
              Messungen der Zunahme des Sonnenrauschens im S-Band
              ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
                         von James Miller G3RUH

                  bersetzt von Reinhard Richter DJ1KM (+)

                            12. April 2002

Diese Notizen dokumentieren ein Experiment, mit welchem die tgliche Zunahme
des Sonnenrauschens unter Zuhilfenahme einer kleinen Parabolantenne im S-Band
aufgezeichnet wird. Die Messungen wurden tglich um die Mittagszeit ber
einen Zeitraum von ein paar Wochen vorgenommen, um den Trend, Anomalien und
Fehler usw. herauszufinden.


Antennen-System  [Ref. 2]
------------------------
59-cm-Parabolspiegel f/d=0,35  Freq=2400 MHz

G=21 dBic   -3 dB +/-8   -10dB +/-14 mit einem zirkular polarisierten
Patch-Erreger von G3RUH/ON6UG. Montiert 11 m ber dem Boden in freier Umgebung
und abseits von allen "warmen" Streinflssen.

Vorverstrker SSB-Electronic SLN-2400   G = 27,5 dB  NF = 0,5 dB (35K)

Downkonverter SSB-Electronic UEK-2000

Geschtzte Trx = 40K  (einschlielich Stecker, Kabel, Konverter und FT-736R)

Ort 52,2N  0,1E  (Cambridge, England)


Messmethode
-----------
Zuerst wird die Antenne auf die Sonne gerichtet und das Sonnenrauschen notiert.
Dann wird die Antenne um 45 Grad weggedreht, ohne die Elevation zu verndern,
und das Sonnenrauschen erneut notiert. Die Differenz zwischen den beiden Werten
ist die "Zunahme des Sonnenrauschens". Fr jeden Eintrag werden sieben Werte
der Zunahme des Sonnenrauschens ermittelt. Der grte und der kleinste Wert
werden gelscht, und das Endresultat ergibt sich aus dem Durchschnitt der
verbliebenen fnf Werte. Jede Messung des Sonnenrauschens dauert mindestens
30 Sekunden. Siehe Anhang A als Beispiel.

Am Ende des Durchgangs, der etwa 10 Minuten dauert, wird die Elevation auf
90 erhht und der Pegel des Zenit-Rauschens interessehalber notiert.

Das Rauschen wird am NF-Ausgang eines FT-736R (Datenanschluss) mit einem
8-Bit-ADC [1] auf der Basis eines PIC16C71 gemessen, der an den seriellen Port
eine Computers angeschlossen ist. Die Abtastrate betrgt 10.000 Samples/sec.
Mit einfacher Software wird die Rauschleistung errechnet und dargestellt. Die
Messgenauigkeit betrgt etwa 0,02 dB (0,4K); siehe Anhang B.

Die Gertschaften werden mindestens eine Stunde vor der Messung zur
Stabilisierung eingeschaltet.

Es wird darauf geachtet, dass das in den Empfnger gelangende Signal nicht so
stark ist, dass bereits die AGC des FT-736R anspricht. Das kann durch Einfgen
eines 1-dB-Abschwchers in den Empfngereingang und einen entsprechenden
gleichzeitigen Rckgangs des Messwertes um 1 dB berprft werden.

Es wird darauf geachtet, dass nicht der ADC (Analog zu Digital Converter) mit
einem zu hohen Signal bersteuert wird.

Es wird darauf geachtet, dass die Antenne genau auf die Sonne ausgerichtet ist,
da dieses eine groe Fehlerursache ist, mglicherweise die grte. (Siehe
Anhang C)

Die Daten werden mit einfachen Formeln unter Verwendung eines Taschenrechners
aufgearbeitet, um das G/T-Verhltnis fr die gegebene Elevation zu ermitteln.
Unter Annahme eines bestimmten Antennengewinns wird auch der Wert fr Tsys
errechnet.


Formeln
-------
                     235
    G/T = (Y-1)  ------------            bei 2,4 GHz
                 SFU @ 2,7GHz

 WX     Wetter: BS helle Sonne; SC Sonne und Wolken; OC bewlkt; RG Regen
 SEL    Elevation der Sonne ber dem Horizont      Grad
 Sun    Sonnenrauschen bezogen auf AZ+45           dB
 Zen    Zenitrauschen bezogen auf AZ+45            dB
 SFU    Solarer Flux bei 2695 MHz                  10^-22 W/m^2/Hz  [Ref 3]
 G/T    Errechnet wie oben                         K^-1

 Tsys   = G / [G/T]                                K   (++)

 (++)   Bei Elevation SEL und mit angenommenem G=21 dB (x126)

 Diese Gleichung und die Konstante "235" wird im Anhang D abgeleitet.


Ergebnisse
----------
                                      Y            Solar
                               SEL   Sun     Zen   Flux   G/T   Tsys
Datum              UTC   WX   Grad    dB      dB    SFU   K^-1    K
-----------------------------------------------------------------------
2002 Feb 17 [Sun] 1100   OC    24    2,40   -1,16   169   1,03   123
2002 Feb 18 [Mon] 1130   BS    25    2,35   -1,10   180   0,94   134   **
2002 Feb 19 [Tue] 1155   OC    26    2,63   -0,90   177   1,11   114
2002 Feb 20 [Wed] 1135   SC    26    2,73   -1,02   176   1,17   108
2002 Feb 21 [Thu] 1137   OC    26    2,29   -1,47   172   0,95   133   **
2002 Feb 22 [Fri] 1110   OC    26    2,68   -0,90   186   1,08   117
2002 Feb 23 [Sat] 1100                              181
2002 Feb 24 [Sun] 1111   OC    26    2,43   -1,00   161   1,09   115
2002 Feb 25 [Mon] 1116   OC    27    2,72   -0,80   155   1,32    95
2002 Feb 26 [Tue] 1110   SC    27    3,04   -0,20   186   1,28    98
2002 Feb 27 [Wed] 1127   BS    28    2,87   -0,34   170   1,29    97
2002 Feb 28 [Thu] 1145   BS    28    2,73   -0,48   181   1,14   111
2002 Mar 01 [Fri] 1115   BS    28    2,61   -0,45   164   1,18   107
2002 Mar 02 [Sat] 1115   BS    29    2,23   -0,18   146   1,08   117
2002 Mar 03 [Sun] 1100                              163
2002 Mar 04 [Mon] 1152   SC    31    2,48   -0,04   160   1,13   111
2002 Mar 05 [Tue] 1125   SC    30    2,56   -0,53   145   1,29    98
2002 Mar 06 [Wed] 1215   OC    32    2,62   -0,35   155   1,25   101
2002 Mar 07 [Thu] 1138   OC    32    2,40   -0,08   156   1,11   113
2002 Mar 08 [Fri] 1140   OC    32    2,57   -0,29   151   1,25   101
2002 Mar 09 [Sat] 1100                              153
2002 Mar 10 [Sun] 1149   OC    33    2,46   -1,11   167   1,07   118
2002 Mar 11 [Mon] 1135   OC    33    2,55   -0,81   172?  1,09   115
2002 Mar 12 [Tue] 1135   BS    33    2,41   -0,95   172   1,01   124
2002 Mar 13 [Wed] 1144   OC    34    2,73   -0,75   149?  1,37    91   **
2002 Mar 14 [Thu] 1141   SC    34    2,59   -0,63   160   1,20   105
2002 Mar 15 [Fri] 1203   OC    35    2,52   -1,00   162   1,14   111
2002 Mar 16 [Sat] 1135   SC    35    2,39   -0,63   156   1,11   114
2002 Mar 17 [Sun] 1151   SC    36    2,59   -0,72   192   1,00   126
2002 Mar 18 [Mon] 1149   RG    36    2,52   -0,30   167   1,11   114
2002 Mar 19 [Tue] 1156   SC    37    2,93   -0,50   175   1,29    98
2002 Mar 20 [Wed] 1100                              164
2002 Mar 21 [Thu] 1207   SC    38    2,46   -0,54   161   1,11   113
2002 Mar 22 [Fri] 1218   OC    38    2,71   -0,59   162   1,27   100
2002 Mar 23 [Sat] 1205   SC    39    2,40           152   1,14   110
2002 Mar 24 [Sun] 1205   SC    39    2,40           158   1,10   115
2002 Mar 25 [Mon] 1205   SC    40    2,55           164   1,14   110
2002 Mar 26 [Tue] 1230   SC    40    2,53   -0,50   153   1,21   104
2002 Mar 27 [Wed] 1151   BS    40    2,55   -0,69   154   1,22   103
2002 Mar 28 [Thu] 1235   BS    40    2,75   -0,46   154   1,35    93   **
2002 Mar 29 [Fri] 1215   BS    41    2,50           168   1,09   116
2002 Mar 30 [Sat] 1135   BS    41    2,63   -0,49   171   1,15   110
2002 Mar 31 [Sun] 1150   OC    42    2,94           195   1,17   108
2002 Apr 01 [Mon] 1145   SC    42    2,62   -0,23   170   1,15   110
2002 Apr 02 [Tue] 1158   OC    43    2,89   -0,38   196   1,14   111
2002 Apr 03 [Wed] 1141   BS    43    2,60   -0,22   182   1,06   119
-----------------------------------------------------------------------

Der Durchschnitt der mittleren Systemtemperatur kann der letzten
Spalte entnommen werden:

  Mittlere Tsys ~ 110 K   s.d. 13 K   38 Punkte  (** ausgenommen extreme Werte).

Davon kommen 40 K vom Empfnger (bekannt), und die restlichen 70 K
stammen von der Antenne und dem Himmelsrauschen mit je ~ 35 K.

Mittlere G/T = 1,15  K^-1


Kommentare
----------
1. Auswirkungen eines strker rauschenden Empfngers
   -------------------------------------------------
Wenn ein Empfnger mit einer Rauschzahl von 1 dB (75 K) anstatt des Empfngers
mit der Rauschzahl von 0,56 dB (40K) in diesem Experiment verwendet worden
wre, wrde sich das SNR um ungefhr (70+75)/(70+40) oder etwa 1,2 dB
verschlechtern, nicht wirklich viel. Das zeigt, dass das Rauschen der Antenne
und des Himmels in diesem Experiment bei Elevationen von 25 - 40 wesentlich
zum Ergebnis beitrgt.

2. Mgliche Verbesserung mit einem rauschfreien Empfnger
   ------------------------------------------------------
Falls ein hypothetisch rauschfreier Empfnger (0 K) statt des gegenwrtigen
Empfngers (40 K) eingesetzt wrde, knnte sich das SNR des Signals maximal
um 110/(110-40) oder 2 dB verbessern.


Graphische Plots
----------------
Abb 1. zeigt den solaren Flux auf 2695 MHz ber den 45-tgigen Zeitraum dieses
Experiments. Die Vernderungen sind klar erkennbar und knnten sogar viel grer
sein als abgebildet. Das zeigt die Notwendigkeit, den tatschlichen solaren Flux
bei der Messung zu bercksichtigen und nicht den Durchschnittsangaben aus einem
Lehrbuch zu entnehmen. Die Daten stammen von Ref [3]. Die kompletten Daten sind
im Archivfile als   45day_rad.txt   enthalten.

Abb 2. ist eine Darstellung der gemessenen Daten. Die horizontale Achse ist der
solare Flux bei 2695 MHz, und vertikal ist das Verhltnis des Sonnerauschens
zum Hintergrundrauschen (Y-1) eingetragen, wobei Y dimensionslos ist. Im
Idealfall wrden alle Punkte exakt auf einer Diagonalen liegen. Aber Messfehler
sind unvermeidlich, die Verstrkungen variieren mit der Zeit und der
Temperatur, und das Signal selbst rauscht und ndert sich. Die diagonalen
Linien zeigen den Ort von SFU und (Y-1) fr verschiedene Werte von Tsys unter
der Annahme, dass der Antennengewinn 21 dBi betrgt. Diese zeigen den
wahrscheinlichen Tsys bei ungefhr 110 +/- 10K, wobei Tsys = Tsky+Tantenna+Trx
ist.

Abb 3. zeigt die Rauschwerte, als die Sonne durch einen festen Antennenstrahl
am 25. Mrz 2002 driftete. Azimut und Elevation der Antenne waren auf 180 bzw.
40 fest ausgerichtet. Damit wird deutlich gezeigt, dass exakte Ausrichtung der
Antenne erforderlich ist, wenn man genaue Rauschmessungen machen will, selbst
mit kleinen Parabolantennen. Jeder Punkt im Diagramm stellt den Mittelwert des
Rauschens ber 1 Minute dar. Der unechte Fleck bei -22 stammt von einem in der
Nhe befindlichen Mikrowellenherd. Wie man sehen kann, betrgt die Zunahme des
Sonnerauschens etwa 2,5 dB.


Anhang A: Typische Daten-Aufzeichnung
-------------------------------------
In einem Zeitraum, der sich ber 10 Minuten erstreckte, wurden sieben Messungen
der Zunahme des Sonnenrauschens (Y) gemacht. Die mit **** markierten Werte
wurden verworfen. Bei diesem Experiment sind die Vernderungen von Y recht
gering. Bei anderen Gelegenheiten kann die Spannweite 0,4 dB betragen, was auf
rtliche Strungen, kurze nderungen des solaren Flux, Ausrichtungsfehler oder
Verstrkungsschwankungen zurckzufhren ist. Letztere werden vorwiegend durch
Temperaturnderungen und zu einem geringeren Teil durch Schwankungen der
Versorgungsspannung verursacht.


   19. Mrz 2002  SEL 37  WX: Sonne, bewlkt  Zenit-Rauschen -13,11 dB

   UTC     1151    1154    1155    1157    1158    1200    1201

   Sun    -9,68   -9,78   -9,76   -9,64   -9,72   -9,60   -9,57   dB
   AZ+45 -12,57  -12,60  -12,57  -12,64  -12,65  -12,67  -12,54   dB
   -------------------------------------------------------------
   Y       2,89    2,82    2,81    3,00    2,93    3,07    2,97   dB
   -------------------------------------------------------------
                           ****                    ****
             _
   Mittleres Y = 2,922 dB            Rauschrckgang im Zenit -0,50 dB


Anhang B: Genauigkeit der Rauschmessung
---------------------------------------
Das hier benutzte Instrumentarium ist bekannt als "total power radio
telescope". Die zu messende Menge ist Rauschen, und dementsprechend enthlt die
Messung leichte Verwerfungen (engl. jitter). Die Gre dieser Verwerfungen
bestimmt die Auflsung des Instruments. Sie kann durch Vergrern der
Bandbreite vor dem Detektor und durch Erhhen der Messzeit zur Ermittlung des
Durchschnittswertes reduziert werden. Speziell der RMS-Fehler in der Messung
betrgt:

                 Tsys
  Trms   =   ------------
             (BW*Tav)^0,5

 wobei:

  Trms    RMS Messfehler als Temperatur            K
  Tsys    Rauschtemperatur des Messsystems         K
  BW      Bandbreite vor dem Detektor              Hz
  Tav     Zeit fr Durchschnittswertermittlung     s

In diesem Experiment ist Tsys = 110 K, BW = 2400 Hz fr den FT736R in USB Mode
und Tav = 30s.  Das ergibt Trms = 0,4K.

Damit wird ausgesagt, die Auflsung dieser Konfiguration betrgt ungefhr 0,4K
oder ausgedrckt in Dezibel 10 Log ((10+0,4)/110) = 0,02 dB in einer
Leistungsmessung.

Dieser Wert ist wesentlich geringer als andere mgliche Unsicherheiten,
wie z.B. eine kurzfristige Vernderung des solaren Flux, Fehler in der
Antennenausrichtung und durch Temperaturnderungen verursachte
Verstrkungsschwankungen.

Um tiefer in dieses Thema einzusteigen, wird auf Bcher verwiesen, die sich mit
Radio-Astronomie beschftigen, wie z.B. [4] Kapitel 7.


Anhang C: berlegungen zur Antennenausrichtung
----------------------------------------------
Die 0,25 dB Strahlungsbreite einer Antenne liegt ungefhr bei 1/3 der 3 dB
Strahlungsbreite. Fr einen kleinen 60-cm-Spiegel wie hier benutzt, sind das
+/-2,5 oder gerade +/- eine halbe Skaleneinteilung der Anzeige auf dem
Steuergert eines Yaesu/Kenpro Antennenrotors.

Das wird in Abb 3 dargestellt, in welchem das Rauschen angezeigt wird, whrend
die Sonne durch die Strahlungskeule der Antenne ber einen Zeitraum von 6
Stunden driftet. Ein Ausrichtungsfehler von +/-2,5 wrde eine um ca. 0,2 dB
zu geringe Messung ergeben.


Anhang D: Berechnung des Sonnenrauschens
---------------------------------
Gegeben:
   S   Flux-Dichte der Signalquelle          W/m^2/Hz
   Ae  Effektive Antennenflche              m^2
   k   Boltzmann-Konstante 1.38E-23          W/Hz/K
   T   Rauschtemperatur des Empfangssystems  K
   L   Wellenlnge                           m


Zunahme der Temperatur dT an der Antenne, wenn die Quelle kleiner ist als der
ffnungswinkel [4]:

        S Ae
   dT = ----                                                   (D-1)
        2 k

Die gemessene Leistungszunahme Y bezogen auf dT betrgt:

        T + dT
   Y  = ------                                                 (D-2)
          T

Der Antennengewinn G wird definiert durch:

        4 pi Ae                                                (D-3)
   G =  -------
          L^2

Eliminieren von Ae und dT ergibt:

         Y-1
   G/T = ---                                                   (D-4)
          I

Wobei I bestimmt wird durch:

          S L^2
   I =  ---------                                              (D-5)
         8 pi k

Der solare Flux S wird in Ref 3. fr 1,4 GHz and 2,7 GHz aufgelistet und
variiert etwa mit Frequ^0,45. Das ergibt fr 2,4 GHz (L=0,125 m):

   S = (SFU @ 2,7 GHz) * 0,9492                                (D-6)

Auswerten der Gleichung D-5 ergibt:

         SFU @ 2,7GHz
   I =   ------------       Kelvin bei 2,4 GHz.                 (D-7)
             235


Referenzen
----------
1. "Serial Port A/D Converter for DSP", Andy Talbot G4JNT und Lee Wiltshire
    G0IAY", Radio Communication (RSGB Radcom), April 1997, Seiten 37-38.

2.  http://www.jrmiller.online/products/s_ant.html

3.  Daten des Solar Flux von     [ 2018 Nov ]
    ftp://ftp.swpc.noaa.gov/pub/lists/radio/45day_rad.txt

4.  J.D. Kraus "Radio Astronomy", 2. Auflage, Cygnus Quasar Books, 1986.
    ISBN 1-882484-00-2.  Adresse des Verlegers: PO Box 85, Powell, Ohio 43065,
    USA.  Der Autor ist natrlich W8JK.


2020 Jul 19  Aktualisiert:  URL Ref 2.