Samouczek radia definiowanego programowo: obrazy z międzynarodowej stacji kosmicznej i słuchanie szynek za pomocą RTL-SDR

Radio to transmisja i odbieranie promieniowania elektromagnetycznego o długości fali dłuższej niż światło podczerwone. Wybacza ci jednak, że ta definicja nie miałaby sensu, a jeszcze kilka lat temu nie musiałaby mi też tego odpowiadać. Technologia radiowa zasila prawie całą łączność bezprzewodową wokół nas: Bluetooth, Wi-Fi, 3G, 4G i kuchenkę mikrofalową — wszystko to działa na zasadzie łączności radiowej. Technologia ma już ponad sto lat, a mimo to zdałem sobie sprawę, że niewiele o niej wiem.

Postanowiłem więc rozpocząć naukę i skontaktowałem się z moim krajowym stowarzyszeniem krótkofalowców, Pakistańskim Towarzystwem Krótkofalowców (PARS), członkiem Międzynarodowego Związku Krótkofalowców (IARU), który z kolei reprezentuje radio amatorskie w Międzynarodowym Związku Telekomunikacyjnym ( ITU), agencja ONZ, której zadaniem jest koordynowanie operacji i usług telekomunikacyjnych na całym świecie. PARS prowadzi kilka przemienników radiowych w całym kraju, a jeden z nich znajdował się w Lahore, gdzie mieszkam.

Podczas gdy radio korzystało zasadniczo z tej samej technologii, odkąd Guglielmo Marconi po raz pierwszy przeprowadził swoje eksperymenty w 1895 roku, ulepszone projektowanie obwodów i techniki przetwarzania sygnału pozwoliły nam przesyłać znacznie więcej i znacznie dalej niż wcześniej. Teraz jest możliwe, że ktoś z laptopem i sprzętem za mniej niż 30 dolarów odbierze szeroki zakres częstotliwości radiowych i właśnie to będziemy robić.

W tym samouczku dotyczącym radia definiowanego programowo skonfiguruję urządzenie radiowe definiowane programowo (SDR) i antenę oraz wysłucham rozmowy między dwoma licencjonowanymi operatorami krótkofalowców za pośrednictwem przemiennika Lahore. Następnie użyję tego samego sprzętu do odbioru obrazu przesyłanego z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, statku kosmicznego krążącego wokół Ziemi, i użyję go do ubiegania się o nagrodę ARISS SSTV, pokazując, jak łatwo jest przeglądać widmo radiowe za pomocą taniego sprzętu i zostać rozpoznanym . Za pomocą sprzętu użytego w tym artykule możesz odbierać tylko transmisje radiowe, a nie przesyłać własnych, ale to jest w porządku, ponieważ i tak potrzebujesz amatorskiej licencji radiowej, zanim to zrobisz.

Ostrożność! Bardzo łatwo jest przeprowadzić nielegalną działalność za pomocą sprzętu radiowego, dlatego ten artykuł będzie Cię stale ostrzegał i przytaczał prawo. Autor mieszka i przeprowadzał te eksperymenty legalnie w Pakistanie. Chociaż federalne przepisy radiowe w Pakistanie są surowo restrykcyjne, Twoja jurysdykcja może być bardziej restrykcyjna. W 2019 r. w Tunezji aresztowano eksperta ONZ za posiadanie tego samego urządzenia radiowego programowalnego, którego będziemy używać. Twoim obowiązkiem jest upewnienie się, że podczas przeprowadzania eksperymentów radiowych przestrzegasz lokalnych przepisów. Uwaga: nie jestem prawnikiem i nie stanowi to porady prawnej. Aby uzyskać wyjaśnienia, musisz skonsultować się z własnym prawnikiem.

Jeśli mieszkasz w Pakistanie, przed zakupem odbiornika radiowego musisz uzyskać członkostwo PARS na falach krótkich (SWL) . Pakistańska ustawa o telegrafii bezprzewodowej z 1933 r. zakazuje posiadania bezprzewodowych urządzeń telegraficznych; jednak członkowie SWL mogą posiadać odbiorniki. Skontaktuj się ze mną po list referencyjny PARS, jeśli chcesz zostać członkiem.

Konfiguracja naszej anteny dipolowej i odbiornika SDR

„Czym w ogóle jest radio „zdefiniowane programowo”?” słyszę, że pytasz!

Radio definiowane programowo to urządzenie radiowe, w którym większość komponentów elektrycznych jest „emulowana” w oprogramowaniu. Przed pojawieniem się SDR-ów potrzebny byłby dedykowany obwód do wykonania zadania przetwarzania sygnałów do iz radia. Rzeczy takie jak filtrowanie sygnału, mieszanie częstotliwości, wykrywanie fal radiowych, wzmacnianie sygnału, modulacja/demodulacja i inne zostały wykonane za pomocą dedykowanych obwodów. Ponieważ jednak komputery stały się szybsze, możemy zamiast tego wykonywać te funkcje w oprogramowaniu, dzięki czemu tego typu radia są definiowane programowo.

Popularnym (i tanim) odbiornikiem SDR jest odbiornik Digital Video Broadcast (DVB-T) z kontrolerem Realtek RTL2832U i układem scalonym tunera. Podczas gdy ich pierwotnym celem było odbieranie wideo, są one teraz przystosowane do odbierania sygnałów radiowych i stały się znane jako urządzenia RTL-SDR. Będę używał odbiornika RTL-SDR i dipola z RTL-SDR.com. Obecnie kosztuje 29,95 USD, statki na całym świecie są dostarczane z oscylatorem z kompensacją temperatury (TCXO) i koszulką polaryzacyjną, które są świetne, ale wykraczają poza zakres tego artykułu do omówienia. Jest również wyposażony w regulowany zestaw anteny dipolowej, umożliwiający słuchanie sygnałów od ~70 MHz do ~1030 MHz.

Dzień 2 ARISS Int'l F2F:
David Honess z ESA otwiera dzisiejsze sesje, proponując doskonałe sposoby angażowania dzieci w projekty radia krótkofalowego ISS przy użyciu komunikacji Raspberry Pi, RTL-SDR, SSTV itp. poprzez połączenie online z naszym spotkaniem F2F w Montrealu. pic.twitter.com/Mp25cljrAH

— ARISS (@ARISS_status) 27 czerwca 2019 r.

Zestaw dipolowy RTL-SDR, którego używam, został również polecony przez przedstawicieli Europejskiej Agencji Kosmicznej na Międzynarodowym Spotkaniu Krótkofalowców w czerwcu 2019 r. (ARISS).

Konfiguracja anteny jest łatwa. Przykręć długie bolce anteny do środka, zamontuj ją na oknie za pomocą dostarczonej przyssawki i otwórz ramiona dipola na dokładnie 49,65 cm (1 stopa 7,55 cala) każde. Podłącz żeński koniec dostarczonego dłuższego kabla do męskiego końca dipola, męski koniec dłuższego kabla do SDR, a następnie zamontuj antenę pionowo jak najwyżej na zewnątrz. Najlepiej na oknie za pomocą dostarczonego uchwytu z przyssawką. Oto zdjęcie, jak powinno wyglądać:

Na koniec wkręć zwisający koniec długiego kabla do SDR i podłącz SDR do portu USB komputera. W tym momencie możesz korzystać z dowolnej liczby aplikacji SDR, ale ponieważ jestem na MacOS, gdzie opcje są ograniczone, użyję CubicSDR.

 brew cask install cubicsdr

Po otwarciu CubicSDR pojawi się okno dialogowe, w którym możesz wybrać swój SDR i jego ustawienia. Wybierz Generic RTL2832U OEM , tak jak wybrałem na obrazku, i zmień częstotliwość próbkowania na 2,048 MHz

Po uruchomieniu CubicSDR możesz natychmiast rozpocząć przeglądanie widma. Polecam zacząć od znanych audycji radiowych FM. Oto film, na którym przeglądam lokalne stacje radiowe, ponieważ są one dostępne dla mnie w Lahore.

Następnie słuchamy dwóch krótkofalowców na stacji Lahore, przemiennik, ale zanim zaczniemy, porozmawiajmy, czym w ogóle jest krótkofalarstwo.

Co to jest radio amatorskie?

„W porządku, ale co to jest radio „amatorskie”? Słyszę, że tym razem pytasz!

Radio amatorskie to wykorzystanie widma radiowego przez licencjonowanych operatorów do działalności niekomercyjnej. Mogą one obejmować komunikację, szkolenie, eksperymentowanie, rywalizację lub inne. Każda jurysdykcja może mieć również własną definicję prawną. Operatorzy radioamatorscy są ograniczeni do korzystania z częstotliwości przeznaczonych dla służby amatorskiej.

„Usługa amatorska” oznacza usługę radiokomunikacyjną w celu samokształcenia, interkomunikacji i badań technicznych wykonywaną przez amatorów, to jest przez osoby należycie upoważnione na podstawie niniejszego Regulaminu, zainteresowane techniką radiową wyłącznie w celu osobistym i bez korzyści majątkowej; – Regulamin krótkofalowców, 2004, Pakistan

Po ustaleniu tego, spójrzmy, jakie są nasze lokalne amatorskie częstotliwości radiowe. Są one publikowane wraz z definicjami wszystkiego przez Pakistańską Radę Alokacji Częstotliwości w dokumencie zwanym Pakistańską Tablicą Przydziałów Częstotliwości. Zachowuję ich podsumowanie dla łatwego odniesienia, ale oto są pasma bardzo wysokiej częstotliwości (VHF):

To powiedziawszy, oto ważna uwaga na temat legalności : RTL-SDR i ta konfiguracja są niesamowicie potężne. Mimo że masz dostęp tylko do niewielkiej części wyznaczonych zakresów amatorskich w Pakistanie (lub lokalnym), które zwykle obejmują zakres od 1800 KHz do 250 GHz, istnieją inne usługi działające w tym widmie. Powinieneś wiedzieć, jakich usług możesz lub, co ważniejsze, nie możesz słuchać: W Pakistanie, podobnie jak w Wielkiej Brytanii, nie możesz słuchać żadnych transmisji, które nie są przeznaczone dla ciebie ani nie mają być otwarte dla publiczności , robiąc w związku z tym może grozić grzywna lub kara więzienia w Pakistanie zgodnie z ustawą Pakistan Telecommunication (Re-organization) z 1996 r. oraz ustawą o zapobieganiu przestępstwom elektronicznym z 2016 r. Niezależnie od tego, Twoim obowiązkiem jest sprawdzenie lokalnych przepisów . W USA, jakie transmisje możesz słuchać, zależą od lokalnej jurysdykcji.

Słuchanie krótkofalowców na przekaźniku Lahore

„Chcesz, żebym zapytał, co to jest repeater, prawda?” ty pytasz. I cieszę się, że pytałeś.

Gdy urządzenia radiowe komunikują się ze sobą, wszystkie mają swoje własne granice zasięgu. Wyobraź sobie, że Alice i Bob chcieli ze sobą porozmawiać, ale odległość między nimi była znacznie większa, niż mogły transmitować ich radia. Teraz Alice i Bob mogliby ulepszyć swoje radia, ale to byłoby kosztowne. Zamiast tego mogą zebrać swoje pieniądze i zainstalować między sobą repeater. Wzmacniacz może być super mocny lub po prostu na tyle mocny, że jego transmisje docierają do obu.

Wzmacniacz to urządzenie, które, cóż, powtarza to, co słyszy. Papuguje to, co słyszy na jednej częstotliwości, na innej. Celem repeatera jest rozszerzenie zasięgu innych radiotelefonów. Zwykle umieszcza się go w centralnym miejscu i bardzo wysoko, aby zapewnić mu wyraźną linię widzenia na obszar, który obejmuje. Może również emitować dużą ilość energii, dzięki czemu radiotelefony z bardzo dużej odległości również ją słyszą. Na powyższej ilustracji widzimy, jak wzmacniak może pomóc dwóm małym ręcznym radiotelefonom rozmawiać ze sobą na duże odległości. Dokładnie tak działa przemiennik Lahore, z wyjątkiem większej mocy.

Przemiennik Lahore pracuje na częstotliwości 147,360 MHz*. Zanim dostroisz się do tej częstotliwości, ustaw selektor modulacji na wąskopasmową modulację częstotliwości (NBFM/NFM). Więcej o tym, jak to działa, dowiemy się później. Na tej częstotliwości będziesz słyszeć serię tonów co pięć minut. Jeden z nich nagrałem dla Ciebie tutaj:

Czym dokładnie są te dźwięki? Spojrzenie na przebieg fali da nam wskazówkę.

Jeśli jeszcze tego nie zrozumiałeś, to jest alfabet Morse'a. Ponieważ ten przebieg jest reprezentacją amplitudy i czasu, krótkie sygnały dźwiękowe to kropki, a długie dźwięki to kreski. Dźwięk zatem sygnalizuje .-.. … .-. który dekoduje do LHR, skrót miasta Lahore. Oznacza to, że przemiennik jest online, dostrojony do właściwej częstotliwości i że słuchasz przemiennika Lahore.

Czekając, poprosiłem mojego przyjaciela i licencjonowanego operatora szynki Badar Jamal, AP2BDR, szefa oddziału PARS Lahore, o krótką rozmowę ze mną, podczas gdy będę dostrajany do przemiennika Lahore. Mam specjalne upoważnienie od Pakistanu Telecommunication Authority do obsługi radia pod nadzorem licencjonowanego operatora, takiego jak AP2BDR. Rozmowa odbyła się w szczególnie złym momencie, kiedy widmo było bardzo zanieczyszczone, więc jest hałas. Ponadto, pomimo moich najlepszych starań, aby zachować pewien dystans między mną a RTL-SDR, moje transmisje wydają się w niektórych punktach przytłaczać urządzenie, ale oto rozmowa poniżej. Działam pod rozszerzeniem znaku wywoławczego PARS jako AP2ARS/listopad.

I tak można podsłuchiwać rozmowę krótkofalowców między dwoma licencjonowanymi operatorami na przemienniku. Proces byłby taki sam, gdyby nadawali bez wzmacniaka, ponieważ RTL-SDR nie nadaje. Konfiguracja jest jednak nieco bardziej zaangażowana w przypadku sprzętu transmisyjnego, ponieważ musi on nadawać na innej częstotliwości niż przy której odbierają. Jeśli jednak jesteś podobny do mnie, masz więcej pytań niż odpowiedzi. Wyjaśnię naukę stojącą za tym w następnej sekcji.

Odbieranie zdjęć ze statku kosmicznego: wydarzenia SSTV z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) to duży sztuczny satelita krążący wokół Ziemi. Jest to laboratorium badawcze środowiska kosmicznego, którego współwłasnością jest pięć różnych agencji kosmicznych: NASA (Stany Zjednoczone), Roscosmos (Rosja), JAXA (Japonia), ESA (Europa) i CSA (Kanada) poprzez zestaw złożonych umów i traktatów. Ponieważ międzynarodowa stacja kosmiczna to statek kosmiczny obsługiwany przez załogę, technicznie jest to statek kosmiczny, a ponieważ krąży wokół Ziemi, jest również satelitą.

ISS prowadzi służbę amatorsko-satelitarną w ramach krótkofalarstwa na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej lub programie ARISS. Ta usługa umożliwia kontakt z ISS, gdzie możesz rozmawiać z astronautami amatorskiego radia, ale od czasu do czasu ARISS organizuje specjalne wydarzenia telewizji wolno skanującej (SSTV), w których transmituje obrazy powyżej 145,8 MHz w wąskopasmowym trybie FM. Jedno z takich wydarzeń miało miejsce w dniach 1-4 sierpnia 2019 r., nazwane działalnością SSTV upamiętniającą ARISS Garriotta. Wydarzenie „świętuje [d] życie i osiągnięcia astronauty, naukowca i pioniera krótkofalarstwa Owena Garriotta, organizując pamiątkowe wydarzenie SSTV zawierające obrazy z pracy Garriotta z krótkofalówką podczas jego misji w kosmosie”. Był pierwszym szynkiem, który operował z kosmosu.

Na to wydarzenie ustawiłem swój dipol i mój RTL-SDR na dachu. Sygnał był jednak niesamowicie słaby, więc używając mojego RTL-SDR udało mi się uzyskać tylko częściowy obraz podczas wyjątkowo mocnego przejścia. Do końca imprezy używałem alternatywnego sprzętu. Jednak inni członkowie PARS odnieśli większy sukces dzięki RTL-SDR i własnej antenie wykorzystującej miedziane rurki i kabel koncentryczny. Proces odsłuchu sygnału był bardzo podobny do poprzedniego, z wyjątkiem jednego dodatkowego kroku: uwzględnienia efektu Dopplera.

Rzeczownik: efekt Dopplera

wzrost (lub spadek) częstotliwości dźwięku, światła lub innych fal, gdy źródło i obserwator zbliżają się (lub oddalają) od siebie. Efekt ten powoduje nagłą zmianę tonu zauważalną w przejeżdżającej syrenie, a także przesunięcie ku czerwieni obserwowane przez astronomów.
- Google

Efekt Dopplera lub przesunięcie Dopplera to widoczna zmiana częstotliwości w miarę zbliżania się emitera. Pomyślmy o syrenie pogotowia. Gdy zbliża się do nas, ma wysoką tonację, ale kiedy nas mija, robi dziwną rzecz, w której dźwięk nagle się zmienia i staje się niższy. Jako dziecko zawsze myślałem, że to dziwne: dlaczego kierowcy karetek zrobili mi to? Skąd wiedzieli, że mnie mijają, kiedy byłem w domu? Okazuje się, że zdarza się to każdemu, nie tylko dźwiękowi. Efekt Dopplera jest widoczny we wszystkich falach, w tym w radiu i świetle. Przesunięcie ku czerwieni występuje, gdy gwiazdy wydają się nam niebieskie, przy wyższej częstotliwości fali, gdy zbliżają się do Ziemi, a przesunięcie ku czerwieni oznacza, że ​​wydają się czerwone, przy niższej częstotliwości, gdy się oddalają. Do demonstracji polecam ten doskonały film.

Przesunięcie Dopplera objawia się w komunikacji radiowej satelitów jako wzrost nachylenia, gdy satelita porusza się w twoim kierunku i nagły spadek, gdy się oddala. Na wodospadzie SDR wyglądałoby to tak:

Aby zrekompensować ten efekt, ustawiłem radio na nieco powyżej 145,8 MHz, gdy satelita wznosił się, zmieniałem je w dół, gdy satelita osiągał swój wierzchołek, i obniżałem je, gdy ustawiał się. Pamiętaj, że chociaż otrzymałem częściowy, otrzymałem następujący dźwięk:

Jeśli zagrasz w to i uruchomisz dekoder SSTV, taki jak aplikacja Robo36 na Androida, ustawiony na tryb PD120, powinieneś otrzymać następujący obraz:

Fotograficzny hołd dla Owena Garriota, pierwszej szynki działającej z kosmosu. Prawdziwy obraz, który otrzymałem bezpośrednio ze statku kosmicznego. Używając tego zdjęcia, zdobyłem nagrodę ARISS SSTV Award.

Teraz zrozummy, jak działa technologia radiowa.

Demistyfikujące radio: nauka kryjąca się za magią

W porządku, więc jeśli jesteś podobny do mnie, chcesz wiedzieć więcej. W jaki sposób człowiek mówiący do mikrofonu przekazuje niewidzialne fale (czym w ogóle są fale?), które są wychwytywane („podnoszone?”) przez inne magiczne pudełko na drugim końcu i zamieniane w dźwięk? Tak dużo pytań. Zaczynajmy. Jeśli na początku niektóre z tych pojęć nie mają sensu, po prostu wytrzymaj ze mną do końca. Podyskutujmy:

• Prąd przemienny i jak wytwarza fale magnetyczne
• Widmo elektromagnetyczne i częstotliwości radiowe
• Jak nadajniki-odbiorniki radiowe kodują głos i dekodują go z fal radiowych?

Prąd przemienny i sposób wytwarzania fal elektromagnetycznych

Prawdopodobnie jesteś świadomy prądu stałego, na przykład po podłączeniu diody LED do akumulatora 12 V. Ten rodzaj energii elektrycznej wytwarza stałe napięcie i jest znany jako prąd stały (DC). Gdybyśmy mieli wykreślić przepływ prądu w przewodzie, otrzymalibyśmy coś takiego:

Zapewne wiesz, że prąd przepływający przez przewód powoduje powstanie wokół niego stałego pola magnetycznego. Wygląda to trochę tak:

Możesz obejrzeć ten efekt zademonstrowany w tym filmie na YouTube.

DC nie robi nic dla radia. Używamy jego ciekawszego i bardziej zabójczego rodzeństwa: prądu przemiennego (AC). AC różni się od DC, ponieważ zamiast podawać stałe napięcie do obciążenia, naprzemiennie podaje i pobiera z niego. AC jest tym, co byś otrzymał, gdybyś był podłączony do głównego źródła zasilania w swoim domu. W Pakistanie otrzymujemy 230 woltów na przemian przy 50 Hz lub hercach (na razie nie martw się o herce), co jest podobne do Wielkiej Brytanii, jednak w Ameryce Północnej otrzymujemy 120 woltów przy 60 Hz. Dla uproszczenia załóżmy, że działa z częstotliwością 1 Hz. Oto wykres tego, jak wyglądałby mój prąd w sieci:

Oto interesująca rzecz dotycząca prądu przemiennego: z powodu zmieniającego się prądu, wywołamy teraz zmieniające się pole magnetyczne wokół przewodu. Zmieniające się pola magnetyczne mają szczególną właściwość, indukują prądy w przewodach, przez które przechodzą! Nazywa się to indukcją elektromagnetyczną. Całe radio jest zasadniczo promieniowaniem elektromagnetycznym i indukcją falami przemiennymi. Oto nagranie przedstawiające mężczyznę, który odpala żarówkę od anteny dipolowej, ustawionej na taką samą długość jak nasza, i sygnał w paśmie 2 metrów:

Pasmo 2 metrów jest, nawiasem mówiąc, tym samym pasmem, o którym słyszeliśmy rozmawiając AP2BDR i AP2AUM, ale co to za „pasmo”, o którym mówię? Zobaczmy to dalej, gdy dowiemy się o częstotliwościach radiowych.

Częstotliwości radiowe i widmo elektromagnetyczne

Promieniowanie elektromagnetyczne (EM) odnosi się do fal zawierających elementy elektromagnetyczne, które rozchodzą się w przestrzeni. Na powyższym filmie widzieliście człowieka emitującego promieniowanie EM za pomocą anteny dipolowej, a następnie odbierającego je również w jednej. Dokładnie to zrobiliśmy w naszym eksperymencie, chociaż z mniejszą mocą. Fale radiowe są energią EM, ale nie są jedyną rzeczą, którą można zaklasyfikować jako takie. Niektóre inne przykłady obejmują światło, promieniowanie jonizujące, takie jak promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Różnica między nimi to szybkość, z jaką oscyluje EM. Jest to mierzone zarówno w częstotliwościach, jak i długości fali, a czasami dla amatorskich zakresów radiowych, wyrażone jako „pasma metrowe”. Spójrzmy.

Cykl to nazwa nadana pełnej oscylacji i jest zwykle mierzona na wykresie od szczytu do szczytu. „Częstotliwość” fali to liczba cykli, przez które przechodzi w ciągu sekundy, a jednostką, która to oznacza, jest herc (Hz). Na powyższym schemacie mierzymy częstotliwość 1 cyklu na sekundę, czyli 1 Hz. Oznacza to, że fala prądu przemiennego oscyluje między dawaniem a pobieraniem prądu 1 raz na sekundę.

Aby zrozumieć długość fali, wyobraźmy sobie wizualnie, jak wyglądałby nasz prąd przemienny w przewodzie. Wyobraźmy sobie, że czas się zatrzymuje i patrzymy na nieznany prąd przemienny płynący przez przewód. Wysokie piki są tam, gdzie drut jest spolaryzowany dodatnio, płytkie doliny są tam, gdzie drut jest spolaryzowany ujemnie.

Patrząc wizualnie na drut, czy można zmierzyć długość cyklu w metrach? Pamiętaj, że cykl jest mierzony od szczytu do szczytu. Kiedy masz odpowiedź, czytaj dalej.

To, co właśnie zmierzyłeś, to długość fali sygnału w przewodzie. Związek między długością fali sygnału a jego częstotliwością

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

Gdzie $f$ to częstotliwość fali w Hz, $c$ to stała prędkości światła wyrażona w metrach na sekundę, $\lambda$ to długość fali, a $VF$ to współczynnik prędkości.

$VF$ wyraża równanie:

$ VF = v/c $

Gdzie $v$ to prędkość, z jaką sygnał rozchodzi się w materiale.

Na razie załóżmy, że sygnały rozchodzą się po całym materiale w $c$, co powoduje, że $v = c$, $VF = 1$, i możemy uprościć nasze równanie na długość fali:

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

Spotkasz to uproszczone równanie w wielu miejscach, ale zrozum, że jest ono prawdziwe tylko dla EM w próżni.

Kiedy przepuszczamy prąd przemienny przez idealną antenę, bardzo efektywnie promieniuje on energią EM. Oto wizualizacja:

Zauważ, że promieniowanie EM oscyluje z dokładnie taką samą częstotliwością, jak prąd przemienny przyłożony do anteny? To dlatego prąd przemienny o częstotliwości 450 Hz podawany do anteny będzie emitować sygnał radiowy o częstotliwości 450 Hz.

W naszym eksperymencie powyżej słyszeliśmy, jak AP2BDR i AP2AUM rozmawiają z częstotliwością 147,360 MHz*, to jest megaherc lub 147 360 000 herców*. Długość fali dla tej częstotliwości wynosi 2,03 metra (79,92 cala). To prowadzi nas do naszego ostatniego przybliżenia: pasm metrowych.

Pasma metrowe to tylko szacunki długości fal. Jeśli powiesz amatorskiemu radiooperatorowi, że używasz pasma 2 metrów, potraktuje to jako częstotliwości o długości fali około 2 metrów.

Widmo elektromagnetyczne odnosi się do zakresu częstotliwości i ich klasyfikacji. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją 3 główne kategorie: fale radiowe, światło i promieniowanie jonizujące, ale te trzy wyrażenia nie oddają głębi samego widma.

Według ITU fale radiowe zaczynają się w zakresie ekstremalnie niskich częstotliwości (ELF), zaczynając od 3 Hz, a kończą w zakresie ekstremalnie wysokich częstotliwości, kończąc na 300 GHz. Po tej częstotliwości promieniowanie EM staje się lekkie, trochę dalej staje się światłem widzialnym, trochę dalej zaczyna być niebezpieczne w postaci promieniowania jonizującego.

Jak nadajniki-odbiorniki radiowe kodują i dekodują dane głosowe z fal radiowych?

– Trans… co teraz? słyszę, jak pytasz.

Transceiver to po prostu urządzenie, które może zarówno nadawać, jak i odbierać sygnały radiowe. Niekoniecznie potrzebujemy, aby obie strony miały nadajniki-odbiorniki; wiadomość radiową można wysłać, jeśli jedna osoba ma tylko odbiornik.

Istnieje wiele schematów kodowania i dekodowania sygnału, ale na razie omówimy tylko dwa podstawowe, z których jeden wykorzystaliśmy w powyższym eksperymencie: modulacja amplitudy (AM) i modulacja częstotliwości (FM). Jeśli przez jakiś czas bawiłeś się samochodowym sprzętem stereo, terminy AM i FM są Ci prawdopodobnie bardzo znajome. Przyjrzyjmy się dokładnie, jak działają.

Najpierw przedstawmy dwa przebiegi: falę nośną oraz sygnał informacyjny, który planujemy zakodować. Fala nośna jest po prostu zwykłym sygnałem falowym oscylującym z określoną częstotliwością, w naszym nagraniu, podobnie jak na ilustracji, nasza fala nośna była falą sinusoidalną (gładki kształt wznoszący się i opadający) o częstotliwości 147,360 MHz*. Sygnał informacyjny to dane, które chcesz zakodować, aw naszym eksperymencie był to dźwięk rozmowy między AP2BDR i AP2AUM.

W AM sygnał jest kodowany w fali nośnej poprzez modulację amplitudy samej fali, co oznacza, że ​​fala nośna rośnie, ale pozostaje na tej samej częstotliwości. Jednak w FM sygnał jest kodowany w fali nośnej poprzez modulację częstotliwości, co oznacza, że ​​fala nośna pozostaje na tej samej wysokości, ale częstotliwość nieco się zmienia.

W naszej rozmowie wykorzystaliśmy FM. FM zwykle daje czystszy dźwięk i jest bardziej odporny na szum lub zniekształcenia niż AM, ponieważ zniekształcenia objawiają się jako zmiana amplitudy. Jednak FM jest kosztem korzystania z zakresu częstotliwości, a nie określonej częstotliwości. To, jak szeroki jest zakres częstotliwości, zależy od filtra. W naszym przykładzie użyliśmy wąskopasmowego FM (NBFM); jednak komercyjne stacje radiowe używają szerokopasmowego FM (WBFM). To sprawia, że ​​dźwięk stacji jest bogatszy i bardziej odporny na zniekształcenia, ale wymaga większego zakresu częstotliwości.

Wniosek

Nauczyliśmy się, jak działają radia i pewnych przepisów radiowych, ustawiliśmy dipol odbiorczy i zbadaliśmy widmo za pomocą radia definiowanego programowo, nauczyliśmy się podstaw fizyki fal radiowych, a także podstawowych metod kodowania i dekodowania sygnału. Radio może wydawać się magią i osobiście nadal tak uważam, ale jest to dość niezwykła technologia. W późniejszym artykule mogę omówić GNURadio i jak można emulować funkcjonalność radia w oprogramowaniu.

Mam nadzieję, że chcesz dowiedzieć się więcej o radiu. Korzystając z SDR, możesz badać sygnały wytwarzane przez własne urządzenia, takie jak sygnały z breloka samochodowego lub z bezprzewodowego dzwonka do drzwi. Pamiętaj tylko, aby upewnić się, że przeprowadzasz eksperymenty w granicach prawa. A jeśli zdecydujesz się zostać radioamatorem, możesz zacząć nadawać i prowadzić własne rozmowy! W Pakistanie legalne jest nadawanie ze stacji radiowej obsługiwanej przez licencjonowanego krótkofalowca i pod jego nadzorem, jeśli cię szkolą. Polecam dołączyć do PARS lub lokalnego stowarzyszenia radioamatorów, aby uzyskać więcej informacji.

Najlepszym źródłem informacji na temat krótkofalarstwa, jakie znalazłem, jest Podręcznik komunikacji radiowej ARRL. Została gorąco polecona i chociaż treść książki na pierwszy rzut oka jest niesamowicie techniczna, po kilku lekturach zaczyna mieć sens. Jest to bezcenny zasób i często do niego wracam. Jest to jednak książka płatna, ale jeśli szukasz czegoś, od czego można zacząć od razu, przeczytaj pierwszych pięć rozdziałów Sieci bezprzewodowych w świecie rozwijającym się, darmowej (jak in libre) książki i (gratis) ebooka, który obejmuje materiał I omówione bardziej szczegółowo.

*Uwaga: PARS poprosił mnie o niepublikowanie prawdziwych danych w Internecie. Są to technicznie dokładne przykłady, ale prawdziwe są dostępne tylko dla członków PARS.