บทแนะนำวิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์: รูปภาพจากสถานีอวกาศนานาชาติและการฟังแฮมด้วย RTL-SDR

วิทยุคือการส่งและรับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นมากกว่าแสงอินฟราเรด คุณได้รับอภัยถ้าคำจำกัดความนั้นไม่สมเหตุสมผล และเมื่อไม่กี่ปีก่อน ฉันก็ไม่จำเป็นต้องเข้าใจเช่นกัน เทคโนโลยีวิทยุขับเคลื่อนการเชื่อมต่อไร้สายเกือบทั้งหมดรอบตัวเรา: Bluetooth, WiFi, 3G, 4G และเตาไมโครเวฟของคุณ ทั้งหมดนี้ทำงานบนหลักการวิทยุ เทคโนโลยีนี้มีอายุมากกว่าร้อยปีแล้ว แต่ฉันก็ตระหนักว่าฉันรู้เรื่องนี้น้อยมาก

ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจเริ่มเรียนรู้และติดต่อกับสมาคมวิทยุสมัครเล่นแห่งชาติของฉัน นั่นคือสมาคมวิทยุสมัครเล่นแห่งปากีสถาน (PARS) ซึ่งเป็นสมาชิกของสหภาพวิทยุสมัครเล่นระหว่างประเทศ (IARU) ซึ่งเป็นตัวแทนของวิทยุสมัครเล่นไปยังสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ ( ITU) ซึ่งเป็นหน่วยงานของ UN ซึ่งมีหน้าที่ประสานงานการดำเนินงานและบริการโทรคมนาคมทั่วโลก PARS มีวิทยุกระจายเสียงอยู่สองสามแห่งทั่วประเทศ และหนึ่งในนั้นอยู่ในละฮอร์ ที่ฉันอาศัยอยู่

แม้ว่าวิทยุจะใช้เทคโนโลยีเดียวกันโดยพื้นฐานตั้งแต่ Guglielmo Marconi ทำการทดลองครั้งแรกในปี 1895 การออกแบบวงจรและการประมวลผลสัญญาณที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นช่วยให้เราส่งสัญญาณออกไปไกลกว่าเดิมมาก ตอนนี้ เป็นไปได้สำหรับคนที่มีแล็ปท็อปและอุปกรณ์มูลค่าไม่ถึง 30 ดอลลาร์ ที่จะได้รับคลื่นความถี่วิทยุที่หลากหลาย และเราจะทำอย่างนั้น

ในบทช่วยสอนวิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์นี้ ฉันจะตั้งค่าอุปกรณ์วิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ (SDR) และเสาอากาศ และฟังการสนทนาระหว่างผู้ดำเนินการวิทยุแฮมที่ได้รับใบอนุญาตสองคนผ่านเครื่องทวนสัญญาณละฮอร์ จากนั้นฉันจะใช้อุปกรณ์เดียวกันเพื่อรับภาพที่ส่งจากสถานีอวกาศนานาชาติซึ่งเป็นยานอวกาศที่โคจรรอบโลกและใช้เพื่อรับรางวัล ARISS SSTV แสดงให้เห็นว่าการเรียกดูสเปกตรัมวิทยุด้วยอุปกรณ์ราคาถูกนั้นง่ายเพียงใดและได้รับการยอมรับ . ผ่านฮาร์ดแวร์ที่ใช้ในบทความนี้ คุณสามารถรับได้เฉพาะการส่งสัญญาณวิทยุและไม่สามารถส่งสัญญาณของคุณเองได้ แต่นั่นก็เป็นเรื่องปกติ เนื่องจากคุณต้องมีใบอนุญาตวิทยุสมัครเล่นก่อนที่จะทำเช่นนั้น

คำเตือน! มันง่ายมากที่จะทำกิจกรรมที่ผิดกฎหมายด้วยอุปกรณ์วิทยุซึ่งเป็นเหตุผลที่บทความนี้จะเตือนคุณอย่างต่อเนื่องและอ้างถึงกฎหมาย ผู้เขียนอาศัยและทำการทดลองเหล่านี้อย่างถูกกฎหมายในปากีสถาน แม้ว่ากฎหมายวิทยุของรัฐบาลกลางในปากีสถานจะเข้มงวดมาก แต่เขตอำนาจศาลของคุณอาจเข้มงวดกว่านั้น ในปี 2019 ผู้เชี่ยวชาญขององค์การสหประชาชาติถูกจับในตูนิเซียในข้อหาครอบครองอุปกรณ์วิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์แบบเดียวกับที่เราจะใช้ เป็นความรับผิดชอบของคุณที่จะต้องแน่ใจว่าคุณปฏิบัติตามกฎหมายท้องถิ่นเมื่อทำการทดลองทางวิทยุ อย่างไรก็ตาม โปรดทราบ: ฉันไม่ใช่นักกฎหมาย และไม่ถือเป็นคำแนะนำทางกฎหมาย คุณต้องปรึกษาทนายความของคุณเองเพื่อขอคำชี้แจง

หากคุณอาศัยอยู่ในปากีสถาน คุณต้องขอรับสมาชิกภาพคลื่นวิทยุ PARS (SWL) ก่อนจึงจะได้รับเครื่องรับวิทยุ พระราชบัญญัติโทรเลขแบบไร้สายของปากีสถาน พ.ศ. 2476 ห้ามมิให้มีการครอบครองเครื่องโทรเลขแบบไร้สาย อย่างไรก็ตาม สมาชิก SWL ได้รับอนุญาตให้ครอบครองเครื่องรับได้ ติดต่อฉันสำหรับจดหมายอ้างอิง PARS หากคุณต้องการเป็นสมาชิก

การตั้งค่าเสาอากาศไดโพลและตัวรับ SDR

“วิทยุ 'ที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์' คืออะไร” ฉันได้ยินคุณถาม!

วิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ เป็นอุปกรณ์วิทยุที่ส่วนประกอบทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ "จำลอง" ในซอฟต์แวร์ ก่อนการเพิ่มขึ้นของ SDR คุณจะต้องมีวงจรเฉพาะเพื่อดำเนินการประมวลผลสัญญาณเข้าและออกจากวิทยุ สิ่งต่างๆ เช่น การกรองสัญญาณ การผสมความถี่ การตรวจจับคลื่นวิทยุ การขยายสัญญาณ มอดูเลต/ดีมอดูเลต และอื่นๆ เสร็จสิ้นด้วยวงจรเฉพาะ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากคอมพิวเตอร์ทำงานเร็วขึ้น เราจึงสามารถใช้ฟังก์ชันเหล่านี้ในซอฟต์แวร์แทนได้ ทำให้วิทยุประเภทนี้กำหนดโดยซอฟต์แวร์

เครื่องรับ SDR ยอดนิยม (และราคาถูก) คือเครื่องรับ Digital Video Broadcast (DVB-T) ที่มีตัวควบคุม Realtek RTL2832U และวงจรรวมของจูนเนอร์ แม้ว่าจุดประสงค์ดั้งเดิมคือการรับวิดีโอ แต่ปัจจุบันมีจุดประสงค์ใหม่เหล่านี้เพื่อรับสัญญาณวิทยุ และกลายเป็นที่รู้จักในชื่ออุปกรณ์ RTL-SDR ฉันจะใช้ตัวรับ RTL-SDR และไดโพลจาก RTL-SDR.com ขณะนี้มีราคา 29.95 เหรียญสหรัฐฯ จัดส่งทั่วโลก มาพร้อมกับออสซิลเลเตอร์ชดเชยอุณหภูมิ (TCXO) และแท่นอคติซึ่งดีมาก แต่อยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้เพื่อหารือ นอกจากนี้ยังมาพร้อมกับชุดเสาอากาศไดโพลแบบปรับได้ ให้คุณฟังสัญญาณตั้งแต่ ~70 MHz ถึง ~1030 MHz

วันที่ 2 ของ ARISS Int'l F2F:
David Honess แห่ง ESA เปิดการประชุมในวันนี้เพื่อเสนอวิธีที่ยอดเยี่ยมในการมีส่วนร่วมกับเด็ก ๆ ด้วยโครงการวิทยุ ISS โดยใช้ Raspberry Pi, RTL-SDR, การสื่อสารในโหมด SSTV ฯลฯ ผ่านการเชื่อมโยงออนไลน์กับการประชุม F2F ของเราในมอนทรีออล pic.twitter.com/Mp25cljrAH

– ARISS (@ARISS_status) วันที่ 27 มิถุนายน 2019

ชุดไดโพล RTL-SDR ที่ฉันใช้ได้รับการแนะนำโดยตัวแทนของ European Space Agency ในการประชุมแบบตัวต่อตัวระหว่างวิทยุสมัครเล่นในอวกาศ (ARISS) ในเดือนมิถุนายน 2019

การตั้งค่าเสาอากาศทำได้ง่าย ขันง่ามยาวของเสาอากาศเข้าตรงกลาง ติดตั้งบนหน้าต่างด้วยถ้วยดูดที่ให้มา และเปิดแขนไดโพลที่แต่ละข้าง 49.65 ซม. (1 ฟุต 7.55 นิ้ว) เชื่อมต่อปลายด้านตัวเมียของสายเคเบิลที่ยาวกว่าที่ให้มากับปลายตัวผู้ของไดโพล ต่อปลายตัวผู้ของสายเคเบิลที่ยาวกว่าเข้ากับ SDR ของคุณ จากนั้นติดเสาอากาศในแนวตั้งให้สูงที่สุดที่ด้านนอก ควรใช้ที่ยึดถ้วยดูดที่ให้มาบนหน้าต่าง นี่คือภาพที่ควรมีลักษณะ:

สุดท้าย ขันปลายสายห้อยยาวเข้ากับ SDR แล้วเสียบ SDR เข้ากับพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์ ณ จุดนี้ คุณสามารถใช้แอปพลิเคชัน SDR จำนวนเท่าใดก็ได้ แต่เนื่องจากฉันใช้ MacOS ซึ่งตัวเลือกมีจำกัด ฉันจะใช้ CubicSDR

 brew cask install cubicsdr

เมื่อเปิด CubicSDR คุณจะเห็นกล่องโต้ตอบเพื่อเลือก SDR ของคุณและการตั้งค่า เลือก Generic RTL2832U OEM ที่ฉันเลือกไว้ในรูปภาพ และเปลี่ยนอัตราสุ่มเป็น 2.048MHz

เมื่อ CubicSDR เริ่มทำงาน คุณสามารถเริ่มเรียกดูสเปกตรัมได้ทันที ฉันขอแนะนำให้เริ่มต้นด้วยการออกอากาศวิทยุ FM ที่คุ้นเคย นี่คือวิดีโอของฉันที่กำลังเรียกดูสถานีวิทยุท้องถิ่นตามที่มีให้ในละฮอร์

ต่อไป เราฟังผู้ดำเนินการวิทยุสมัครเล่นสองคนบน Lahore ซึ่งเป็นเครื่องทำซ้ำ แต่ก่อนที่เราจะเริ่ม เรามาคุยกันก่อนว่าวิทยุสมัครเล่นคืออะไร

วิทยุสมัครเล่นคืออะไร?

“เอาล่ะ แต่วิทยุ 'มือสมัครเล่น' คืออะไร?” ฉันได้ยินคุณถามครั้งนี้!

วิทยุสมัครเล่นคือการใช้คลื่นความถี่วิทยุโดยผู้ประกอบการที่ได้รับใบอนุญาตสำหรับกิจกรรมที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์ สิ่งเหล่านี้อาจรวมถึงการสื่อสาร การฝึกอบรม การทดลอง การแข่งขัน หรือมากกว่า เขตอำนาจศาลทุกแห่งอาจมีคำจำกัดความทางกฎหมายของตนเองเช่นกัน ผู้ให้บริการวิทยุสมัครเล่นถูกจำกัดให้ใช้ความถี่เฉพาะสำหรับบริการสมัครเล่นเท่านั้น

“บริการสำหรับมือสมัครเล่น” หมายถึงบริการวิทยุคมนาคมเพื่อวัตถุประสงค์ในการฝึกอบรมด้วยตนเอง การสื่อสารระหว่างกัน และการสอบสวนทางเทคนิคที่ดำเนินการโดยมือสมัครเล่น กล่าวคือ โดยบุคคลที่ได้รับอนุญาตอย่างถูกต้องภายใต้ข้อบังคับเหล่านี้ซึ่งสนใจเทคนิควิทยุเพียงเพื่อจุดประสงค์ส่วนตัวและไม่ได้รับผลประโยชน์ทางการเงิน – ระเบียบว่าด้วยบริการวิทยุสมัครเล่น พ.ศ. 2547 ปากีสถาน

เมื่อตัดสินแล้ว มาดูกันว่าความถี่วิทยุสมัครเล่นในพื้นที่ของเราคืออะไร พวกเขาได้รับการตีพิมพ์พร้อมกับคำจำกัดความของทุกอย่างโดยคณะกรรมการจัดสรรความถี่ของปากีสถานในเอกสารที่เรียกว่าตารางการจัดสรรความถี่ของปากีสถาน ฉันรักษาส่วนสำคัญของพวกมันทั้งหมดเพื่อให้อ้างอิงได้ง่าย แต่นี่คือแถบความถี่สูงมาก (VHF)

ที่กล่าวว่านี่คือ หมายเหตุสำคัญเกี่ยวกับกฎหมาย : RTL-SDR และการตั้งค่านี้มีประสิทธิภาพอย่างเหลือเชื่อ แม้ว่าคุณจะมีสิทธิ์เข้าถึงช่วงเล็ก ๆ ของช่วงสมัครเล่นที่กำหนดของปากีสถาน (หรือในพื้นที่ของคุณ) ซึ่งปกติจะมีช่วงตั้งแต่ 1,800 KHz ถึง 250 GHz แต่ก็ยังมีบริการอื่นๆ ที่ทำงานบนคลื่นความถี่ดังกล่าว คุณควรทราบว่าบริการใดที่คุณทำได้ หรือที่สำคัญกว่านั้นคือไม่สามารถฟังได้: ในปากีสถาน เช่นเดียวกับในสหราชอาณาจักร คุณไม่สามารถฟังการส่งสัญญาณใด ๆ ที่ไม่ได้มีไว้สำหรับคุณ หรือตั้งใจที่จะเปิดให้สาธารณะ ทำ ดังนั้นอาจมีค่าปรับหรือโทษจำคุกในปากีสถานตามพระราชบัญญัติโทรคมนาคมของปากีสถาน (Re-organization) ปีพ.ศ. 2539 และพระราชบัญญัติการป้องกันอาชญากรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ พ.ศ. 2559 อย่างไรก็ตาม เป็นความรับผิดชอบของคุณในการค้นหากฎหมายท้องถิ่น ในสหรัฐอเมริกา การส่งสัญญาณที่คุณสามารถรับฟังได้นั้นขึ้นอยู่กับเขตอำนาจศาลในพื้นที่ของคุณ

การฟังวิทยุสมัครเล่นบนเครื่องทวนสัญญาณละฮอร์

“คุณอยากให้ฉันถามว่าทวนคืออะไรใช่ไหม” คุณถาม. และฉันดีใจที่คุณถาม

เมื่ออุปกรณ์วิทยุคุยกัน พวกมันต่างก็มีขีดจำกัดในระยะของตัวเอง ลองนึกภาพอลิซและบ็อบต้องการพูดคุยกัน แต่ระยะห่างระหว่างพวกเขานั้นไกลเกินกว่าที่วิทยุจะถ่ายทอดได้ ตอนนี้ อลิซและบ็อบสามารถอัพเกรดวิทยุของพวกเขาได้ แต่นั่นจะมีราคาแพง แต่พวกเขาสามารถรวมเงินและติดตั้งตัวทำซ้ำระหว่างกัน ตัวทวนสัญญาณอาจทรงพลังมากหรือมีพลังมากพอที่จะส่งสัญญาณไปถึงทั้งคู่

ตัวทำซ้ำเป็นอุปกรณ์ที่ ทำซ้ำ สิ่งที่ได้ยิน มันได้ยินสิ่งที่ได้ยินจากความถี่หนึ่งออกไปอีกความถี่หนึ่ง จุดประสงค์ของทวนคือเพื่อขยายช่วงของวิทยุอื่นๆ โดยปกติแล้วจะวางในตำแหน่งศูนย์กลางและสูงมากเพื่อให้มองเห็นได้ชัดเจนในพื้นที่ที่ครอบคลุม นอกจากนี้ยังสามารถส่งออกพลังงานจำนวนมากเพื่อให้วิทยุที่อยู่ห่างไกลสามารถได้ยินได้เช่นกัน ในภาพประกอบด้านบน เราจะเห็นภาพว่าอุปกรณ์ทวนสัญญาณสามารถช่วยให้วิทยุมือถือขนาดเล็กสองตัวคุยกันได้อย่างไรในระยะทางไกล นี่เป็นวิธีการทำงานของเครื่องทวนสัญญาณ Lahore ยกเว้นด้วยกำลังที่มากกว่า

เครื่องทวนสัญญาณ Lahore ทำงานที่ความถี่ 147.360 MHz* ก่อนที่คุณจะปรับความถี่ดังกล่าว ให้ตั้งค่าตัวเลือกการมอดูเลตของคุณเป็นการปรับความถี่ย่านความถี่แคบ (NBFM/NFM) เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานในภายหลัง ที่ความถี่นั้น คุณจะได้ยินเสียงเป็นชุดๆ ทุกๆ ห้านาที ฉันได้บันทึกสิ่งเหล่านี้ให้คุณที่นี่:

โทนสีเหล่านี้คืออะไรกันแน่? ดูที่รูปคลื่นจะให้เบาะแสแก่เรา

หากคุณยังไม่ได้ใช้งาน นี่คือรหัสมอร์ส เนื่องจากรูปคลื่นนี้เป็นตัวแทนของแอมพลิจูดและเวลา เสียงบี๊บสั้นจะเป็นแบบจุด และเสียงบี๊บยาวเป็นเส้นประ เสียงจึงเป็นสัญญาณ .-.. … .-. ซึ่งถอดรหัสเป็น LHR ย่อมาจากเมืองละฮอร์ สิ่งนี้บอกคุณว่าตัวทวนกำลังออนไลน์ คุณปรับความถี่ให้เหมาะสม และคุณกำลังฟังตัวทำซ้ำละฮอร์

ระหว่างที่รอ ฉันขอให้เพื่อนของฉันและผู้ควบคุมแฮมที่ได้รับใบอนุญาต Badar Jamal, AP2BDR หัวหน้าแผนก PARS Lahore สนทนากับฉันอย่างรวดเร็วในขณะที่ฉันกำลังปรับให้เข้ากับเครื่องทำซ้ำลาฮอร์ ฉันได้รับอนุญาตพิเศษจากสำนักงานโทรคมนาคมแห่งปากีสถานให้ดำเนินการวิทยุภายใต้การดูแลของผู้ให้บริการที่ได้รับอนุญาตเช่น AP2BDR การสนทนาเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่เลวร้ายโดยเฉพาะเมื่อคลื่นความถี่มีมลพิษมาก จึงมีเสียงรบกวน นอกจากนี้ แม้ว่าฉันจะพยายามอย่างเต็มที่ที่จะรักษาระยะห่างระหว่างฉันกับ RTL-SDR การส่งสัญญาณของฉันก็ดูเหมือนจะเอาชนะอุปกรณ์ได้ในบางจุด แต่นี่คือการสนทนาด้านล่าง ฉันดำเนินการภายใต้การขยายสัญญาณเรียกขานของ PARS ในชื่อ AP2ARS/พฤศจิกายน

และนั่นคือวิธีการฟังการสนทนาทางวิทยุระหว่างผู้ดำเนินการที่ได้รับอนุญาตสองคนบนเครื่องทวนสัญญาณ กระบวนการจะเหมือนกัน หากพวกเขาส่งสัญญาณโดยไม่มีตัวทำซ้ำเพราะ RTL-SDR ไม่ส่งสัญญาณ อย่างไรก็ตาม การตั้งค่านี้เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ส่งสัญญาณมากกว่าเล็กน้อย เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ต้องส่งด้วยความถี่ที่ต่างจากที่ได้รับ หากคุณเป็นเหมือนฉัน สิ่งนี้ทำให้คุณมีคำถามมากกว่าคำตอบ ฉันจะอธิบายวิทยาศาสตร์เบื้องหลังสิ่งนี้ในหัวข้อถัดไป

การรับรูปภาพจากยานอวกาศ: กิจกรรม SSTV จากสถานีอวกาศนานาชาติ

สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) เป็นดาวเทียมประดิษฐ์ขนาดใหญ่ที่โคจรรอบโลก เป็นห้องปฏิบัติการวิจัยสิ่งแวดล้อมในอวกาศที่ร่วมกันเป็นเจ้าของโดยหน่วยงานอวกาศห้าแห่ง ได้แก่ NASA (สหรัฐอเมริกา), Roscosmos (รัสเซีย), JAXA (ญี่ปุ่น), ESA (ยุโรป) และ CSA (แคนาดา) ผ่านชุดข้อตกลงและสนธิสัญญาที่ซับซ้อน เนื่องจากสถานีอวกาศนานาชาติเป็นยานอวกาศที่ดำเนินการโดยลูกเรือ ในทางเทคนิคแล้วมันคือยานอวกาศ และเนื่องจากมันโคจรรอบโลก มันจึงเป็นดาวเทียมด้วย

สถานีอวกาศนานาชาติให้บริการดาวเทียมสมัครเล่นภายใต้วิทยุสมัครเล่นของสถานีอวกาศนานาชาติหรือโปรแกรม ARISS บริการนี้ช่วยให้คุณติดต่อ ISS ซึ่งคุณสามารถพูดคุยกับนักบินอวกาศวิทยุสมัครเล่นได้ แต่ในบางครั้ง ARISS จะจัดกิจกรรมพิเศษทางโทรทัศน์ที่มีการสแกนช้า (SSTV) ซึ่งจะออกอากาศภาพมากกว่า 145.8 MHz ในโหมดคลื่นความถี่วิทยุแคบ เหตุการณ์หนึ่งเกิดขึ้นระหว่างวันที่ 1-4 สิงหาคม 2019 ที่เรียกว่ากิจกรรม SSTV อนุสรณ์ ARISS Garriott งาน “เฉลิมฉลอง[d] ชีวิตและความสำเร็จของนักบินอวกาศ นักวิทยาศาสตร์ และผู้บุกเบิกวิทยุแฮม Owen Garriott ด้วยงาน SSTV ที่ระลึกซึ่งมีรูปภาพจากงานของ Garriott กับวิทยุแฮมระหว่างภารกิจของเขาในอวกาศ” เขาเป็นแฮมตัวแรกที่ทำงานจากอวกาศ

สำหรับเหตุการณ์นี้ ฉันตั้งไดโพลและ RTL-SDR ไว้บนหลังคา แม้ว่าสัญญาณจะอ่อนอย่างไม่น่าเชื่อ ดังนั้นเมื่อใช้ RTL-SDR ของฉัน ฉันจึงได้ภาพเพียงบางส่วนระหว่างการส่งผ่านที่แรงเป็นพิเศษ ฉันใช้อุปกรณ์สำรองสำหรับกิจกรรมที่เหลือ อย่างไรก็ตาม สมาชิก PARS รายอื่นประสบความสำเร็จมากขึ้นกับ RTL-SDR และเสาอากาศที่สร้างขึ้นเองโดยใช้ท่อทองแดงและสายเคเบิลโคแอกเซียล กระบวนการฟังสัญญาณคล้ายกับขั้นตอนก่อนหน้ามาก ยกเว้นขั้นตอนเพิ่มเติมหนึ่งขั้นตอน: การบัญชีสำหรับเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์

คำนาม: ผลดอปเปลอร์

การเพิ่มขึ้น (หรือลดลง) ในความถี่ของเสียง แสง หรือคลื่นอื่นๆ เมื่อแหล่งกำเนิดและผู้สังเกตเคลื่อนเข้าหา (หรือห่างออกไป) ซึ่งกันและกัน ผลกระทบนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของระดับเสียงที่เห็นได้ชัดเจนในไซเรนที่ส่งผ่าน เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงสีแดงที่นักดาราศาสตร์เห็น
- Google

เอฟเฟกต์ดอปเลอร์หรือการเปลี่ยนแปลงดอปเลอร์คือการเปลี่ยนแปลงความถี่ที่เห็นได้ชัดเมื่ออิมิตเตอร์เคลื่อนเข้าใกล้ ลองนึกถึงไซเรนรถพยาบาล เมื่อมันเข้ามาหาเรา มันอยู่ในระดับสูง แต่เมื่อมันผ่านเราไป มันจะทำสิ่งแปลก ๆ ที่เสียงเปลี่ยนไปอย่างกะทันหันและกลายเป็นเสียงต่ำลง ตอนเด็กๆ ฉันเคยคิดว่ามันแปลกๆ ทำไมคนขับรถพยาบาลถึงทำกับฉันได้ พวกเขารู้ได้อย่างไรว่าพวกเขากำลังผ่านฉันเมื่อฉันอยู่ในบ้าน? ปรากฏว่าเกิดขึ้นได้กับทุกคน ไม่ใช่แค่เรื่องเสียงเท่านั้น เอฟเฟกต์ Doppler นั้นชัดเจนในทุกคลื่น รวมถึงคลื่นวิทยุและแสง Blueshift คือเมื่อดาวดูเป็นสีฟ้า ความถี่คลื่นที่สูงขึ้น เมื่อมันมายังโลก และ redshift คือเมื่อปรากฏเป็นสีแดง ซึ่งเป็นความถี่ที่ต่ำกว่า เมื่อพวกเขาเคลื่อนตัวออกไป สำหรับการสาธิต ฉันแนะนำวิดีโอที่ยอดเยี่ยมนี้

Doppler shift ปรากฏขึ้นในการสื่อสารทางวิทยุของดาวเทียม โดยจะเพิ่มระดับเสียงเมื่อดาวเทียมเคลื่อนเข้าหาคุณ และลดลงอย่างกะทันหันเมื่อเคลื่อนตัวออกไป บนน้ำตกของ SDR จะปรากฏดังนี้:

เพื่อชดเชยผลกระทบ ฉันเก็บวิทยุไว้ที่ระดับ 145.8 MHz เล็กน้อยเมื่อดาวเทียมเกิดขึ้น เปลี่ยนความถี่ลงเมื่อดาวเทียมไปถึงจุดสูงสุด และเปลี่ยนให้ต่ำลงอีกเมื่อตั้งค่า จำไว้ว่าในขณะที่ฉันได้รับบางส่วน สิ่งที่ฉันได้รับคือเสียงต่อไปนี้:

หากคุณเล่นและเรียกใช้ตัวถอดรหัส SSTV เช่นแอปพลิเคชัน Robo36 Android ตั้งค่าเป็นโหมด PD120 คุณควรได้ภาพต่อไปนี้:

ภาพถ่ายยกย่อง Owen Garriot แฮมตัวแรกที่บินจากอวกาศ ภาพจริงที่ฉันได้รับโดยตรงจากยานอวกาศ ฉันใช้รูปภาพนี้เพื่อรับรางวัล ARISS SSTV

ตอนนี้มาทำความเข้าใจว่าเทคโนโลยีวิทยุทำงานอย่างไร

Demystifying Radio: วิทยาศาสตร์เบื้องหลังเวทมนตร์

เอาล่ะ ถ้าคุณเป็นเหมือนฉัน คุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติม ผู้ชายที่พูดใส่ไมโครโฟนส่งคลื่นที่มองไม่เห็น (อะไรคือคลื่น) ที่ถูกหยิบขึ้นมา (“หยิบขึ้นมา”) โดยกล่องเวทย์มนตร์อีกกล่องหนึ่งและกลายเป็นเสียงได้อย่างไร คำถามมากมาย เอาล่ะ. หากในตอนแรก แนวคิดบางอย่างไม่สมเหตุสมผล โปรดอดทนกับฉันจนจบ ขอหารือ:

• กระแสสลับและวิธีทำคลื่นแม่เหล็ก
• สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าและความถี่วิทยุ
• วิธีที่เครื่องรับส่งสัญญาณวิทยุเข้ารหัสเสียงเข้าและถอดรหัสจากคลื่นวิทยุ

กระแสสลับและวิธีการสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คุณน่าจะรับรู้ถึงกระแสไฟตรง เช่น เมื่อคุณเชื่อมต่อ LED กับแบตเตอรี่ 12V ไฟฟ้าประเภทนี้จะให้แรงดันคงที่และเรียกว่ากระแสตรง (DC) หากเราต้องพลอตการไหลของกระแสในเส้นลวด เราจะได้สิ่งนี้:

คุณคงทราบดีอยู่แล้วว่ากระแสที่ไหลผ่านเส้นลวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็กคงที่ในวงกลมรอบๆ ดูเหมือนว่านี้:

คุณสามารถรับชมเอฟเฟกต์นี้ได้ในวิดีโอ YouTube นี้

DC ไม่ได้ทำอะไรเพื่อวิทยุแม้ว่า เราใช้พี่น้องที่น่าสนใจและอันตรายกว่า: กระแสสลับ (AC) AC แตกต่างจาก DC เพราะแทนที่จะให้แรงดันคงที่แก่โหลด มันจะสลับระหว่างการให้และรับจากโหลด เครื่องปรับอากาศคือสิ่งที่คุณจะได้รับหากคุณเสียบปลั๊กไฟหลักที่บ้านของคุณ ในปากีสถาน เราได้รับ 230 โวลต์สลับกันที่ 50 เฮิรตซ์หรือเฮิรตซ์ (ตอนนี้ไม่ต้องกังวลเรื่องเฮิรตซ์) ซึ่งคล้ายกับสหราชอาณาจักร แต่ในอเมริกาเหนือ คุณจะได้ 120 โวลต์ที่ 60 เฮิรตซ์ เพื่อความง่าย สมมติว่ามันทำงานที่ 1 Hz นี่คือกราฟของสิ่งที่ไฟหลักของฉันจะมีลักษณะดังนี้:

นี่คือสิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับ AC เนื่องจากกระแสที่เปลี่ยนไป เรากำลังจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงรอบเส้นลวด สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนไปมีคุณสมบัติพิเศษ ทำให้เกิดกระแสในสายไฟที่ผ่าน! สิ่งนี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า วิทยุทั้งหมดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำโดยคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับ นี่คือวิดีโอของชายคนหนึ่งกำลังขับหลอดไฟออกจากเสาอากาศไดโพล ซึ่งมีความยาวเท่ากับของเรา และมีสัญญาณในแถบ 2 เมตร:

วง 2 เมตร บังเอิญ เป็นวงเดียวกับที่เราได้ยิน AP2BDR และ AP2AUM คุยกัน แต่ “วง” นี้ที่ฉันพูดถึงคืออะไร? เรามาดูกันว่าเมื่อเราเรียนรู้เกี่ยวกับความถี่วิทยุแล้ว

ความถี่วิทยุและสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) หมายถึงคลื่นที่มีส่วนประกอบแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายผ่านอวกาศ ในวิดีโอด้านบน คุณเห็นชายคนหนึ่งปล่อยรังสี EM ด้วยเสาอากาศไดโพล และจากนั้นก็รับรังสีนั้นด้วย นั่นคือสิ่งที่เราทำในการทดลอง แม้ว่าจะใช้พลังงานน้อยกว่าก็ตาม คลื่นวิทยุเป็นพลังงาน EM แต่ก็ไม่ใช่สิ่งเดียวที่สามารถจำแนกได้เช่นนี้ ตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่ แสง การแผ่รังสีไอออไนซ์ เช่น รังสีเอกซ์และรังสีแกมมา ความแตกต่างระหว่างสิ่งเหล่านี้คืออัตราที่ EM แกว่ง วัดนี้เป็นทั้งความถี่และความยาวคลื่น และบางครั้งสำหรับช่วงวิทยุสมัครเล่น จะแสดงเป็น "แถบเมตร" ลองมาดูกัน

วัฏจักรคือชื่อที่กำหนดให้กับการสั่นแบบเต็ม และมักจะวัดจากจุดสูงสุดไปยังจุดสูงสุดบนกราฟ “ความถี่” ของคลื่นคือจำนวนรอบที่คลื่นผ่านไปในหนึ่งวินาที และหน่วยที่ระบุว่านี่คือเฮิรตซ์ (Hz) ในแผนภาพด้านบน เราวัดความถี่ 1 รอบต่อวินาที หรือ 1 Hz ซึ่งหมายความว่าคลื่น AC จะแกว่งระหว่างการให้และรับกระแส 1 ครั้งต่อวินาที

เพื่อให้เข้าใจความยาวคลื่น ลองนึกภาพว่ากระแสไฟ AC ของเราจะเป็นอย่างไรในเส้นลวด ลองนึกภาพว่าเวลาหยุดลง และเรากำลังดูกระแสไฟ AC ที่ไม่รู้จักซึ่งไหลผ่านสายไฟ ยอดเขาสูงเป็นที่ที่ลวดมีโพลาไรซ์ในเชิงบวก ส่วนหุบเขาตื้นเป็นที่ที่ลวดมีโพลาไรซ์ในเชิงลบ

เมื่อมองเส้นลวด คุณสามารถวัดความยาวของรอบเป็นเมตรได้หรือไม่? จำไว้ว่าวัฏจักรนั้นวัดจากจุดสูงสุดไปยังจุดสูงสุด เมื่อคุณได้คำตอบแล้ว อ่านต่อไป

สิ่งที่คุณเพิ่งวัดได้คือความยาวคลื่นของสัญญาณในเส้นลวด ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นของสัญญาณกับความถี่

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

โดยที่ $f$ คือความถี่ของคลื่นในหน่วย Hz $c$ คือความเร็วของค่าคงที่แสงที่แสดงเป็นเมตรต่อวินาที $\lambda$ คือเมตรความยาวคลื่น และ $VF$ คือปัจจัยความเร็ว

$VF$ ถูกกำหนดโดยสมการ:

$ VF = v/c $

โดยที่ $v$ คือความเร็วที่สัญญาณแพร่กระจายผ่านวัสดุ

ในตอนนี้ สมมติว่าสัญญาณจะแพร่กระจายผ่านวัสดุทั้งหมดที่ $c$ ทำให้ $v = c$, $VF = 1$ และเราสามารถทำให้สมการของเราง่ายขึ้นสำหรับความยาวคลื่นที่จะกลายเป็น:

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

คุณจะพบสมการแบบง่ายนี้ในหลายๆ แห่ง แต่เข้าใจว่ามันเป็นความจริงสำหรับ EM ในสุญญากาศเท่านั้น

เมื่อเราเรียกใช้กระแสไฟ AC ผ่านเสาอากาศที่สมบูรณ์แบบ มันจะแผ่พลังงาน EM อย่างมีประสิทธิภาพมาก นี่คือการแสดงภาพ:

สังเกตว่ารังสี EM สั่นที่ความถี่เดียวกับกระแสไฟ AC ที่ใช้กับเสาอากาศได้อย่างไร? นี่คือเหตุผลที่กระแสไฟ AC 450 เฮิรตซ์ที่ป้อนไปยังเสาอากาศจะแผ่สัญญาณวิทยุสัญญาณ 450 เฮิรตซ์

ในการทดลองข้างต้น เราได้ยิน AP2BDR และ AP2AUM คุยกันที่ 147.360 MHz* นั่นคือเมกะเฮิรตซ์ หรือ 147,360,000 เฮิรตซ์* ความยาวคลื่นสำหรับความถี่นั้นคือ 2.03 เมตร (79.92 นิ้ว) นี่นำเราไปสู่การประมาณครั้งสุดท้าย: แถบเมตร

แถบมาตรวัดเป็นเพียงการประมาณความยาวคลื่น หากคุณบอกผู้ปฏิบัติงานวิทยุสมัครเล่นว่าคุณใช้แถบความถี่ 2 เมตร พวกเขาจะถือว่าความถี่นั้นมีความยาวคลื่นประมาณ 2 เมตร

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าหมายถึงช่วงความถี่และการจำแนกประเภท โดยทั่วไปแล้ว มี 3 หมวดหมู่หลัก ได้แก่ คลื่นวิทยุ แสง และการแผ่รังสีไอออไนซ์ แต่วลีทั้งสามนี้ไม่ได้สื่อถึงความลึกของสเปกตรัมเอง

ตาม ITU คลื่นวิทยุเริ่มต้นที่ช่วงความถี่ต่ำมาก (ELF) เริ่มต้นที่ 3 Hz และสิ้นสุดที่ช่วงความถี่สูงมากซึ่งสิ้นสุดที่ 300 GHz หลังจากความถี่นี้ การแผ่รังสี EM จะกลายเป็นแสง ห่างออกไปเล็กน้อย จะกลายเป็นแสงที่มองเห็นได้ ไกลออกไปเล็กน้อย รังสีอีเอ็มจะกลายเป็นอันตรายในรูปแบบของรังสีไอออไนซ์

วิธีที่เครื่องรับส่งสัญญาณวิทยุเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูลเสียงจากคลื่นวิทยุ

“ทรานส์—แล้วไง” ฉันได้ยินคุณถาม

ตัวรับส่งสัญญาณเป็นเพียงอุปกรณ์ที่สามารถส่งและรับสัญญาณวิทยุได้ เราไม่จำเป็นต้องให้ทั้งสองฝ่ายมีเครื่องรับส่งสัญญาณ สามารถส่งข้อความวิทยุได้หากบุคคลหนึ่งมีเครื่องรับเท่านั้น

มีรูปแบบการเข้ารหัสและถอดรหัสสัญญาณมากมาย แต่สำหรับตอนนี้ เราจะพูดถึงเพียงสองแผนหลักเท่านั้น ซึ่งหนึ่งในนั้นเราใช้ในการทดลองข้างต้น: การปรับแอมพลิจูด (AM) และการปรับความถี่ (FM) หากคุณเคยเล่นสเตอริโอติดรถยนต์มาสักระยะ คำว่า AM และ FM อาจคุ้นเคยสำหรับคุณมาก มาดูกันว่ามันทำงานอย่างไร

อันดับแรก เรามาแนะนำรูปคลื่นสองรูปแบบ: คลื่นพาหะ และสัญญาณข้อมูลที่เราวางแผนจะเข้ารหัส คลื่นพาหะเป็นเพียงสัญญาณคลื่นธรรมดาที่สั่นที่ความถี่เฉพาะ ในการบันทึกของเรา เช่นเดียวกับภาพประกอบ คลื่นพาหะของเราคือคลื่นไซน์ (รูปร่างขึ้นและลงอย่างราบรื่น) ที่ความถี่ 147.360 MHz* สัญญาณข้อมูลคือข้อมูลที่คุณต้องการเข้ารหัส และในการทดลองของเรา มันเป็นเสียงของการสนทนาระหว่าง AP2BDR และ AP2AUM

ใน AM สัญญาณจะถูกเข้ารหัสในคลื่นพาหะโดยมอดูเลตแอมพลิจูดของคลื่นเอง ซึ่งหมายความว่าคลื่นพาหะจะสูงขึ้น แต่ยังคงอยู่ที่ความถี่เดียวกัน อย่างไรก็ตาม ใน FM สัญญาณจะถูกเข้ารหัสในคลื่นพาหะโดยการปรับความถี่ ซึ่งหมายความว่าคลื่นพาหะจะคงความสูงเท่าเดิม แต่ความถี่จะแตกต่างกันเล็กน้อย

ในการสนทนาของเรา เราใช้ FM FM มักจะให้เสียงที่ชัดกว่า และทนต่อสัญญาณรบกวนหรือการบิดเบือนได้ดีกว่า AM เนื่องจากการบิดเบือนจะปรากฏเป็นการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูด อย่างไรก็ตาม FM มีค่าใช้จ่ายในการใช้ช่วงความถี่มากกว่าความถี่เฉพาะ ช่วงความถี่จะขึ้นอยู่กับตัวกรองของคุณ ในตัวอย่างของเรา เราใช้ย่านความถี่แคบ FM (NBFM); อย่างไรก็ตาม สถานีวิทยุเชิงพาณิชย์ใช้คลื่นความถี่กว้าง (WBFM) ทำให้สถานีมีเสียงที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและทนทานต่อการบิดเบือนมากขึ้น แต่ต้องใช้ช่วงความถี่ที่กว้างขึ้น

บทสรุป

เราได้เรียนรู้วิธีการทำงานของวิทยุและกฎข้อบังคับของคลื่นวิทยุ เราตั้งค่าไดโพลรับสัญญาณและสำรวจสเปกตรัมโดยใช้วิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ และเราได้เรียนรู้ฟิสิกส์พื้นฐานเบื้องหลังคลื่นวิทยุ และวิธีการพื้นฐานของการเข้ารหัสและถอดรหัสสัญญาณ วิทยุอาจดูเหมือนเวทมนตร์ และโดยส่วนตัวแล้วฉันยังคิดว่ามันเป็น แต่ก็เป็นเทคโนโลยีที่น่าทึ่งทีเดียว ในบทความต่อๆ ไป ฉันอาจจะพูดถึง GNRadio และวิธีที่มันเป็นไปได้ที่จะเลียนแบบฟังก์ชันวิทยุในซอฟต์แวร์

ฉันหวังว่าคุณจะสนใจที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิทยุ เมื่อใช้ SDR คุณจะสำรวจสัญญาณที่อุปกรณ์สร้างขึ้นเองได้ เช่น สัญญาณจากพวงกุญแจรถหรือจากกริ่งประตูไร้สาย เพียงจำไว้ว่าคุณต้องทำการทดลองภายใต้ขอบเขตของกฎหมาย และถ้าคุณตัดสินใจที่จะเป็นโอเปอเรเตอร์วิทยุ คุณอาจจะเริ่มส่งและสนทนาด้วยตัวคุณเอง! ในปากีสถาน การส่งสัญญาณจากสถานีวิทยุที่ดำเนินการโดยแฮมที่ได้รับใบอนุญาตนั้นเป็นเรื่องถูกกฎหมาย และอยู่ภายใต้การดูแลของพวกเขา หากพวกเขากำลังฝึกคุณอยู่ ฉันแนะนำให้คุณเข้าร่วม PARS หรือสมาคมวิทยุสมัครเล่นในพื้นที่ของคุณสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม

แหล่งข้อมูลที่ดีที่สุดเกี่ยวกับวิทยุสมัครเล่นที่ฉันพบคือ ARRL Handbook for Radio Communications ได้รับการแนะนำเป็นอย่างยิ่ง และแม้ว่าเนื้อหาในหนังสือจะดูเป็นเรื่องทางเทคนิคอย่างเหลือเชื่อในแวบแรก หลังจากอ่านไม่กี่ครั้ง มันก็เริ่มสมเหตุสมผล มันเป็นทรัพยากรที่ประเมินค่าไม่ได้ และฉันพบว่าตัวเองพูดถึงมันบ่อยๆ อย่างไรก็ตาม เป็นหนังสือแบบชำระเงิน แต่ถ้าคุณกำลังมองหาบางอย่างที่จะเริ่มทันที อ่านห้าบทแรกของ Wireless Networking in the Developing World หนังสือฟรี (เช่นในฟรี) และ ebook (ฟรี) ซึ่งครอบคลุมเนื้อหาที่ฉัน กล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติม

*หมายเหตุ: PARS ขอให้ฉันไม่เผยแพร่ตัวเลขจริงทางออนไลน์ นี่เป็นตัวอย่างที่ถูกต้องทางเทคนิค แต่ตัวอย่างจริงมีให้สำหรับสมาชิก PARS เท่านั้น