Поскольку моя область знаний — телекоммуникации, я думаю, что сначала я должен попытаться немного объяснить, как все работает, чтобы мы могли, по крайней мере, сделать некоторые обоснованные предположения о том, что инопланетяне могли или не могли получить и что они могли различить. этого.

Обратите внимание, что этот ответ в настоящее время в основном касается правдоподобия.

Первое понятие, которое я хотел бы представить, это направленность антенны. Я начну с параллельного видимого света, а затем перейду вниз по оси частот к радиоволнам. Затем я попытаюсь объяснить, как это позволяет нам сравнивать уровни мощности от разных передатчиков в разных точках. После этого я немного напишу о спектральной плотности мощности и минимальном уровне шума, что позволит нам сравнить вероятности обнаружения разных типов модуляций. Наконец, я закончу это небольшим количеством моих собственных предположений.

Итак, представьте, что вы берете зажигалку и зажигаете ее. Вы получите небольшое пламя, которое будет излучать свет более или менее равномерно во всех направлениях.

Радиоверсия этого будет так называемым «изотропным точечным источником», то есть бесконечно маленькой антенной, излучающей одинаково хорошо во всех направлениях. Такой штуки, конечно, не существует, но она как бы полезна в расчетах, особенно когда нам нужно сравнить передатчики с разной мощностью и разными антеннами. Имейте в виду, что на самом деле он будет излучать одинаково хорошо как над собой, так и внизу и в стороны.

Вот изображение того, как будет выглядеть его диаграмма направленности:

Тогда у нас есть диаграммы направленности различных типов антенн. Вот диаграмма направленности массива Яги-Уда, который обычно используется для телевизионного приема в некоторых районах:

Это изображение показывает нам, что антенна принимает лучше всего, когда «длинная» передняя сторона антенны и имеет очень плохой прием на очень короткой задней стороне. В этом конкретном случае у нас есть фронтальное радио около 25 дБ. Когда мы преобразуем это в линейные единицы, это означает, что если передняя сторона антенны направлена ​​​​на наш источник сигнала, сигнал будет принят примерно в 317 раз сильнее, чем в случае, когда тот же сигнал был принят задней стороной. антенны.

Это подводит нас к понятию «эффективная изотропная излучаемая мощность». Допустим, у меня есть передатчик, выдающий мощность 5 Вт, и приемник с изотропной антенной, просто для сравнения. Я беру свой передатчик и подключаю его к одной из моих воображаемых изотропных антенн, навожу антенну на приемник и измеряю ЭИИМ 5 Вт. Затем я беру свою антенну Yagi из предыдущего примера, навожу ее на приемную антенну и сделать измерение. Я бы измерил таким образом EIRP 158 Вт. Какая же у нас разница! Но что, если я не направлю переднюю часть антенны Yagi на приемник, а направлю ее сбоку? Что ж, на диаграмме излучения мы видим, что по бокам мы имеем около -20 дБ усиления, так что это дает мне 50 мВт по бокам антенны.

Существует также понятие «эффективная излучаемая мощность». Разница между ERP и EIRP заключается в том, что ERP предполагает, что антенна представляет собой идеальную дипольную антенну в свободном пространстве с коэффициентом усиления 2,15 дБи. Это предположение гораздо ближе к реальным антенным системам, чем изотропная антенна, и поэтому часто используется в вещательной отрасли в качестве единицы измерения излучаемой мощности.

Так почему же все эти антенны важны для достижения инопланетян? Что ж, работа проектировщиков систем передачи состоит не в том, чтобы связываться с инопланетянами (кроме случаев, когда это так, но об этом позже), а в том, чтобы предоставлять радио и телевидение слушателям, не мешая другим людям делать то же самое. Это означает, что передающие телевизионные антенны обычно не будут иметь диаграмму направленности, которая посылает сигнал в небо, они будут иметь диаграмму направленности, которая пытается удерживать сигнал близко к Земле. Кроме того, EIRP будет ограничен по соображениям безопасности и помех. Это не означает, что ни один из этих многочисленных мегаватт не достигнет космоса. Будут, просто мощность, выходящая в космос, будет ограничена. Пожалуйста, имейте в виду, что кто-то должен платить за всю эту потребляемую электроэнергию, и что радиопередатчики не работают на 100%! Есть прямая экономическая причина держать свою мощность как можно ниже!

Далее у нас есть спектральная плотность мощности. Я думаю, что это один момент, который я не видел, чтобы много обсуждался в сценариях обнаружения, но который я считаю чрезвычайно важным. Давайте сначала посмотрим на само название: Спектральная плотность мощности — это плотность. Плотность чего? Силы! Над чем? Спектр. Таким образом, единицы измерения — ватты на герц. Помните мощность из предыдущего поста? Что ж, здесь мы можем увидеть, насколько он распределен по оси полосы пропускания нашего сигнала и как на это влияет наша модуляция. Здесь я приведу очень-очень грубое сравнение PAL и DVB-T, используемых для телевидения, FM от широковещательного УКВ-радио (я хотел сделать DAB, но не смог найти реальных цифр) и один специальный FM-код Морзе. сигнал.

Во-первых, просто для того, чтобы немного упростить расчеты и сделать этот очень длинный ответ немного короче, я предполагаю, что все модуляции имеют плоский спектр. Это более верно для цифровых модуляций и не так верно для аналоговых модуляций.

Итак, начнем с PAL. Наш канал в диапазоне УВЧ, а я ограничиваюсь диапазоном УВЧ, так как низкие части диапазона УКВ могут иметь проблемы с выходом за пределы атмосферы, имеет ширину около 8 МГц. Также есть версия с шириной полосы 6 МГц. Итак, давайте посмотрим на «идеальную» спектральную плотность мощности. Для уровней мощности я просто использую некоторую информацию от местного передатчика, чтобы мы могли получить реальные значения. Этот передатчик, когда он передавал PAL, имел для одного конкретного канала ERP 250 кВт. Когда мы делим 250 кВт на 8 МГц, мы получаем 31,25 милливатт на герц спектральной плотности мощности. Этот же передатчик сейчас передает канал DVB-T с ЭРП 25 кВт. Это дает нам 3,125 милливатт на герц спектральной плотности мощности. Гораздо ниже!

На этом же передатчике работает FM-радиостанция мощностью 15 кВт. Полоса пропускания станции составляет около 300 кГц, что дает нам PSD около 500 милливатт на герц. Гораздо выше, чем аналоговое телевидение!

Далее я хотел бы упомянуть сообщение Морзе . На самом деле это был тест межпланетного радара, но он здесь как представитель так называемого Активного SETI . Так они имеют частотную модуляцию с девиацией 62,5 Гц и максимальную частоту входного сигнала менее 1 Гц. Я буду использовать 1 Гц для расчета. По правилу Карсона мы можем получить оценку полосы пропускания, в которой содержится 98% мощности ЧМ-сигнала. Это дает нам полосу пропускания 125 Гц. ЭРП трансмиссии составляла 50 кВт. Это дает нам PSD 392 Вт на герц! Намного выше, чем FM-радио, но, с другой стороны, тестовая передача и, следовательно, не непрерывная.

Теперь, почему я вошел в эти основные объяснения PSD? Что ж, для того, чтобы обнаружить, что у нас есть сигнал, нам сначала нужен достаточно хороший сигнал для радиопомех. Наш шум может исходить от многочисленных источников, таких как тепловой шум, дробовой шум и т. д. Он будет свойством приемника и сам по себе также будет характеризоваться спектральной плотностью мощности. Одна общая черта приемников заключается в том, что обычно мы можем легко повлиять на их полосу пропускания. Чем ниже ширина полосы приема, тем меньше мощность шума на приемнике. В идеальном мире наш приемник будет иметь фильтр, соответствующий ширине полосы пропускаемого нами сигнала. По сути, это означает, что если наша мощность постоянна, будет легче обнаружить сигнал с более узкой полосой пропускания, чем сигнал с более широкой полосой пропускания, как показано на этом рисунке:

В общем, моя идея заключается в том, что инопланетяне, если они собираются обнаруживать сигналы в первую очередь, скорее всего, обнаружат попытки Активного SETI, если они будут искать их в данный момент. В противном случае, я думаю, что у FM-радио больше шансов быть услышанным, чем у телевидения. Кроме того, в аналоговом телевизионном сигнале не все компоненты передаются с одинаковой мощностью! Часть сигнала, несущая цвет (компоненты цветности), обычно слабее, чем часть, несущая черно-белый сигнал (яркость). Кроме того, в зависимости от реализации можно будет получать аудиосигналы с телевизора, даже если прием видео невозможен.

РЕДАКТИРОВАТЬ1:

В ответ на комментарий скажем, что у нас есть космический корабль на орбите Земли с телепередатчиком на борту. Допустим также, что наш космический корабль направляет свою антенну на наших слушателей и излучает программу с 5 МВт ERP и использует канал шириной 6 МГц. Предположим, что мы передаем на частоте 430 МГц (не в ТВ-диапазоне, а рядом, выбранной по имеющимся данным) и что наши инопланетяне построили свою версию Аресибо с такими же характеристиками, то есть 60,5 дБи. усиления на 430 МГц. Допустим также, что минимальный уровень шума составляет −106 дБм для нашего канала в приемнике.

Уравнение передачи Фрииса выглядит примерно так: Prx=Gtx Grx (λ/4πR)^2*Ptx, где:
Prx — мощность на приемнике, которая должна быть равна -106 дБм,
Gtx — усиление антенны передатчика, Grx — коэффициент усиления приемной антенны, Ptx — мощность передатчика, λ — длина волны, R — расстояние.

Из этого уравнения мы должны вывести R и изменить его так, чтобы учесть смесь децибелов и линейных единиц. Обратите внимание, что в нашем случае у нас есть 5 МВт ERP, поэтому, чтобы преобразовать это в EIRP, мы собираемся использовать передающую антенну с усилением -2,15 дБи. Также обратите внимание, что верхний край нашего сигнала находится на частоте 436 МГц, что соответствует длине волны около 0,688 м.

Делим все на усиление антенны и мощность передачи и берем 10*lg всего, чтобы получить децибелы. Итак, у нас есть:

10lg(Prx)-10lg(Ptx)-10lg(Grx)-10lg(Gtx)=20lg(λ/4πR)

Теперь подставим туда наши числа:
96,9897 дБм + 106 дБм + 2,15 дБи -60,5 дБи = 20lg(λ/4πR)

Теперь мы можем использовать один из этих удобных калькуляторов уравнения передачи Friis и получить число для диапазона. Используя этот , я получаю дальность 638 420 000 000 м, что составляет 638,42 Гм или 4,26 а.е.
Это очень, очень мало! Даже если мы возьмем гораздо лучшие значения шумовой температуры системы, такие как, например, 100 К или, может быть, даже ниже, у нас все равно будут очень низкие диапазоны. Так что для телевидения у нас нет больших шансов, что инопланетяне получат сигнал.

С другой стороны, для FM-радио, если мы возьмем передатчик ERP мощностью 100 кВт на частоте 97 МГц, исходя из некоторых ограничений США по мощности, и представим, что инопланетяне имеют антенну с усилением 60,5 дБи для FM с системной температурой 35 K мы получаем гораздо более приятный результат 5 349 800 000 000 м или 5 349 Тм или 35,76 а.е. Тем не менее, это довольно короткий диапазон. Диапазон намного больше, но все еще не очень достаточен для достижения ближайших звездных систем, если предположить, что температура системы разумна.

Итак, TL;DR:

Я не верю, что случайно переданные аналоговые теле- или радиосигналы смогут достичь ближайшей звездной системы в достаточно обнаружимом состоянии, но это также во многом зависит от их возможностей обнаружения. Я верю, что инопланетяне, проходящие вблизи границ нашей Солнечной системы, могли бы обнаружить наши передачи.

Также обратите внимание, что радиосигнал мощностью 100 кВт имеет больший радиус действия, чем телевизионный сигнал мощностью 5 МВт, поэтому имейте в виду, что не все зависит от мощности передатчика.

Следует отметить, что для преднамеренно активных сигналов SETI, особенно если они цифровые, ситуация может быть несколько иной. У нас были бы гораздо более высокие способности, мы бы выиграли от кодов исправления ошибок, предполагая, что инопланетяне могут их расшифровать. Я также использовал соотношение сигнал-шум 0 дБ в качестве нижнего предела для приема аналоговой системы. В реальной жизни было доказано, что декодирование цифровых сигналов возможно при отношении сигнал/шум чуть ниже 0 дБ, так что это тоже может оказать некоторое влияние.

Я только что видел презентацию на SETI, в которой объяснялось, как в ближайшем будущем массивы приемников будут достаточно чувствительными, чтобы улавливать радары наших самолетов с расстояния в сотни световых лет. Это утечка общего пользования. У нас также есть межпланетный радар, который иногда выходит из строя.

Итак, чтобы ответить на ваш вопрос, посмотрите с другой стороны: что исследователи SETI ожидают обнаружить, моделируя ситуацию нашей собственной технологической истории?

В то время как радио является энергосберегающим и малозаметным, радар по своей природе должен быть достаточно ярким, чтобы отражаться от пассивных целей. Так гораздо более заметно.

Вот пресс-релиз :

Беспрецедентный размах

Программа будет включать в себя обзор 1 000 000 ближайших к Земле звезд. Он будет сканировать центр нашей галактики и всю галактическую плоскость. За пределами Млечного Пути он будет прослушивать сообщения от 100 ближайших галактик. Используемые телескопы исключительно чувствительны к сигналам дальнего действия, даже малой или средней мощности:

• Если цивилизация, базирующаяся вокруг одной из 1000 ближайших к нам звезд, передает нам сигнал с помощью обычного авиационного радара, телескопы Breakthrough Listen смогут ее обнаружить.

• Если цивилизация ведет передачу из центра Млечного Пути, с выходом более чем в 12 раз больше, чем межпланетные радары, которые мы используем для исследования Солнечной системы, телескопы Breakthrough Listen могут ее обнаружить.

• С ближайшей звезды (на расстоянии 25 триллионов миль) оптический поиск Breakthrough Listen может обнаружить 100-ваттный лазер (выходная энергия обычной бытовой лампочки).