Radio ontvangst door buitenaardse beschavingen

[vanaalten]

Gisteravond maakte een vriend de opmerking dat wat wij, aardbewoners, aan TV/radio-uitzendingen doen, door buitenaardse wezens op hun planeet opgevangen zou kunnen worden. Gevoelsmatig had ik zo iets van "lijkt mij stug, die radiosignalen verzwakken tot onder het ruisniveau voor ze daar zijn."

Heb wel wat hier rondgezocht, maar niet een hele technische discussie gevonden over de sterkte van radiosignalen en ontvangers. Ik heb even wat zitten googlen, rekenen, duimzuigen - en was benieuwd of ik tenminste het rekendeel goed heb:

Even wat aannames:
Een FM-zender (zeg, 3FM, 96.8MHz), bandbreedte 180kHz. Voor het gemak denken we even in een zender die alle kanten op gaat (bolvormig, lekker makkelijk).
Zendvermogen: 500kW, volgens wikipedia zit ik dan aan de hoge kant.
Aliens op een afstand van 4.2 lichtjaar - zo ongeveer het dichtsbije punt waar ze buiten ons zonnestelsel kunnen zitten. De ontvanger hebben ze lekker koel opgehangen - zeg, bij een temperatuur van 1K.

Wat rekenwerk:
Op 0.28m van de zender kunnen we een bol denken met een oppervlak van 1m² (A=4*pi*r²) - ofwel, we hebben op dat punt een signaalsterkte van 500kW/m². Daarna gaat het kwadratisch omlaag met de afstand, dus op 0.56m afstand hebben we nog maar 125kW/m²

Gaan we dus iets verder: 4.2 lichtjaar = 3.97*10¹⁶m - en daar is de signaalsterkte dus nog 500kW / ((3.97*10¹⁶ / 0.28)²) = 2.48*10^-29W/m²

Is zo iets nog te ontvangen met een radio? Hier begin ik al meer te twijfelen over wat ik gevonden heb.
De ruis die een ontvanger zelf genereert, als ik wikipedia goed begrepen heb, komt overeen met k*T*B (boltzmann constante, temperatuur in kelvin en bandbreedte).. Dus stel dat de aliens niet aan de constante van Boltzmann sleutelen, ze de ontvanger op 1K koelen (aanname - misschien dat ze het kouder kunnen maken) en ze heel precies op de juiste frequentie en 180kHz bandbreedte tunen, dan zou de ruis door de ontvanger zelf 2.48*10^-19 zijn. Geen idee wat de eenheid precies is, ik hoop op Watt...

Het lijkt mij dat het ontvangen signaal (sterkte 2.48*10^-29W/m²) zoveel zwakker is dan het ruisniveau, dat men er niets zinnigs meer kan uithalen.
Hooguit zou men de ontvanger meer kunnen koelen (ruisniveau verlagen) of de ontvanger veel groter maken (oppervlak van enkele vierkante kilometers kan al leuk helpen), maar het blijft lastig.

Als dan de afstand nog eens groter wordt (zeg, 100 lichtjaar), de radiosignalen niet bolvormig worden verstuurd (liever geef je je zenders een richting mee), wat minder sterk - dan wordt het steeds lastiger voor een ontvanger op flinke afstand om nog wat te horen.

Dus: klopt bovenstaande berekening een beetje? Met name het radio ontvangstdeel, met ruisniveau en zo, ben ik niet zo zeker van...

Edit: eigenlijk ligt het voor de hand, maar naarmate je de temperatuur van de ontvanger dichter richting het absolute nulpunt kan krijgen, des te minder ruis van de ontvanger een rol speelt - als je absoluut 0K weet te bereiken, dan zou je dus theoretisch alles moeten kunnen ontvangen, ongeacht de afstand? Dan gaat waarschijnlijk de ruis veroorzaakt door andere dingen een rol spelen - valt daar nog kwantitatief iets over te zeggen?

[ Voor 6% gewijzigd door vanaalten op 12-07-2010 07:44 ]

[motormuus]

Tijdje terug was zoiets op discovery/national geographic.
Kwam er op neer dat verre planeten nooit onze radio en tv programma's zullen ontvangen omdat het op een gegeven moment vervaagt of iets, weet niet zeker wat het precies was.

[ Voor 10% gewijzigd door motormuus op 12-07-2010 13:39 ]

[mace]

Daarom zijn die radiotelescopen ook zo groot, maar er zitten natuurlijk grenzen aan idd.

[Emmeau]

Zag laatst dat door de satellieten (die op aarde gericht staan) we eigenlijk steeds minder radio ruis het heelal in verspreiden. (in vergelijking tot de jaren 40, 50, 60 toen er met vette mega vermogens over de diverse golven radio signalen verstuurd werden.
Doordat meer en meer digitaal gaat en niet meer 'lomp de lucht in gaat' worden we steeds moeilijker te vinden.
En misschien maar goed ook.

[Verwijderd]

Geen idee wat de eenheid precies is, ik hoop op Watt...

Gewoon rekenen met eenheden:

code:

  dim[k] * dim[T] * dim[B]
= (J/K) * K * Hz
= J * Hz
= J * (1/s)
= (J/s)
= W

Als dan de afstand nog eens groter wordt (zeg, 100 lichtjaar), de radiosignalen niet bolvormig worden verstuurd (liever geef je je zenders een richting mee), wat minder sterk - dan wordt het steeds lastiger voor een ontvanger op flinke afstand om nog wat te horen.

Tenzij we doelbewust richten op ons bekende aliens. Dan komt het weer wel gewoon goed aan. Wel even een noot maken dat doelbewust richten op 100 lichtjaar ook niet al te eenvoudig is. (Alhoewel ik niet weet wat de techniek ons toelaat om de divergentie van het signaal te beperken...)

Dus: klopt bovenstaande berekening een beetje? Met name het radio ontvangstdeel, met ruisniveau en zo, ben ik niet zo zeker van...

Ik heb me rekenfoutendetector niet aanstaan; maar het ziet er allemaal niet erg raar uit.

[ Voor 6% gewijzigd door Verwijderd op 12-07-2010 15:19 ]

[mace]

Emmeau schreef op maandag 12 juli 2010 @ 13:42:
Zag laatst dat door de satellieten (die op aarde gericht staan) we eigenlijk steeds minder radio ruis het heelal in verspreiden. (in vergelijking tot de jaren 40, 50, 60 toen er met vette mega vermogens over de diverse golven radio signalen verstuurd werden.
Doordat meer en meer digitaal gaat en niet meer 'lomp de lucht in gaat' worden we steeds moeilijker te vinden.
En misschien maar goed ook.

We hebben een bubbel radiogolven die zich sinds pak hem beet 100 jaar geleden zich met het snelheid van het licht van ons af beweegt. Ik had ooit een plaatje ervan maar ik kan hem niet meer vinden.

Nu wordt dat dus minder maar die sterke signalen die zijn er nog steeds wel, onderweg totdat ze in de achtergrondruis wegvallen.

[ Voor 8% gewijzigd door mace op 12-07-2010 15:47 ]

[peterkuli]

Is het niet zo dat radiogolven afgeketst worden tegen de ionosfeer? Ik weet trouwens niet of dat voor elk radiosignaal geldt. Aan de andere kant, hoe communiceert men dan met de raket die op de maan geland is?

[mace]

peterkuli schreef op maandag 12 juli 2010 @ 15:54:
Is het niet zo dat radiogolven afgeketst worden tegen de ionosfeer? Ik weet trouwens niet of dat voor elk radiosignaal geldt. Aan de andere kant, hoe communiceert men dan met de raket die op de maan geland is?

Dat hangt heel erg af van de golflengte, kortegolfsignalen doen dat ja. Met dat principe is dus ook zoiets als een wereldomroep mogelijk.

[franssie]

Als je bedenkt hoeveel radarsystemen er operationeel zijn, ook op de ruimte gericht als ik het goed heb, zijn we echt nog wel te spotten. De radar zendantennes zijn nl per definitie richt antennes en ook worden zeer hoge vermogens gebruikt. Maar idd, het houdt een keer op.

[mace]

Idd, in Hengelo heb je Thalens, vroegere Holland Signaal, en die hebben een paar testopstellingen op het dak. Zoals de SMART-L

Een maat van me woont redelijk vlakbij en af en toe doet zijn TV maf als ze weer wat testen.

Volgens mij moet je ook niet met je noten voor zo'n ding gaan staan, dan heb je 2 hardgekookte eieren.

[MSalters]

De formule die je aanhaalt is voor de ruis die een warme weerstand genereert. Niet direct relevant.

Afgezien daarvan loop je tegen een groter probleem aan, quantisatie. Een radiofoton heeft een energie h*f, oftewel 6 * 10^-34 * 2 * 10⁸ = 1.2 * 10^-25 J. Als ik je cijfer van 2.48*10^-29W/m² deel door dat, dan kom ik op 2*10^-4 foton/s*m² uit. Da's niet veel

[Mx. Alba]

MSalters schreef op maandag 12 juli 2010 @ 17:09:
De formule die je aanhaalt is voor de ruis die een warme weerstand genereert. Niet direct relevant.

Afgezien daarvan loop je tegen een groter probleem aan, quantisatie. Een radiofoton heeft een energie h*f, oftewel 6 * 10^-34 * 2 * 10⁸ = 1.2 * 10^-25 J. Als ik je cijfer van 2.48*10^-29W/m² deel door dat, dan kom ik op 2*10^-4 foton/s*m² uit. Da's niet veel

Inderdaad, dan moet je een antenne met een oppervlak van 5.000m² hebben om één foton per seconde op te vangen. Da's ongeveer het formaat van een voetbalveld... Het lijkt me duidelijk dat het niet mogelijk is om dat te detecteren.

Wat doet het aardoppervlak trouwens met de radiosignalen? Zelfs als we aannemen dat het aardoppervlak het 100% terugkaatst, dan zou je op die afstand dus nog steeds een oppervlak van 2.500m² nodig hebben om één foton per seconde te detecteren...

[vanaalten]

Als eerste iedereen bedankt voor de reacties - erg leerzaam!

Verwijderd schreef op maandag 12 juli 2010 @ 15:14:
[...]
Gewoon rekenen met eenheden:

code:

  dim[k] * dim[T] * dim[B]
= (J/K) * K * Hz
= J * Hz
= J * (1/s)
= (J/s)
= W

Dank! Was nooit zo goed in het omrekenen van eenheden. Dat J/s = W is nou typisch iets wat ik maar niet kan onthouden.

MSalters schreef op maandag 12 juli 2010 @ 17:09:
De formule die je aanhaalt is voor de ruis die een warme weerstand genereert. Niet direct relevant.

Na de rest van je verhaal snap ik dat het wat minder relevant is, maar toch: speelt het een rol? Is een radio-ontvanger als vervangingsschema niet met o.a. een weerstand te modeleren, en dus met een ruis-opwekkend element?
(of: klopte het stuk op zich wel, ondanks dat het niet meer relevant is door het quantisatie-probleem?)

Afgezien daarvan loop je tegen een groter probleem aan, quantisatie. Een radiofoton heeft een energie h*f, oftewel 6 * 10^-34 * 2 * 10⁸ = 1.2 * 10^-25 J. Als ik je cijfer van 2.48*10^-29W/m² deel door dat, dan kom ik op 2*10^-4 foton/s*m² uit. Da's niet veel

Ouch. Niet bij stil gestaan dat radiogolven ook niet oneindig deelbaar zijn. In tegenstelling tot mijn idee van de ruis gegenereerd door de ontvanger is dit niet op te lossen door te koelen tot 0K.
Die factor 2*10⁸, dat is de frequentie waar jij van uit gaat, 200MHz? Dus mijn hypothetische alien die radio 3FM op 96.8MHz wil horen moet nog eens dubbel zoveel antenne-oppervlak maken om de mega-top50 te horen...

Maar goed - het hypothetische buitenaardse ras is technologisch ver gevorderd, heeft resources over en wil echt graag iets ontvangen. Ze maken een antenne van, zeg, 10 bij 10 voetbalvelden groot. Dan ontvangen ze dus 50 fotonen per seconde. Er van uit gaande dat ze die feilloos kunnen detecteren: kan je daar als ontvanger wat mee, of loop je tegen volgende problemen aan?

Over voetbalvelden gesproken: de grootste radiotelescoop volgens Wikipedia heeft een diameter van 576 meter (r=288), dus een oppervlak van 260.000m². Even snel gerekend kom je toch al aan de 100 fotonen/s die je kunt ontvangen. Ga je dan als geavanceerd buitenaards ras met voldoende resources echt een beest van een antenne bouwen, dan moet een veelvoud toch wel mogelijk zijn. Dus: waar zit het volgende probleem?

[Verwijderd]

Straal zegt niet alles. Wikipedia: LOFAR is effectief groter als ik het goed begrepen heb.

[mace]

Kunnen die 50 fotonen per seconde nog wel genoeg informatie overbrengen om iets zinnigs uit de speakers te krijgen?

[Verwijderd]

50 fotonen per seconde lijkt me nu echt iets waar je helemaal niets mee kunt.
Je kunt natuurlijk een mailtje sturen naar een of andere radiotelescoop en hun het probleem voorleggen.

[jeronimo]

Vooropgesteld dat mijn kennis op dit gebied nogal roestig is.
Vroeger is geprobeerd mij te leren dat het zelfs mogelijk is om signalen die onder de ruisdrempel liggen nog te herkennen zijn mits de hoeveelheid informatie per tijdseenheid niet te hoog is. Deze methode werd gebruikt ten tijde van de vroege Pioneer en Voyager missie. De zendvermogens waren toen vrij gering en met wiskundige methoden als convolutie kon toch nog iets bruikbaars uit het ontvangen signaal worden gemaakt.

[Sissors]

Verwijderd schreef op maandag 12 juli 2010 @ 23:56:
50 fotonen per seconde lijkt me nu echt iets waar je helemaal niets mee kunt.
Je kunt natuurlijk een mailtje sturen naar een of andere radiotelescoop en hun het probleem voorleggen.

Tja kleine kans dat het je lukt om het signaal te demoduleren als alien, maar het moet in principe mogelijk zijn te detecteren dat er een signaal is, en dan kan je gewoon een enorme antenne maken gericht op ons.

[Mx. Alba]

Eigenlijk betekent dit ook dat SETI volledig zinloos is geweest...

[mace]

Mx. Alba schreef op dinsdag 13 juli 2010 @ 09:06:
Eigenlijk betekent dit ook dat SETI volledig zinloos is geweest...

Misschien niet volledig zinloos maar zeker niet zo nuttig als men doet voorkomen.

[franssie]

Mx. Alba schreef op dinsdag 13 juli 2010 @ 09:06:
Eigenlijk betekent dit ook dat SETI volledig zinloos is geweest...

In de rekenvorbeelden is uitgegaan van een punt antenne die "3-d" uitzend, die worden weinig gebruikt. De meeste antenne's hebben een polarisatie ( Wikipedia: Polarisatie (elektromagnetisme) ) en zenden dus in een soort van plat vlak/donut.


Als de ontvanger zich in dat vlak bevindt is de ontvangst dus sterker. Als de ontvander zich erbuiten bevindt is de ontvangst vele malen zwakker.

[ Voor 7% gewijzigd door franssie op 13-07-2010 09:55 ]

[MSalters]

jeronimo schreef op dinsdag 13 juli 2010 @ 00:49:
Vooropgesteld dat mijn kennis op dit gebied nogal roestig is.
Vroeger is geprobeerd mij te leren dat het zelfs mogelijk is om signalen die onder de ruisdrempel liggen nog te herkennen zijn mits de hoeveelheid informatie per tijdseenheid niet te hoog is. Deze methode werd gebruikt ten tijde van de vroege Pioneer en Voyager missie. De zendvermogens waren toen vrij gering en met wiskundige methoden als convolutie kon toch nog iets bruikbaars uit het ontvangen signaal worden gemaakt.

Ja, dat werkt als je het signaal ervoor hebt geoptimaliseerd. De techniek is zeker niet afgeschreven; GPS gebruikt dat tot de dag van vandaag en Galileo gaat het ook doen. FM radio werkt niet zo.

[MSalters]

Mx. Alba schreef op dinsdag 13 juli 2010 @ 09:06:
Eigenlijk betekent dit ook dat SETI volledig zinloos is geweest...

Nee, SETI zoekt naar een niet-natuurlijk signaal. Het gaat er dan niet noodzakelijk om of ze het kunnen decoderen. De TS vroeg zich specifiek af of je 1 FM station kon ontvangen en decoderen - onwaarschijnlijk. Maar een SETI project op een andere planeet zou zonder veel moeite moeten opmerken dat de Aarde wel heel erg veel vermogen uitzend in de frequentieband van 80 tot 110 Mhz, en dat dat absoluut niet random is.

[TNW]

franssie schreef op maandag 12 juli 2010 @ 16:18:
Als je bedenkt hoeveel radarsystemen er operationeel zijn, ook op de ruimte gericht als ik het goed heb, zijn we echt nog wel te spotten. De radar zendantennes zijn nl per definitie richt antennes en ook worden zeer hoge vermogens gebruikt. Maar idd, het houdt een keer op.

Wat denk je van besturing van verre satellieten en Marsrobots.

Voor zover ik weet zijn dat gerichte signalen welke waarschijnlijk veel verder buiten het zonnestelsel komen, dwz ze hebben op grotere afstand een betere signaal-ruis verhouding dan de "willekeurig" gegenereerde signalen van alle systemen voor gebruik op aarde.

Als men signalen hoort zal het geen gewone radio zijn maar alleen gerichte signalen. Al het andere valt snel onder de ruis.

[Mx. Alba]

Maar als je een antenne van een paarhonderd vierkante meter nodig hebt om ook maar een paar fotonen op te kunnen vangen, dan lijkt het geheel mij een nogal zinloze exercitie...

[Reptile209]

Even wat losse opmerkingen:

De zender van 3FM uit het voorbeeld van TS in Lopik is 100 kW, dus je zit daar een factor 5 aan de hoge kant. Qua orde-grootte zal het wel aardig zijn.

Je zou een alien op 100 lichtjaar afstand maar net aan bereiken: de radio werd weliswaar in 18-nogwat uitgevonden, maar de eerste radio-omroep in Nederland bestaat pas sinds 1919 (Wikipedia: Radio-omroep). Die is nu dus op 90 lichtjaar afstand te beluisteren op iedere goed gekoelde autoradio .

Als je gericht wil uitzenden naar een alien op - zeg - 10 lichtjaar afstand, moet je ook nogal wat rekenwerk gaan doen om te kijken waar zijn planeet zich over 10 jaar bevindt. En die alien ziet dan de aarde waar hij 10 jaar eerder stond. Het is niet bepaald een stilstaand geheel...

Volgens mij moet je je ook niet te veel blindstaren op het aantal fotonen dat in een signaal zou overblijven. Radiosignalen hebben zowel een golf- als een deeltjeskarakter, afhankelijk van hoe je ze meet. Een golf is prima oneindig deelbaar, een foton is dat niet. Als je uitgaat van het golfkarakter van een signaal, dan moet je "gewoon" lang en nauwkeurig meten en dan kan je de golf vastleggen. * Reptile209 's natuurkunde begint wel wat roestig te worden op dit gebied.

Ze zullen over dit soort dingen bij SETI vast wel lang en hard hebben nagedacht, anders zijn het wel enorme pruts0rs.

[vanaalten]

Reptile209 schreef op woensdag 14 juli 2010 @ 09:48:
Even wat losse opmerkingen:

De zender van 3FM uit het voorbeeld van TS in Lopik is 100 kW, dus je zit daar een factor 5 aan de hoge kant. Qua orde-grootte zal het wel aardig zijn.

Ik probeer even het worst-case scenario: de aliens zijn dichtbij (dus 4,2 lichtjaar, dichtsbije ster), technisch ons ver vooruit en ze proberen een zender te beluisteren. Kan dat?
Dan zal het niet 3FM zijn, maar goede kans dat er een andere zender is die rond die frequentie zit en 500kW vermogen gebruikt.

Je zou een alien op 100 lichtjaar afstand maar net aan bereiken: de radio werd weliswaar in 18-nogwat uitgevonden, maar de eerste radio-omroep in Nederland bestaat pas sinds 1919 (Wikipedia: Radio-omroep). Die is nu dus op 90 lichtjaar afstand te beluisteren op iedere goed gekoelde autoradio .

Wereldomroep, da's toch korte golf, dus weer een andere situatie: afketsing op de ionosfeer (of zo).
Maar goed - mijn insteek was niet 'hoe ver kunnen we de aliens bereiken, maar kunnen zij ons afluisteren. Dus stel dat ze hier om de hoek op 4.2 lichtjaar zitten i.p.v. 100 lichtjaar, wat voor problemen hebben ze dan om ons af te luisteren? Redden ze het met een antenne van, zeg, 100 voetbalvelden groot?

Volgens mij moet je je ook niet te veel blindstaren op het aantal fotonen dat in een signaal zou overblijven. Radiosignalen hebben zowel een golf- als een deeltjeskarakter, afhankelijk van hoe je ze meet. Een golf is prima oneindig deelbaar, een foton is dat niet. Als je uitgaat van het golfkarakter van een signaal, dan moet je "gewoon" lang en nauwkeurig meten en dan kan je de golf vastleggen. * Reptile209 's natuurkunde begint wel wat roestig te worden op dit gebied.

Dat werkt waarschijnlijk alleen als we een constante, herhalende toon uitzenden. Toegegeven, moderne pop-muziek lijkt daar wel eens op, maar over het algemeen horen we toch een veranderend signaal. Ofwel, lang meten gaat niet werken: de informatie wordt slechts 1 keer uitgezonden, dus je redt het denk ik alleen met heel nauwkeurig luisteren.

Ik kan mij in elk geval niet voorstellen dat je het met 50 radiofotonen/seconde gaat lukken om een 20kHz signaal te beluisteren. Zou hier het samplingtheorema van Shannon hier op gaan? Ik kan mij indenken dat het 'opdelen' van een analoog geluidsignaal in radiofotonen gezien kan worden als tijd-discreet maken, waarbij je dus voor een 15.000Hz breed geluidsignaal je 30.000 radiofotonen/seconde nodig hebt om het weer te reconstrueren. Maar mogelijk dat ik nu meerdere vakgebieden tegelijkertijd loop te misbruiken :-)

[kdekker]

jeronimo schreef op dinsdag 13 juli 2010 @ 00:49:
Vooropgesteld dat mijn kennis op dit gebied nogal roestig is.
Vroeger is geprobeerd mij te leren dat het zelfs mogelijk is om signalen die onder de ruisdrempel liggen nog te herkennen zijn mits de hoeveelheid informatie per tijdseenheid niet te hoog is. Deze methode werd gebruikt ten tijde van de vroege Pioneer en Voyager missie. De zendvermogens waren toen vrij gering en met wiskundige methoden als convolutie kon toch nog iets bruikbaars uit het ontvangen signaal worden gemaakt.

Dat er signalen onder het ruisniveau te herkennen zijn klopt wel. Bij een vorige werkgever van me werkten we met een systeem dat voor radiografische aansturing van voertuigen gebruikt werd. Als ik me goed herrinner kwam de techniek uit Israel (Tadiran?) en werd iets als convolutietheorie losgelaten op de signalen, om de data uit de (omgevings) ruis op te pikken. Bitrate was inderdaad niet zo heel hoog.

Je moet dan wel als zender/ontvanger goede afspraken maken hoe je het signaal codeert. Die afstemming is er met aliens niet En data uit een signaal vissen dat onder het ruisniveau ligt, zonder kennis van de codering lijkt me een stevige klus. Volgens mij werd de techniek die wij toen gebruikten ook in militaire kringen gebruikt, juist vanwege het feit dat decoderen van zo'n signaal erg lastig is/was. Ik spreek wel over een periode van langer dan 10 jaar geleden.

Overigens is 500kW zendvermogen behoorlijk wat. Zo'n vermogen wordt in ieder geval niet gebruikt voor uitzenden van gevoelige informatie (lijkt me)

[ Voor 4% gewijzigd door kdekker op 14-07-2010 17:31 ]