Ein softwaredefiniertes Radio-Tutorial: Bilder von der Internationalen Raumstation und Hören von Funkamateuren mit einem RTL-SDR

Funk ist das Senden und Empfangen von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen, die länger als die von Infrarotlicht sind. Es sei Ihnen jedoch verziehen, wenn diese Definition keinen Sinn ergeben hat, und bis vor ein paar Jahren hätte sie das auch nicht für mich tun müssen. Funktechnologie treibt fast alle drahtlosen Verbindungen um uns herum an: Bluetooth, WiFi, 3G, 4G und Ihr Mikrowellenherd – all diese arbeiten nach Funkprinzipien. Die Technologie ist über hundert Jahre alt, und doch stellte ich fest, dass ich sehr wenig darüber wusste.

Also beschloss ich, mit dem Lernen zu beginnen, und wandte mich an meinen nationalen Amateurfunkverband, die Pakistan Amateur Radio Society (PARS), ein Mitglied der International Amateur Radio Union (IARU), die wiederum den Amateurfunk bei der International Telecommunication Union vertritt ( ITU), die UN-Agentur, deren Aufgabe es ist, Telekommunikationsoperationen und -dienste weltweit zu koordinieren. PARS betreibt ein paar Radio-Repeater im ganzen Land, und einer davon war in Lahore, wo ich lebe.

Während das Radio grundsätzlich dieselbe Technologie verwendet, seit Guglielmo Marconi 1895 zum ersten Mal seine Experimente durchführte, haben uns verbesserte Schaltungsdesigns und Signalverarbeitungstechniken ermöglicht, viel mehr und viel weiter als zuvor zu senden. Jetzt ist es für jemanden mit einem Laptop und Ausrüstung im Wert von weniger als 30 Dollar möglich, eine breite Palette von Funkfrequenzen zu empfangen, und genau das werden wir tun.

In diesem Software-Defined-Radio-Tutorial werde ich ein Software-Defined-Radio-Gerät (SDR) und eine Antenne einrichten und über den Lahore-Repeater einem Gespräch zwischen zwei lizenzierten Amateurfunkern zuhören. Ich werde dann dieselbe Ausrüstung verwenden, um ein Bild zu empfangen, das von der Internationalen Raumstation, einem Raumschiff, das die Erde umkreist, gesendet wird, und es verwenden, um den ARISS SSTV Award zu gewinnen, der demonstriert, wie einfach es ist, das Funkspektrum mit billiger Ausrüstung zu durchsuchen und erkannt zu werden . Über die in diesem Artikel verwendete Hardware können Sie nur Funkübertragungen empfangen und keine eigenen senden, aber das ist in Ordnung, da Sie vorher sowieso eine Amateurfunklizenz benötigen.

Vorsicht! Es ist sehr einfach, mit Funkgeräten eine illegale Aktivität durchzuführen, weshalb Sie in diesem Artikel immer wieder gewarnt und auf das Gesetz verwiesen wird. Der Autor lebt in Pakistan und führte diese Experimente legal in Pakistan durch. Während die Bundesfunkgesetze in Pakistan streng restriktiv sind, könnte Ihre Rechtsprechung noch restriktiver sein. Im Jahr 2019 wurde ein Experte der Vereinten Nationen in Tunesien festgenommen, weil er dasselbe softwaredefinierte Funkgerät besaß, das wir verwenden werden. Es liegt in Ihrer Verantwortung sicherzustellen, dass Sie bei der Durchführung von Funkexperimenten die örtlichen Gesetze einhalten. Bitte beachten Sie jedoch: Ich bin kein Jurist, und dies stellt keine Rechtsberatung dar. Zur Klärung müssen Sie Ihren eigenen Anwalt konsultieren.

Wenn Sie in Pakistan leben, müssen Sie eine PARS Shortwave Listening (SWL)-Mitgliedschaft erwerben, bevor Sie einen Funkempfänger erwerben . Das pakistanische Gesetz über drahtlose Telegrafie von 1933 verbietet den Besitz von drahtlosen Telegrafiegeräten; SWL-Mitglieder dürfen jedoch Empfänger besitzen. Wenden Sie sich an mich, um ein PARS-Referenzschreiben zu erhalten, wenn Sie Mitglied werden möchten.

Einrichten unserer Dipolantenne und unseres SDR-Empfängers

„Was ist überhaupt ein ‚softwaredefiniertes‘ Radio?“ Ich höre dich fragen!

Ein softwaredefiniertes Funkgerät ist ein Funkgerät, bei dem die meisten elektrischen Komponenten in Software „emuliert“ sind. Vor dem Aufkommen von SDRs brauchte man eine dedizierte Schaltung, um die Aufgabe der Verarbeitung der Signale zum und vom Funkgerät zu erfüllen. Dinge wie Signalfilterung, Frequenzmischung, Funkwellenerkennung, Signalverstärkung, Modulation/Demodulation und andere wurden mit dedizierten Schaltungen durchgeführt. Da Computer jedoch schneller geworden sind, können wir diese Funktionen stattdessen in Software ausführen, wodurch diese Art von Funkgeräten softwaredefiniert wird.

Ein beliebter (und billiger) SDR-Empfänger ist der Digital Video Broadcast (DVB-T)-Empfänger mit dem Realtek RTL2832U-Controller und der integrierten Schaltung des Tuners. Während ihr ursprünglicher Zweck darin bestand, Video zu empfangen, werden diese nun für den Empfang von Funksignalen umfunktioniert und sind als RTL-SDR-Geräte bekannt. Ich verwende den RTL-SDR-Empfänger und Dipol von RTL-SDR.com. Es kostet derzeit 29,95 $, wird weltweit versandt, wird mit einem temperaturkompensierten Oszillator (TCXO) und einem Bias-T-Stück geliefert, die großartig zu haben sind, aber den Rahmen dieses Artikels sprengen würden. Es wird auch mit einem einstellbaren Dipolantennen-Kit geliefert, mit dem Sie Signale von ~70 MHz bis ~1030 MHz hören können.

Tag 2 von ARISS Int'l F2F:
David Honess von der ESA eröffnet die heutigen Sitzungen und schlägt hervorragende Möglichkeiten vor, Kinder mit ISS-Amateurfunkprojekten unter Verwendung von Raspberry Pi, RTL-SDR, Kommunikation im SSTV-Modus usw. über eine Online-Verbindung zu unserem F2F-Treffen in Montreal einzubeziehen. pic.twitter.com/Mp25cljrAH

– ARISS (@ARISS_status) 27. Juni 2019

Das RTL-SDR-Dipol-Kit, das ich verwende, wurde auch von Vertretern der Europäischen Weltraumorganisation beim Internationalen Treffen von Amateur Radio in Space (ARISS) im Juni 2019 empfohlen.

Das Aufstellen der Antenne ist einfach. Schrauben Sie die langen Zinken der Antenne in die Mitte, montieren Sie sie mit dem mitgelieferten Saugnapf an einem Fenster und öffnen Sie die Dipolarme jeweils genau 49,65 cm (1 Fuß 7,55 Zoll). Verbinden Sie das weibliche Ende des mitgelieferten längeren Kabels mit dem männlichen Ende des Dipols, das männliche Ende des längeren Kabels mit Ihrem SDR und montieren Sie dann die Antenne vertikal so hoch wie möglich draußen. Am besten an einem Fenster mit der mitgelieferten Saugnapfhalterung. Hier ist ein Bild, wie es aussehen sollte:

Schrauben Sie schließlich das baumelnde Ende des langen Kabels in Ihren SDR und stecken Sie Ihren SDR in den USB-Anschluss Ihres Computers. An diesem Punkt können Sie mit einer beliebigen Anzahl von SDR-Anwendungen arbeiten, aber da ich auf MacOS arbeite, wo die Optionen begrenzt sind, verwende ich CubicSDR.

 brew cask install cubicsdr

Beim Öffnen von CubicSDR wird Ihnen ein Dialogfeld angezeigt, in dem Sie Ihr SDR und seine Einstellungen auswählen können. Wählen Sie den Generic RTL2832U OEM , wie ich ihn im Bild gewählt habe, und ändern Sie die Abtastrate auf 2,048 MHz

Wenn CubicSDR startet, können Sie sofort mit dem Durchsuchen des Spektrums beginnen. Ich empfehle, mit vertrauten UKW-Radiosendungen zu beginnen. Hier ist ein Video von mir, wie ich die lokalen Radiosender durchsuche, wie sie mir in Lahore zur Verfügung stehen.

Als nächstes hören wir uns zwei Amateurfunker auf der Lahore an, Repeater, aber bevor wir anfangen, wollen wir diskutieren, was Amateurfunk überhaupt ist.

Was ist Amateurfunk?

„Okay, aber was ist Amateurfunk?“ Ich höre dich dieses Mal fragen!

Amateurfunk ist die Nutzung des Funkspektrums durch lizenzierte Betreiber für nichtkommerzielle Aktivitäten. Dazu können Kommunikation, Training, Experimente, Wettbewerbe oder mehr gehören. Jede Gerichtsbarkeit kann auch ihre eigene rechtliche Definition haben. Funkamateure dürfen nur die für den Amateurdienst bestimmten Frequenzen verwenden.

„Amateurdienst“ bezeichnet einen Funkdienst zum Zweck der Selbstausbildung, der gegenseitigen Kommunikation und der technischen Untersuchung, der von Amateuren durchgeführt wird, d. h. von Personen, die gemäß dieser Verordnung ordnungsgemäß ermächtigt sind und an der Funktechnik ausschließlich zu einem persönlichen Zweck und ohne finanzielles Interesse interessiert sind; – Vorschriften für Amateurfunkdienste, 2004, Pakistan

Wenn das geklärt ist, schauen wir uns an, was unsere lokalen Amateurfunkfrequenzen sind. Sie werden zusammen mit den Definitionen des pakistanischen Frequency Allocation Board in einem Dokument namens Pakistan Table of Frequency Allocations veröffentlicht. Ich behalte einen Überblick über sie alle, um sie einfach nachschlagen zu können, aber hier sind die sehr hohen Frequenzbänder (VHF):

Trotzdem hier ein wichtiger Hinweis zur Rechtmäßigkeit : Der RTL-SDR und dieses Setup sind unglaublich leistungsfähig. Auch wenn Sie nur Zugang zu einem kleinen Teil von Pakistans (oder Ihrem lokalen) ausgewiesenen Amateurbereichen haben, die normalerweise von 1.800 KHz bis 250 GHz reichen, gibt es andere Dienste, die auf dem Spektrum betrieben werden. Sie sollten sich darüber im Klaren sein, welche Dienste Sie anhören können oder was noch wichtiger ist: In Pakistan können Sie ebenso wie in Großbritannien keine Übertragungen anhören, die nicht für Sie bestimmt sind und nicht für die Öffentlichkeit bestimmt sind Daher kann in Pakistan gemäß dem Pakistan Telecommunication (Reorganization) Act von 1996 und dem Prevention of Electronic Crime Act von 2016 eine Geldstrafe oder eine Gefängnisstrafe verhängt werden. Unabhängig davon liegt es in Ihrer alleinigen Verantwortung, sich über die örtlichen Gesetze zu informieren . Welche Übertragungen Sie in den USA hören können, hängt von Ihrer örtlichen Gerichtsbarkeit ab.

Hören von Amateurfunkern auf dem Lahore Repeater

„Du willst, dass ich frage, was ein Repeater ist, oder?“ du fragst. Und ich bin froh, dass du gefragt hast.

Wenn Funkgeräte miteinander kommunizieren, haben sie alle ihre eigenen Reichweitengrenzen. Stellen Sie sich vor, Alice und Bob wollten miteinander sprechen, aber die Entfernung zwischen ihnen war viel größer, als ihre Funkgeräte übertragen konnten. Jetzt könnten Alice und Bob ihre Funkgeräte aufrüsten, aber das wäre teuer. Stattdessen können sie ihr Geld zusammenlegen und einen Repeater zwischen sich installieren. Der Repeater kann superstark sein oder gerade stark genug, dass seine Übertragungen sie beide erreichen.

Ein Repeater ist ein Gerät, das, nun ja, wiederholt , was es hört. Es wiederholt das, was es auf einer Frequenz hört, auf einer anderen Frequenz. Der Zweck eines Repeaters besteht darin, die Reichweite anderer Funkgeräte zu erweitern. Es wird normalerweise an einem zentralen Ort und sehr hoch oben platziert, um eine klare Sichtlinie auf den Bereich zu haben, den es abdeckt. Es kann auch eine große Menge an Leistung abgeben, so dass auch sehr weit entfernte Funkgeräte es hören können. In der obigen Abbildung sehen wir visuell, wie ein Repeater zwei kleinen Handfunkgeräten helfen kann, über große Entfernungen miteinander zu sprechen. Genau so arbeitet der Lahore-Repeater, nur mit mehr Leistung.

Der Lahore-Repeater arbeitet auf einer Frequenz von 147,360 MHz*. Bevor Sie diese Frequenz einstellen, stellen Sie Ihren Modulationswähler auf Schmalband-Frequenzmodulation (NBFM/NFM), wir werden später mehr darüber erfahren, wie das funktioniert. Bei dieser Frequenz hören Sie alle fünf Minuten eine Reihe von Tönen. Einen davon habe ich hier für dich aufgenommen:

Was sind das genau für Töne? Ein Blick auf die Wellenform gibt uns einen Hinweis.

Wenn Sie es noch nicht verstanden haben, ist dies der Morsecode. Da diese Wellenform eine Darstellung von Amplitude und Zeit ist, sind die kurzen Pieptöne Punkte und die langen Pieptöne Striche. Das Audio signalisiert also .-.. … .-. was zu LHR, der Stadtabkürzung für Lahore, dekodiert wird. Dies sagt Ihnen, dass der Repeater online ist, Sie auf die richtige Frequenz eingestellt sind und dass Sie den Lahore-Repeater hören.

Während ich wartete, bat ich meinen Freund und lizenzierten Amateurfunker Badar Jamal, AP2BDR, den Leiter des PARS-Lahore-Kapitels, sich kurz mit mir zu unterhalten, während ich auf den Lahore-Repeater eingestellt war. Ich habe eine besondere Genehmigung der pakistanischen Telekommunikationsbehörde, ein Funkgerät unter der Aufsicht eines lizenzierten Betreibers wie AP2BDR zu betreiben. Das Gespräch fand zu einem besonders ungünstigen Zeitpunkt statt, als das Spektrum sehr verschmutzt war, also Rauschen vorhanden war. Auch trotz meiner Bemühungen, etwas Abstand zwischen mich und den RTL-SDR zu bringen, scheinen meine Übertragungen das Gerät an einigen Stellen zu überwältigen, aber hier ist das Gespräch unten. Ich arbeite unter einer Erweiterung des Rufzeichens von PARS als AP2ARS/November.

Und so können Sie ein Amateurfunkgespräch zwischen zwei lizenzierten Betreibern auf einem Repeater mithören. Der Vorgang wäre derselbe, wenn sie ohne Repeater senden würden, da RTL-SDR nicht sendet. Bei Sendegeräten ist der Aufbau allerdings etwas aufwendiger, da sie auf einer anderen Frequenz senden müssen als auf der sie empfangen. Wenn Sie wie ich sind, hat dies jedoch mehr Fragen als Antworten für Sie hinterlassen. Ich werde die Wissenschaft dahinter im nächsten Abschnitt erklären.

Bilder von einem Raumschiff empfangen: SSTV-Ereignisse von der Internationalen Raumstation

Die Internationale Raumstation (ISS) ist ein großer künstlicher Satellit, der die Erde umkreist. Es ist ein Weltraumforschungslabor, das durch eine Reihe komplexer Vereinbarungen und Verträge im gemeinsamen Besitz von fünf verschiedenen Weltraumbehörden ist: NASA (USA), Roscosmos (Russland), JAXA (Japan), ESA (Europa) und CSA (Kanada). Da die internationale Raumstation ein Raumschiff ist, das von einer Besatzung betrieben wird, ist sie technisch gesehen ein Raumschiff, und da sie die Erde umkreist, ist sie auch ein Satellit.

Die ISS betreibt einen Amateur-Satellitendienst im Rahmen des Programms Amateur Radio on the International Space Station oder ARISS. Mit diesem Dienst können Sie die ISS kontaktieren, wo Sie mit Amateurfunk-Astronauten sprechen können, aber von Zeit zu Zeit führt ARISS spezielle SSTV-Ereignisse (Slow Scan Television) durch, bei denen Bilder über 145,8 MHz im Schmalband-FM-Modus übertragen werden. Eines dieser Ereignisse fand zwischen dem 1. und 4. August 2019 statt und wurde als ARISS Garriott Memorial SSTV-Aktivität bezeichnet. Die Veranstaltung „feiert [d] das Leben und die Errungenschaften des Astronauten, Wissenschaftlers und Amateurfunkpioniers Owen Garriott mit einer SSTV-Gedenkveranstaltung mit Bildern von Garriotts Arbeit mit dem Amateurfunk während seiner Weltraummissionen.“ Er war der erste Funkamateur, der aus dem All operierte.

Für dieses Event habe ich meinen Dipol und meinen RTL-SDR auf dem Dach aufgestellt. Das Signal war allerdings unglaublich schwach, so dass ich mit meinem RTL-SDR nur bei einem außergewöhnlich starken Pass ein Teilbild bekommen konnte. Für den Rest der Veranstaltung habe ich alternative Ausrüstung verwendet. Andere PARS-Mitglieder hatten jedoch mehr Erfolg mit RTL-SDRs und einer selbstgebauten Antenne aus Kupferrohr und Koaxialkabel. Der Prozess zum Abhören des Signals war dem vorherigen sehr ähnlich, abgesehen von einem zusätzlichen Schritt: der Berücksichtigung des Doppler-Effekts.

Hauptwort: Doppler-Effekt

eine Zunahme (oder Abnahme) der Frequenz von Schall, Licht oder anderen Wellen, wenn sich Quelle und Beobachter aufeinander zu (oder voneinander weg) bewegen. Der Effekt verursacht die plötzliche Änderung der Tonhöhe, die bei einer vorbeifahrenden Sirene wahrnehmbar ist, sowie die von Astronomen beobachtete Rotverschiebung.
- Google

Der Doppler-Effekt oder die Doppler-Verschiebung ist die scheinbare Änderung der Frequenz, wenn sich der Emitter nähert. Denken wir an eine Krankenwagensirene. Wenn es auf uns zukommt, hat es eine hohe Tonhöhe, aber wenn es an uns vorbeifährt, macht es diese seltsame Sache, bei der sich der Ton plötzlich ändert und in der Tonhöhe tiefer wird. Als Kind fand ich das immer komisch: Warum haben Krankenwagenfahrer mir das angetan? Woher wussten sie, dass sie mich überholten, als ich drinnen war? Es stellt sich heraus, dass es jedem passiert, und nicht nur wegen des Sounds. Der Doppler-Effekt ist in allen Wellen sichtbar, einschließlich Radio und Licht. Blauverschiebung ist, wenn Sterne für uns blau erscheinen, eine höhere Wellenfrequenz, wenn sie sich der Erde nähern, und Rotverschiebung ist, wenn sie rot erscheinen, eine niedrigere Frequenz, wenn sie sich entfernen. Zur Demonstration empfehle ich dieses hervorragende Video.

Die Doppler-Verschiebung manifestiert sich in der Funkkommunikation von Satelliten als eine Zunahme der Tonhöhe, wenn sich der Satellit auf Sie zubewegt, und eine plötzliche Abnahme, wenn er sich entfernt. Auf dem Wasserfall des SDR würde es so aussehen:

Um den Effekt zu kompensieren, hielt ich mein Radio auf etwas über 145,8 MHz, als der Satellit aufstieg, änderte es nach unten, als der Satellit seinen Scheitelpunkt erreichte, und stellte es weiter nach unten, als es unterging. Denken Sie daran, dass ich zwar einen Teil erhalten habe, aber das folgende Audio erhalten habe:

Wenn Sie dies abspielen und einen SSTV-Decoder wie die Robo36-Android-Anwendung ausführen, der auf den PD120-Modus eingestellt ist, sollten Sie das folgende Bild erhalten:

Eine Foto-Hommage an Owen Garriot, den ersten Funkamateur, der aus dem All operiert. Ein echtes Bild, das ich direkt von einem Raumschiff erhalten habe. Mit diesem Bild habe ich den ARISS SSTV Award gewonnen.

Lassen Sie uns nun verstehen, wie die Funktechnologie funktioniert.

Radio entmystifizieren: Die Wissenschaft hinter der Magie

Okay, also, wenn Sie wie ich sind, möchten Sie mehr wissen. Wie überträgt ein Mann, der in ein Mikrofon spricht, unsichtbare Wellen (was sind überhaupt Wellen?), die von einer anderen magischen Box am anderen Ende aufgenommen („abgeholt“) und in Klang umgewandelt werden? So viele Fragen. Lass uns anfangen. Wenn einige dieser Konzepte zunächst keinen Sinn ergeben, ertragen Sie es einfach bis zum Ende. Lass uns diskutieren:

• Wechselstrom und wie er magnetische Wellen erzeugt
• Das elektromagnetische Spektrum und Radiofrequenzen
• Wie Funkgeräte Sprache in Funkwellen codieren und aus ihnen decodieren

Wechselstrom und wie er elektromagnetische Wellen erzeugt

Wahrscheinlich kennen Sie Gleichstrom, z. B. wenn Sie eine LED an eine 12-V-Batterie anschließen. Diese Art von Elektrizität gibt eine konstante Spannung ab und wird als Gleichstrom (DC) bezeichnet. Wenn wir den Stromfluss im Draht aufzeichnen würden, würden wir ungefähr Folgendes erhalten:

Sie wissen wahrscheinlich, dass Strom, der durch einen Draht fließt, ein konstantes Magnetfeld in einem Kreis um ihn herum verursacht. Es sieht ein bisschen so aus:

Sie können diesen Effekt in diesem YouTube-Video demonstriert sehen.

DC tut jedoch nichts für Radio. Wir verwenden seinen interessanteren und tödlicheren Bruder: Wechselstrom (AC). Wechselstrom unterscheidet sich von Gleichstrom, da er der Last nicht eine konstante Spannung zuführt, sondern zwischen Abgabe und Entnahme wechselt. Wechselstrom ist das, was Sie erhalten würden, wenn Sie in Ihrem Haus an die Hauptstromversorgung angeschlossen wären. In Pakistan erhalten wir 230 Volt abwechselnd mit 50 Hz oder Hertz (mach dir jetzt keine Sorgen um Hertz), was ähnlich wie in Großbritannien ist, aber in Nordamerika erhältst du 120 Volt mit 60 Hz. Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass es mit 1 Hz arbeitet. Hier ist ein Diagramm, wie mein Stromnetz aussehen würde:

Nun, hier ist das Interessante an Wechselstrom: Aufgrund eines sich ändernden Stroms werden wir jetzt ein sich änderndes Magnetfeld um den Draht herum verursachen. Wechselnde Magnetfelder haben eine besondere Eigenschaft, sie induzieren Ströme in Drähten, die sie durchqueren! Dies wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet. Der gesamte Funk besteht im Wesentlichen aus elektromagnetischer Strahlung und Induktion durch Wechselstromwellen. Hier ist ein Video von einem Mann, der eine Glühbirne von einer Dipolantenne entfernt, die auf die gleiche Länge wie unsere eingestellt ist, und ein Signal im 2-Meter-Band:

Das 2-Meter-Band ist übrigens dasselbe Band, auf dem wir AP2BDR und AP2AUM sprechen hörten, aber was ist dieses „Band“, von dem ich spreche? Sehen wir uns das als nächstes an, wenn wir etwas über Funkfrequenzen lernen.

Funkfrequenzen und das elektromagnetische Spektrum

Elektromagnetische (EM) Strahlung bezieht sich auf die Wellen mit elektromagnetischen Komponenten, die sich durch den Weltraum ausbreiten. Im obigen Video haben Sie einen Mann gesehen, der EM-Strahlung mit einer Dipolantenne aussendet und sie dann auch in einer empfängt. Genau das haben wir in unserem Experiment gemacht, allerdings mit weniger Leistung. Radiowellen sind EM-Energie, aber sie sind nicht das einzige, was als solche klassifiziert werden kann. Einige andere Beispiele umfassen Licht, ionisierende Strahlungen wie Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Der Unterschied zwischen all diesen ist die Rate, mit der die EM oszilliert. Dies wird sowohl in Frequenzen als auch in Wellenlängen gemessen und manchmal für Amateurfunkbereiche als „Meterbänder“ ausgedrückt. Lass uns einen Blick darauf werfen.

Ein Zyklus ist die Bezeichnung für eine vollständige Schwingung und wird normalerweise von Spitze zu Spitze in der Grafik gemessen. Die „Frequenz“ einer Welle ist die Anzahl der Zyklen, die sie in einer Sekunde durchläuft, und die Einheit, die dies bezeichnet, ist das Hertz (Hz). Im obigen Diagramm messen wir eine Frequenz von 1 Zyklus pro Sekunde oder 1 Hz. Dies bedeutet, dass die Wechselstromwelle 1 Mal pro Sekunde zwischen Abgabe und Aufnahme von Strom oszilliert.

Um die Wellenlänge zu verstehen, stellen wir uns visuell vor, wie unser Wechselstrom in einem Draht aussehen würde. Stellen wir uns vor, die Zeit stoppt und wir betrachten einen unbekannten Wechselstrom, der durch einen Draht fließt. Die hohen Spitzen sind dort, wo der Draht positiv polarisiert ist, die flachen Täler sind dort, wo der Draht negativ polarisiert ist.

Können Sie, wenn Sie das Kabel visuell betrachten, die Länge eines Fahrrads in Metern messen? Denken Sie daran, dass ein Zyklus von Spitze zu Spitze gemessen wird. Wenn Sie die Antwort haben, lesen Sie weiter.

Was Sie gerade gemessen haben, ist die Wellenlänge eines Signals in einem Draht. Die Beziehung zwischen der Wellenlänge eines Signals und seiner Frequenz

$ \lambda = \frac{c}{f} \times VF $

Dabei ist $f$ die Frequenz der Welle in Hz, $c$ die Lichtgeschwindigkeitskonstante, ausgedrückt in Metern pro Sekunde, $\lambda$ die Wellenlänge in Metern und $VF$ der Geschwindigkeitsfaktor.

Die $VF$ wird durch die Gleichung gegeben:

$ VF = v/c $

Wobei $v$ die Geschwindigkeit ist, mit der sich das Signal durch das Material ausbreitet.

Nehmen wir fürs Erste an, dass sich Signale bei $c$ durch das gesamte Material ausbreiten, was $v = c$, $VF = 1$ ergibt, und wir können unsere Gleichung für die Wellenlänge so vereinfachen, dass sie wird:

$ \lambda = \frac{c}{f} $

Sie werden dieser vereinfachten Gleichung an vielen Stellen begegnen, aber verstehen Sie, dass sie nur für EM im Vakuum gilt.

Wenn wir einen Wechselstrom durch eine perfekte Antenne leiten, strahlt er EM-Energie sehr effizient ab. Hier ist eine Visualisierung:

Beachten Sie, wie die EM-Strahlung mit genau derselben Frequenz schwingt wie der an die Antenne angelegte Wechselstrom? Aus diesem Grund strahlt ein 450-Hertz-Wechselstrom, der einer Antenne zugeführt wird, ein 450-Hertz-Signal-Funksignal aus.

In unserem obigen Experiment hörten wir AP2BDR und AP2AUM mit 147,360 MHz* sprechen, das ist Megahertz oder 147.360.000 Hertz*. Die Wellenlänge für diese Frequenz beträgt 2,03 Meter (79,92 Zoll). Dies bringt uns zu unserer letzten Annäherung: Meterbänder.

Meterbänder sind nur Schätzungen von Wellenlängen. Wenn Sie einem Amateurfunker mitteilen, dass Sie das 2-Meter-Band verwenden, werden darunter Frequenzen mit einer Wellenlänge von ungefähr 2 Metern verstanden.

Das elektromagnetische Spektrum bezieht sich auf den Bereich der Frequenzen und deren Klassifizierungen. Im Großen und Ganzen gibt es 3 Hauptkategorien: Radiowellen, Licht und ionisierende Strahlung, aber diese drei Ausdrücke vermitteln nicht die Tiefe des Spektrums selbst.

Laut ITU beginnen Funkwellen im extrem niedrigen Frequenzbereich (ELF), beginnend bei 3 Hz, und enden im extrem hohen Frequenzbereich, der bei 300 GHz endet. Ab dieser Frequenz wird EM-Strahlung zu Licht, etwas weiter zu sichtbarem Licht, etwas weiter darüber hinaus wird sie in Form von ionisierender Strahlung gefährlich.

Wie Funkgeräte Sprachdaten aus Funkwellen codieren und decodieren

„Eine Transe – was nun?“ Ich höre dich fragen.

Ein Transceiver ist einfach ein Gerät, das Funksignale senden und empfangen kann. Wir brauchen nicht unbedingt beide Parteien, um Transceiver zu haben; ein Funkspruch kann gesendet werden, wenn nur eine Person einen Empfänger hat.

Es gibt viele Signalcodierungs- und -decodierungsschemata, aber im Moment werden wir nur die beiden primären diskutieren, von denen wir eines im obigen Experiment verwendet haben: Amplitudenmodulation (AM) und Frequenzmodulation (FM). Wenn Sie schon eine Weile mit Ihrem Autoradio gespielt haben, sind Ihnen die Begriffe AM und FM wahrscheinlich sehr vertraut. Schauen wir uns genau an, wie sie funktionieren.

Lassen Sie uns zunächst zwei Wellenformen vorstellen: eine Trägerwelle und ein Informationssignal, das wir codieren möchten. Die Trägerwelle ist nur ein einfaches Wellensignal, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert. In unserer Aufnahme war unsere Trägerwelle, ähnlich wie in der Abbildung, eine Sinuswelle (glatte ansteigende und abfallende Form) mit einer Frequenz von 147,360 MHz*. Das Informationssignal sind die Daten, die Sie codieren möchten, und in unserem Experiment war es das Audio des Gesprächs zwischen AP2BDR und AP2AUM.

Bei AM wird das Signal in die Trägerwelle codiert, indem die Amplitude der Welle selbst moduliert wird, was bedeutet, dass die Trägerwelle größer wird, aber auf derselben Frequenz bleibt. Bei FM wird das Signal jedoch durch Modulation der Frequenz in die Trägerwelle codiert, was bedeutet, dass die Trägerwelle die gleiche Höhe behält, aber die Frequenz ein wenig variiert.

In unserem Gespräch haben wir FM verwendet. FM führt normalerweise zu einem klareren Audio und ist widerstandsfähiger gegen Rauschen oder Verzerrungen als AM, da sich Verzerrungen in einer Amplitudenänderung manifestieren. FM geht jedoch zu Lasten der Verwendung einer Reihe von Frequenzen anstelle einer bestimmten Frequenz. Wie breit der Frequenzbereich ist, hängt von Ihrem Filter ab. In unserem Beispiel haben wir Schmalband-FM (NBFM) verwendet; kommerzielle Radiosender verwenden jedoch Breitband-FM (WBFM). Dadurch klingt der Sender satter und verzerrungsfester, erfordert aber einen größeren Frequenzbereich.

Fazit

Wir haben gelernt, wie Funkgeräte funktionieren und einige Funkvorschriften, wir haben einen Empfangsdipol eingerichtet und das Spektrum mit einem softwaredefinierten Funkgerät untersucht, und wir haben einige grundlegende Physik hinter Funkwellen sowie die grundlegenden Methoden zum Kodieren und Dekodieren des Signals gelernt. Radio mag magisch erscheinen, und ich persönlich denke immer noch, dass es das ist, aber es ist ein ziemlich bemerkenswertes Stück Technologie. In einem späteren Artikel werde ich vielleicht GNURadio diskutieren und wie es möglich ist, Funkfunktionen in Software zu emulieren.

Ich hoffe, Sie sind daran interessiert, mehr über Radio zu erfahren. Mit Ihrem SDR können Sie die Signale untersuchen, die Ihre eigenen Geräte erzeugen, wie die Signale von Ihrem Autoschlüssel oder von einer drahtlosen Türklingel. Denken Sie nur daran, sicherzustellen, dass Sie Ihre Experimente innerhalb der gesetzlichen Grenzen durchführen. Und wenn Sie sich entscheiden, Amateurfunker zu werden, können Sie anfangen, selbst zu senden und Gespräche zu führen! In Pakistan ist es legal, von einem Radiosender zu senden, der von einem lizenzierten Funkamateur betrieben wird, und unter dessen Aufsicht, wenn er Sie ausbildet. Ich empfehle Ihnen, PARS oder Ihrem örtlichen Amateurfunkverband beizutreten, um weitere Informationen zu erhalten.

Die beste Quelle für Amateurfunk, die ich gefunden habe, ist das ARRL Handbook for Radio Communications. Es wurde sehr empfohlen, und obwohl der Inhalt des Buches auf den ersten Blick unglaublich technisch ist, ergibt es nach ein paar Lesevorgängen Sinn. Es ist eine unschätzbare Ressource, und ich stelle fest, dass ich häufig darauf zurückgreife. Es ist jedoch ein kostenpflichtiges Buch, aber wenn Sie nach etwas suchen, mit dem Sie sofort beginnen können, lesen Sie die ersten fünf Kapitel von Wireless Networking in the Developing World , ein kostenloses (wie in libre) Buch und (kostenloses) E-Book, die das Material I abdecken näher besprochen.

*Hinweis: PARS hat mich gebeten, keine realen Zahlen online zu veröffentlichen. Dies sind technisch korrekte Beispiele, aber die echten sind nur für PARS-Mitglieder verfügbar.