21世纪的业余无线电

无线电(HAM) summerdad 3年前 (2015-09-01) 305次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

今天许多经验丰富的工程师都是从业余爱好者或业余无线电开始进入电子行业的(关于 “业余无线电”术语的起源有许多说法,但说法不一)。然而,多年来随着时间的推移,这些工程师的工作、家庭和社交要求逐渐占了上风,许多业余无线电爱好者失去了兴趣,他们的执照也相继失效。与此同时,随着个人通信和家庭中互联网连接的蓬勃发展,许多年轻工程师也永远不需要将业务无线电作为研究电子技术的一种方式。他们已经错过了这种极具魅力的业余爱好带来的机会。

准确地讲,第一批无线通信达人都是业余无线电爱好者。Guglielmo Marconi 通常被公认为是无线电的发明者,他曾经在一次著名演讲中表示他自己就是一名业务无线电爱好者。在早期的无线电时代,商用、政府和业务电台共享相同的频谱,发送由开/关键控调制的宽带脉冲传输信号,并使用莫尔斯电码传送消息。这样的使用方式导致服务间存在很大的干扰,这种情况一直持续到政府介入并给不同服务分配指定频带才有所改善。

政府和商用电台被赋于想像中更加有用、不到 1500kHz 的中长波频谱,而业务无线电台被限于不到 200 米波长、频率超过 1500kHz 的频谱范围。当时的专家们认为这些频段无法用于长距离通信。

业务无线电爱好者很快发现,实际上在这些频率点长距离通信更加容易实现。随后出台了新的分配方案,政府和商用电台得到了一些“好的”频谱。然而,还是有不少频段保留给了业余爱好者。在 20 世纪 60 年代晚期,业余无线电爱好者被要求使用超过 30GHz 明显没有用的频率。但随着技术的发展,其它服务发现这些频率也有用。业务无线电爱好者现在则喜欢上了 300GHz 以上的频率专享使用权。

在美国,联邦法规第 47 篇第 97 部分掌控着业余无线电服务(参考文献 1)。它按以下原则描述了业余无线电服务的基本目的:认识和增强业余无线电服务对公众来说作为一种自愿、非商业通信服务的价值,特别是提供紧急通信服务;继续并扩展业余无线爱好者业已被证明的能力,为无线电艺术的发展作出贡献;在符合规则条件下鼓励和改善业余无线电服务,提升通信和技术阶段中的技巧;扩展训练有素的操作人员、技术人员和电子专家的业余无线电服务范围;继续并发展业余无线电爱好者的独特能力,增强国际亲和力。

执照

联邦法规第 97 部分要求业务无线电台获得执照才能发射信号。获得业务无线电执照的过程可能长达数年。很多年前,申请者必须通过严格的技术考核,包括凭记忆画出原理图。后来这种考试发生了很大的变化。所有问题现在都是多选题,涵盖技术、操作和法规主题,而且所有问题和答案——包括正确和错误的——都被公之于众。另外,许多国家的政府——特别是美国——已经将测试工作进行了高效的外包。

在美国,现在是由志愿主考官管理考试。志愿主考协调官将考试安排在方便的地方和时间(图 1)。在申请者顺利完成考试后,协调官会将需要的数据转发给联邦通信委员会,再由后者颁发带呼号的执照,这些呼号使用前缀和后缀识别每位执照持有人及他或她的执照所在地。在美国,现在有 3 类执照,每类执照有不同的权利组合,包括允许频段、模式和功率电平。通过更加高级的考试可以使执照持有人获得更多的权利。

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图 1:一群资深业务无线电爱好者在一次执照考查课上相聚。

不管是哪个类别的执照,美国业余无线电执照申请过程都不再要求具备莫尔斯电码知识。以前这个要求对许多有志于业务无线电的技术型专家来说是一个很大的障碍,因为他们不能或不愿征服莫尔斯电码。具有讽刺意味的是,给连续波(CW)操作保留的部分频段比以往任何时候都更拥挤,而新的执照持有人发现,窄带模式对弱信号工作来说比更宽的宽带模式更加有效,例如单边带(SSB)话音。

许多业余无线电爱好者使用话音模式进行联系,主要是 HF 频段的单边带模式和 VHF 与 UHF 的调频模式。连接 HF 单边带或 VHF 调频收发机且安装有声卡的电脑的信号处理能力推动了新模式的出现。即使配置一般的电脑都有足够的速度产生和译码用于传统无线电电报通信的 FSK 信号。

实验人员制定了调制方案和相关协议,再加上前向纠错机制,即使在低功率和小天线情况下也能支持直接的键盘到键盘交流。使用的各种 FSK 和 PSK 信号在传输到扬声器时会发现异常的嗡嗡声和尖叫声,而计算机可以轻松解调这些信号并将它们转换为可读的文本。一些聪明的业余无线电爱好者甚至可以使用电脑的信号处理能力模拟出二战时期机械的文本至无线电系统(如 Hellschreiber)产生的信号。

一些业余爱好者还实现了全运动视频信号的传输——通常在 VHF 或 UHF 频段,因为在这些频段上有足够的带宽使用。也有爱好者在 HF 频段使用话音带宽信号和电脑传输静止的照片。数据网络也通过使用各种系统得到了发展,包括 TCP/IP。

21 世纪设备

获得执照的业余无线电爱好者可以在 LF、MF、HF、VHF、UHF 和微波频段传输信号。如果有一副好的天线,业余爱好者的设备可以在许多频段上实现全球通信。

大多数业余无线电爱好者从商店购买他们需要的设备。多年前,最有名的品牌主要是一些美国公司,比如 EF Johnson 和 Heathkit,现在是 defunct Collins、Hallicrafters 和 Hammarlund。

今天,最流行的品牌主要是些日本公司,包括IcomKenwood、Yaesu 和 Alinco(图 2)。一些美国制造商,如 Elecraft 和 FlexRadio,已经进入市场十多年了(图 3),第一批中国制造的收发机正开始出现,它们来自欧讯(Wouxun)等制造商。

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图 2:Yaesu 公司的 FTDX-5000 高频收发机提供了当前最高的接收机性能。

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图 3:体积很小的 Elecraft K3 高频收发机具有很高的性能。

如今业余无线电设备中采用的技术有了长足的发展。大多数高性能的 HF/VHF 收发机中至少一些调制、解调和滤波功能使用上了数字信号处理技术。仔细划分模拟和数字信号处理部分可以取得最佳性能,今天的无线电设备可以提供出色的灵敏度和 100dB 动态范围,以及得到数字信号处理技术支持的选择性。虽然大多数无线电设备仍然保持着传统的前面板风格,包括一个大的旋钮用于控制频率,还有许多其它按键和旋钮,但一些较新的软件无线电(SDR)设备,比如 FlexRadio 的产品,放弃了这种传统面板风格,没有前面板控制,而是采用键盘和鼠标操作方式(图 4)。

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图 4:FlexRadio Systems 公司的 Flex-5000A 软件无线电根本没有前面板控制方式。

手持式 VHF 调频收发机经过发展现已包含多频段操作、嵌入式 GPS、用于显示相邻频谱上信号的频谱分析仪显示器甚至蓝牙。虽然还没有设备达到了智能手机的复杂程度,但触摸屏驱动的无线电设备和互联网连接离我们不会太远了。提到智能手机,目前已有数百种业余无线电应用可供这些手机使用,比如执照预习课程、卫星跟踪和远程站台控制。

然而,并不是所有业余无线电爱好者都是购买现成的设备。一些爱好者选择动手搭建他们自己的设备。业余无线电爱好者通常是富有激情的装配工,经常用邻居那里找到的遗弃的消费电子产品搭建他们的设备。许多业余无线电爱好者理解互调失真和相位噪声等概念,因为他们听说过这些信号的非理想效应,而且他们理解当名义上线性的放大器进入硬压缩状态时会发生什么现象。

自己搭建的无线电设备范围也十分广泛,从特别简单的发射机和接收机一直到真正先进的软件无线电(SDR)系统。在低端领域,一个有创造性的业余无线电爱好者会拆解紧凑型荧光灯泡,找到高速高压开关晶体管以及各类电容电感。然后增加一个 3.579MHz 的电视彩色脉冲石英晶体(这种晶体正好位于 80 米业余频段中间),这些部件就能让他搭建出一台 1.5W 的连续波发射机(参考文献 2)。

简单的接收机也很容易搭建。业余无线电爱好者 Charles Kitchin 已经开发出一系列超级可重组的接收机,它们都很容易装配,而且工作性能出奇的好(参考文献 3)。

高性能软件无线电组织的工作就是研究前沿的无线电设备。这个组织通过合作开发出了一系列使用最新高性能部件的模块,这些部件包括射频放大器、混频器、ADC、DAC、处理器和内存。举例来说,Mercury 接收机模块支持直接采样 0 至 65MHz 频谱信号,并使用一个 130M 样本/秒的 16 位 ADC 和 FPGA 实现数字下变频。开源软件执行所有信号处理和控制功能,硬件也支持第三方软件(图 5)。

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图 5:OpenHPSDR 向其开源合作性软件无线电设备提供模块化的设计。

对开发自己的软件无线电设备有兴趣的工程师可以搭建或购买射频前端/正交下变频器,并将它连接到电脑的音频输入端,然后购买或编写合适的解调和检测功能软件。将无线电的基带同步与正交输出连接到电脑的左右输入口就完成了所有的硬件工作。一些业余无线电爱好者搭建的软件无线电前端外形尺寸如同 USB 记忆棒,因此可以从这些 USB 插座取电。

对于更加倾向于经典模拟无线电设计的人来说,OpenQRP 是一个让人感兴趣的项目。“QRP”是低功耗发射机的业余无线电产品缩写(图 6)。这个组织的创建者、呼号为 K1EL 的 Steve Elliott 为简单的低功耗连续波收发机开发了一种开源的软硬件设计。他将流行的 Arduino 原型平台中的 Atmel 微处理器用于人机界面和各种控制功能,并提供 PCB 和整个器件套件。Elliott 还记录了开发过程中的反复试验内容,他的博客可以作为无线电设计的优秀教程(参考文献 4)。

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图 6:这种低成本低功耗的连续波收发机使用经典的具有灵活可编程控制接口的模拟无线电部件。

先进性

一些具体的业余无线电爱好可以让你的工程朋友甚至非工程朋友留下深刻印象。当你告诉人家你喜欢业余无线电时,他们经常会问,“你的无线电信号能传多远?”回答有些复杂,你也许能够给他们提供一些令人印象深刻的答案。对于非技术人员来说,我喜欢给出的一个答案是,从我在新英格兰的家开始,这么多年来我最长的联系距离是美国德州——这可是绕了很长的路哦。

大约 20 年前的一个上午,我正在 15 米、21MHz 频段操作,并将我的方向束天线对准了欧洲。这时一位德州的朋友呼入,并说他只有将天线指向太平洋时才能听到我讲话。我们尝试了很多方法,最后得出结论,我们事实上彼此隔着很远的距离在讲话。高频传播在一天的不同时段和不同季节能展示出令人感到有趣的不同行为,而长距离联系相对很普遍。

一些业余爱好者还在微波频段试验其它让人感兴趣和非同寻常的地面传播模式。2010 年,一群法国和瑞士的业余爱好者利用蒸气管道——在海平面上方大约 10 米至 20 米的低空中的一个水平层传导无线电信号,他们体验到比其它传播路径更低的衰耗。这些爱好者使用这个管道以 5.7GHz 和 10GHz 的频率在佛得角和葡萄牙之间建立了双向的单边带话音联系,这个距离长达 2700 公里或接近 1700 英里。发射机的功率是 15W 至 25W,天线是直径大约为 1 米的小型碟形天线。

多年前,诺贝尔奖获得者、天体物理学家 Joe Taylor(呼号为 K1JT)为各种 VHF/UHF 通信开发了称为 WSJF(弱信号 Joe Taylor)的协议与调制方案套件。在正常环境下,VHF 和 UHF 信号的传播距离只有几十或几百英里,具体取决于地形、天线增益和功率。WSJT 改变了这种情形。

有个版本的协议主要在电离流星余迹的射频反射路径中使用,这种路径的持续时间不到 1 秒。它能以速度大约相当于每分钟 100 字或 441 波特的速度发送一个 30 秒长的 4 音 FSK 序列,可以在生存期极短的路径上获得足够的比特来交换呼号和信号报告。无线电台轮流发送和接收,交换某些细节以验证路径的每端成功地完成了信号的检测和译码。虽然很多年来美国军方一直使用流星散射通信,但这种模式通常要求大型天线和高功率才能成功。Taylor 系统让较小台的台主也能成功实现流星散射通信。

另外一种 WSJT 模式是从地球到月亮再到地球或“月亮反弹式”通信,它使用月亮作为被动且不很高效的反射器。从月亮反弹回来的 144MHz 信号大约 2.5 秒后返回地球,功率比离开地球时减弱了近 250dB(图 7)。这个数据不是错的,路径损耗就有 250dB。

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图 7:月亮反弹式双向通信使用 WSJT 免费软件。

几十年来业余无线电爱好者一直在从月亮反弹信号,但只有拥有大功率发射机、非常灵敏的接收机和巨大天线的爱好者才能使用传统的连续波或单边带话音模式实现通信。假设发射机的功率为 1000W 或 60dBm,发射机和接收机的天线增益都是 20dBi,接收到的信号将是-150dBm。高性能接收机可以检测到这个窄带宽的微弱信号。一些业余无线电爱好者有时候使用架设在 Arecibo、Puerto Rico 的著名 1000 英尺射频天文碟形天线做月亮反弹试验。在 432MHz 的业余频段,这种碟形天线具有约 60dB 的增益,可以用单边带和连续波模式实现与简单基站的双向联系。

Taylor 的 WSJT 月亮反弹系统使用了一种近 1 分钟长的 65 音 FSK 调制序列和相当强的内置编码和纠错功能。幸运的是,现代 PC 机完全能够胜任编码和解码任务,它可以解码 2.4kHz 带宽内电平低于噪声 24 至 28dB 的信号。现在拥有简单的 100W 发射机和天线尺寸不大于电视天线的电台在正常情况下就可以与远在数千英里之外的电台进行通信,只要双方都能“见到”月亮。

业余无线电爱好者还使用除了月亮之外的其它卫星进行通信。经过多年的努力,业余爱好者设计、建造和发射了 100 多颗人造卫星,这些卫星通常携带一个或多个信标;用于各种内部管理功能和学生实验负载的遥感勘测信道;一个或多个异步雷达收发机,它们将一个业余频段用于上行链路,另一个频段用于下行链路。ARISSat(国际空间站卫星上的业余无线电台)-1 是在两位宇航员太空行走期间发射升空的。

许多太空人和宇航员拥有业余无线电执照。美国无线电传播联盟(ARRL)的 ARISS 计划经常安排国际空间站上的宇航员和学校小组进行演示交流。对业余无线电爱好者来说 ARRL 作为国家性联盟已近 100 年了。它出版的许多书籍涉及业务无线电爱好的方方面面,并且还有学习指南和手册。

呼号为 KB6NU 的 Dan Romanchik 是一位具有 40 年经验的资深业余无线电爱好者,也是一位经验丰富的电子工程师。他经常在销售套件的许多公司分享他的资源。这些套件不仅搭建时很有趣,而且是对这个关联博客贴子中的业余爱好者接收机的有用补充。

业余无线电可以丰富你的已有爱好。一些爱好者在“猎狐行动”中将徒步横渡旷野竞赛与无线电定向结合在一起。组织者将一系列小型无线电发射机藏匿在覆盖数平方英里的指定区域内,竞赛者必须使用便携式无线电设备和定向天线去定位每只“狐狸”。这种竞赛运动不仅要求技术技能,还要有奔走能力。另外一种活动则将爬山与业余无线电爱好结合在一起。登山者携带轻型电池供电的无线电台和便携式天线,可以充分利用由于高海拔可能带来的优秀信号传播性能。那些从许多山峰开始广播的操作者以及与他们取得联系的人可以在这种体育赛事中获奖。另外,许多海员也申请了业余无线电执照,并在他们的船只上安装了业余无线电设备。除了用于娱乐消遣外,还可在船上所有其它无线电系统发生故障时用作紧急备用设备。

当所有其它通信设备发生故障时,那些在社区中表现活跃的业余无线电爱好者经常组织出面与当地和区域性公用安全机构协调提供紧急通信。虽然大多数有线和无线通信系统依赖于在自然或人为灾难下基本不能幸存的基础设施,但业余无线电爱好者只需要一个无线电台、一个电池和一段导线就能开始广播。

参考文献

1. Part 97, Title 47, Federal Communications Commission, Sept 7, 2006, pg 587.

2. “Das DereLicht”

3. Kitchin, Charles, “A Short Wave Regenerative Receiver Project.”

4. OpenQRP

原文作者:Doug Grant(呼号 K1DG)


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