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EL TRATAMIENTO DE LA SEÑAL

RADIOASTRONOMÍA V - El receptor y las etapas de electrónica -

Hemos visto que básicamente un radiotelescopio se compone de tres partes: la antena, el receptor y un sistema de registro o almacenamiento de la señal debidamente tratada para poder ser interpretada.   En artículos anteriores ya se ha prestado suficiente atención a la antena.  Nos centraremos ahora en la etapa de tratamiento de la señal recogida por la antena, que en general puede considerarse como ruido radioeléctrico, hasta convertirla en algo con significado que dé información sobre la fuente que la produce.   El elemento principal de este conjunto electrónico es el receptor, claro, y en un radiotelescopio muy básico bastaría con un receptor capaz de sintonizar en el rango de frecuencias captadas por la antena, si la señal es de suficiente intensidad, para 'escuchar' a la radiofuente. (Véase el artículo nº 3 de la serie).

Pero evidentemente esto no es suficiente si se pretende algo más que escuchar ese ruido radioeléctrico.  Lo normal es que las señales que se quieran medir y estudiar sean muy débiles por lo que será necesario amplificarlas adecuadamente.  También es posible que deban ser convertidas a otro rango de frecuencias para hacer más fácil esta amplificación, que deban ser filtradas convenientemente para eliminar ruido, e incluso que deban ser digitalizadas para su mejor registro y análisis.  Resulta obvio, por tanto, que la cadena receptora estará integrada por múltiples elementos, (etapas de electrónica), en las cuales además se introducirán señales de calibración y otras de medida de tiempo, tanto para su registro como para hacer posible la sincronización con las señales de otros radiotelescopios, si se va a hacer interferometría, por ejemplo.

Uno de los principales cuidados que debe tenerse es el de que todos estos elementos no generen ruido electrónico a su vez.  Por tanto, dependiendo de las frecuencias a las que se quiera trabajar y de la calidad final que se desee, la etapa más crítica del conjunto se enfría por criogenización y se mantiene a unos pocos grados Kelvin.  De igual manera, amplificar y trabajar con señales de muy alta frecuencia es más complicado, por lo que la señal recibida de la radiofuente por la antena es mezclada con otra producida por un oscilador local.  Estos son los llamados receptores superheterodinos, los más usados en radioastronomía.  Con la señal de la radiofuente, νRF , y la del oscilador local, νLO , se genera otra llamada frecuencia intermedia, νIF , tal que  νIF = νLO  -  νRF .  La potencia de la señal de la frecuencia intermedia es directamente proporcional a la potencia de la señal de radiofrecuencia entregada por la antena, sin embargo su frecuencia es mucho menor y puede amplificarse convenientemente en las siguientes etapas.

En los receptores que trabajan con longitudes de onda mayores, antes de ser mezclada con la señal del oscilador local, la señal de la radiofuente pasa ya por un amplificador.  En estos receptores este amplificador determina la banda pasante del receptor y actúa, por tanto, de filtro de frecuencias de ruido de radio.   En los receptores de ondas más cortas, (centimétricas y milimétricas), normalmente se omite esta etapa previa amplificadora y la banda pasante viene determinada por la etapa amplificadora de la señal de frecuencia intermedia.  La señal de radiofrecuencia es recibida, a partir de aquí, en dos canales centrados en las frecuencias iguales a la suma y a la diferencia de la frecuencia del oscilador local y de la frecuencia intermedia.

Este proceso de filtrado de frecuencias en la etapa amplificadora corresponde a la obtención de los coeficientes de Fourier,  Aτ(ν) = τ φ(t) e2πiνt dt .  Mientras que el detector, a continuación, obtiene los cuadrados de los módulos de estos coeficientes:  |Aτ(ν)|2 .  τ  es el tiempo de integración del dispositivo registrador conectado a la salida del receptor y de este tiempo depende el flujo de radiación detectado.  Puede variar normalmente entre unos pocos segundos y un centenar.

Cuando se hace interferometría el procesamiento de la señal es idéntico, salvo que las señales de cada antena al final del tratamiento descrito son transmitidas y combinadas con las de las diferentes antenas para ser analizadas después.  En resumen, las ondas de radio que pueden haber viajado millones de años por el espacio y que son captadas por las antenas del radiointerferómetro, pasan por una cadena cuyas etapas son: canalización, recepción, conversión, transmisión, combinación y análisis.

Un ejemplo puede ayudar a entender este aparentemente complicado proceso. El sistema auditivo humano está diseñado de tal modo que cada uno de sus componentes cumple una función muy similar a dos radiotelescopios trabajando conjuntamente, en este caso con el propósito de hacer llegar el sonido al cerebro: al apuntar una oreja hacia la fuente de un sonido, gracias a su anatomía ésta canaliza el sonido y lo hace llegar a un receptor (el tímpano) capaz de captarlo y convertirlo en un impulso eléctrico que es trasmitido por el nervio auditivo hasta el cerebro. El cerebro recibe la señal de ambas orejas, las combina y analiza con el fin discernir sobre la naturaleza de la fuente (ej. quién, cómo, dónde).

El mayor sistema de radiointerferometría operativo actualmente es ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimiter Array), compuesto por un total de 66 antenas (Array), cuyas imágenes son equiparables en precisión a las que se obtendrían por un radiotelescopio con una antena de 14 Km de diámetro, (algo imposible de construir, evidentemente, con la tecnología actual).  Sin embargo acoplar 66 antenas para que trabajen sincronizadamente tampoco es trivial.

(pulsar en la imagen para ver animación)

La mayor dificultad consiste en apuntar todas las antenas simultáneamente a la misma región del cielo.  Por otra parte, sus respectivas electrónicas deben trabajar sincronizadamente con una precisión de una millonésima de millonésima de segundo.  Las señales de cada antena se envían a través de fibra óptica a un ordenador central (correlacionador) situado a 15 km.  La distancia de cada antena a este ordenador ha de ser conocida con una precisión de centésimas de milímetro.  Evidentemente, al correlacionador las señales de cada antena deberán llegar digitalizadas y hay que tener en cuenta la posible atenuación de las mismas en el recorrido hasta el mismo.

La etapa más crítica de la cadena del receptor en cada antena es enfriada a 4 ºK ( = -269 ºC).  La frecuencia original de la señal (entre 30 y 900 GHz  ≈  9.7 a 0.3 mm) se reduce a una frecuencia intermedia de 15 GHz.   A todo esto se le llama Front-End (FE).

A partir de aquí otro sistema, el Back-End (BE), se convierte en el sistema nervioso de ALMA.  Su función principal es transmitir la señal recibida de cada uno de los FE de cada antena hacia el correlacionador.  Primero, cada una de las señales es convertida a una frecuencia más baja, (2 - 4 GHz).  Después un sistema de digitalización procesa la señal, para luego transmitirla de nuevo por fibra óptica bajo tierra hasta el edificio central donde se encuentra el correlacionador.

Pero además de transmitir la señal hacia el correlacionador, BE cumple el rol de director de orquesta del conjunto, al enviar el compás de referencia a todos los elementos de ALMA para asegurar que el movimiento de las antenas, la electrónica y la escritura de datos a archivo sean efectuados en forma sincrónica. Un reloj atómico de Hidrógeno de altísima precisión ubicado en el edificio central (AOS) genera un pulso de referencia que el BE envía a cada uno de los componentes de ALMA estableciendo así una referencia temporal para la operación del arreglo. Y es más, el BE también envía una señal láser de ida y vuelta a través de la fibra óptica a cada antena utilizada para medir y monitorizar constantemente el largo de las fibras a medida que éstas se expanden o contraen debido a los continuos cambios de temperatura. Cualquier cambio en el largo de las rutas recorridas por las señales provenientes de cada antena hacia el correlacionador, son compensadas estirando o comprimiendo mecánicamente la fibra óptica. Este sistema de corrección del largo de fibra permite mantener la longitud del camino recorrido por las señales constante, con una estabilidad de 1 micrón.

El correlacionador por su parte es el cerebro de ALMA. Consiste en un súper-computador especialmente diseñado para ALMA. Su única función es tomar las señales provenientes de sus múltiples antenas y combinarlas generando datos astronómicos que posteriormente serán analizados. El correlacionador multiplica las señales de las distinta antenas, y guarda los datos en archivos llamados Visibilidades y que contienen toda la información necesaria para formar un imagen en 2-D de la región del cielo observada (además de proveer información espectral, o sea la capacidad de formar imágenes a distintas frecuencias). El proceso de pasar de las Visibilidades a una imagen científica conlleva una serie de etapas de calibración y reducción, para los cuales se utiliza un programa de reducción de datos especializado.

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Bibliografía - Radioastronomía (A.G. Pacholczyk) y almaobservatory.org


 

MUSEO de las CIENCIAS de CASTILLA-LA MANCHA