso es verdad, pero para comprender estos cálculos
son necesarios algunos conocimientos matemáticos básicos acerca de cosas tales
como los decibelios, la figura o la temperatura de ruido de un receptor y demás
cosas que bien mezcladas en la coctelera permiten arribar a estos resultados.
Algunos
temas no pueden explicarse únicamente con palabras y es menester recurrir a las
matemáticas y a la teoría de circuitos para hacerlas claras y transparentes.
Haciendo clic
aquí Ud. podrá descargar una hoja de cálculo en formato Excel que le
permitirá corroborar los números cambiando datos en los casilleros y verificar
como se dan los resultados en distintas condiciones de potencia, ganancia, ancho
de banda etc.
La importancia del ancho de banda
Vale la pena destacar esto del ancho de banda. Hoy en día el procesamiento digital de las señales (DSP) está al alcance de los aficionados (ver en este sitio "Los contactos límites").
Es fácil obtener un programa capaz de recuperar señales que se encuentren ¡aún debajo del nivel de ruido del receptor! y ya hemos visto como la reducción del ancho de banda disminuye drásticamente la ganancia necesaria en la antena (o la potencia en el trasmisor que es lo mismo). Pero el precio que se paga por ello es la cantidad de información que se puede transportar a medida que se reduce el ancho de banda. Por ejemplo, si redujéramos el ancho de banda a unos 2,5 Hz, podríamos copiar la señal de CW aún cuando el trasmisor de la nave opere con tan solo 10 W (con la antena de 13 dB), pero la velocidad de trasmisión se reduciría muchísimo; de hecho, con un ancho de banda de 0,2 Hz la potencia del trasmisor podría ser de tan solo 1 W, pero la única forma de recuperar la trasmisión sería básicamente graficándola en la pantalla de una PC, por su lentitud.
Por ejemplo en algunas experiencias en el
"Mars Surveyor Relay Test" realizado por la NASA con radioaficionados
se emplearon anchos de banda del orden de 0,013 Hz.
(Ver http://ourworld.compuserve.com/homepages/demerson/marsspec.htm)
o bien AMSAT Journal, Volume 20, No. 1, Jan/Feb 1997.
pp.1,4-11.
En este sitio encontrará links a otros que tratan sobre el mismo
tema.
Para averiguar algo más acerca de la sensibilidad de los receptores y cómo se la especifica puede encontrar en este sitio los artículos: "Los ruidos molestos..." y "Los ruidos molestos, los calculos..."
Comunicando con Júpiter, el gigante...
Ahora que hemos visto lo fácil que es comunicar con Marte podemos aventurarnos un poquito más lejos. Sería realmente interesante ver si son posibles los QSO con una hipotética futura misión a Júpiter; estaría mucho más cerca de aquellas cosas que nos emocionaron ayer apenas, entre ellas la legendaria "2001, Odisea del espacio" o la misión de la nave robot "Voyager" (Viajero), ambas íntimamente ligadas con el planeta de la jovialidad.
En su mayor acercamiento, Jupiter se encuentra a una distancia de aproximadamente 600.000.000 de Km, unas diez veces más que nuestro rojo vecino guerrero...! Empleando los mismos cálculos vemos que no nos será posible efectuar una comunicación en CW con el filtro normal para este modo, pero, sin invertir un centavo más, ¿habrá alguna posibilidad...?
Nuevamente la respuesta es un SI rotundo, aunque esta vez tendremos que echar mano a la PC y conformarnos con QSO en telegrafía relativamente lento, y para lograrlo no habrá más remedio que echar mano a un DSP e intentarlo con un ancho de banda de unos 3 Hz que nos proveerá de una sólida señal de unos 10 dB por encima del ruido, perfectamente visible en nuestra pantalla; tan sólida que podemos asegurar que, puesto que ya hemos desistido de hacer el contacto "a oido", tranquilamente podemos conformarnos con una sola antena de unos 13 dB de ganancia, pues en estas condiciones el DSP nos proveerá de una nítido dibujo de puntos y rayas en el viejo código Morse, ya que eso es lo que produce una señal con 0 dB por encima del ruido (lo que justamente quiere decir que no está por encima del ruido).
Le deseo mucho exito en sus DX's interplanetarios.
PD: Una interesante experiencia puede hacerse tomando la atenuación que presenta una señal que debe atravesar una distancia de 4,2 años luz, que es la que nos separa de nuestra estrella más cercana. El archivo de Excel tiene los cálculos facilitados para distancias expresadas en AL.
Imágenes
Marte:
Enciclopedia Microsoft Encarta.
Júpiter: Enciclopedia Microsoft Encarta.
