Разведчики внешних планет. Путешествие «Пионеров» и «Вояджеров» от Земли до Нептуна и далее

Как это делается: децибелы и дистанции

С удалением от Земли приходящий сигнал ослабевает пропорционально квадрату расстояния. Та часть излучаемого сигнала, что собирается «тарелкой» приемной антенны с дистанции 5 а.е., с удалением до 10 а.е. распределяется на вчетверо бóльшую площадь, так что попадающая в антенну часть сигнала уменьшается вчетверо.

Радисты предпочитают использовать логарифмическую шкалу: если мощность изменилась в десять раз, они говорят – на 10 децибел (дБ), а если только в четыре раза – то на 6 дБ. Усиление сигнала на 1 дБ соответствует приросту мощности на 26 % – или же компенсирует увеличение расстояния примерно на 12 %.

«Единичным» уровнем мощности принимаемого сигнала в американской литературе в силу исторических причин считается 1 милливатт (мВт), ему соответствует отметка 0 дБ логарифмической шкалы. Таким образом, при уровне –164,5 дБ сигнал в 28 × 10¹⁵ раз слабее, чем «эталонный» 1 мВт. (В советской литературе было принято считать 0 дБ синонимом мощности 1 Вт – еще один источник разночтений…)

Бортовой передатчик «Пионера-11» имеет мощность 8 Вт, что соответствует уровню 39 дБ. Коэффициент ослабления сигнала с расстоянием составляет –288,5 дБ для дальности 19 а.е. и частоты S-диапазона. Отчасти его компенсирует усиление двух антенн – бортовой (33 дБ) и наземной (примерно 61,4 дБ). Учитываем потери на передачу и прием (–2,5 дБ) и на модуляцию несущей (–6,9 дБ). Итого полная мощность принимаемого сигнала составит –157,6 дБ, а мощность несущей –164,5 дБ. Наш оценочный расчет сошелся с профессиональным.

Сходным образом должен быть сведен баланс и в части выделения информации из принимаемого сигнала. Берем найденную выше полную мощность принятого сигнала (–157,6 дБ), вычитаем логарифм от скорости передачи информации, выраженный в децибелах, учитываем потери, и вот мы нашли эффективную энергию на бит передаваемой информации. Если она превышает с некоторым запасом спектральную плотность шума используемого приемника (–184,1 дБ), то информацию удастся принять. Для нашего случая баланс все еще сходится при 64 бит/с.

Конечно, нет необходимости всякий раз проводить весь расчет заново, всегда можно «танцевать» от достигнутого. Допустим, мы принимали сигнал от Юпитера (5,2 а.е. от Земли) на 64-метровую антенну на скорости 1024 бит/с, имея резерв 2 дБ. Долетаем до Сатурна (10,4 а.е.): мощность сигнала падает на 6 дБ, вместо резерва имеем дефицит в 4 дБ. Поднять мощность бортового передатчика мы не можем, точнее ориентировать КА на Землю – тоже. Можно нарастить приемную антенну, если позаботиться об этом заранее, ну и с тем, что дошло до «тарелки», реально поработать, улучшая приемный тракт и вытягивая из всех его элементов недостающие 4 дБ.