软件定义的无线电教程：来自国际空间站的图像以及使用RTL-SDR收听Hams

本文概述

• 设置我们的偶极天线和SDR接收器
• 什么是业余电台？
• 在拉合尔中继器上收听业余无线电运营商
• 从太空飞船上接收图片：国际空间站的SSTV事件
• 揭开神秘面纱：魔术背后的科学
• 总结

无线电是电磁波的发射和接收, 其波长比红外光的波长长。不过, 如果该定义没有意义, 你会原谅的, 直到几年前, 我也不需要。无线电技术为我们周围的几乎所有无线连接提供了动力：蓝牙, WiFi, 3G, 4G和你的微波炉-所有这些都基于无线电原理运行。该技术已有一百多年的历史了, 但我意识到我对此知之甚少。

因此, 我决定开始学习, 并与国际业余无线电联盟(IARU)的成员巴基斯坦业余无线电协会(PARS)接触, 该协会反过来又代表国际电信联盟( ITU), 这是负责协调全球电信运营和服务的联合国机构。 PARS在全国各地设有一些无线电中继器, 其中之一是在我居住的拉合尔。

自从古格里尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)于1895年首次进行实验以来, 无线电就基本上使用了相同的技术, 但改进的电路设计和信号处理技术使我们能够比以前传输更多和更远的距离。现在, 如果某人拥有一台笔记本电脑和价值不到30美元的设备, 就可以接收各种各样的无线电频率, 而我们将做到这一点。

在此软件定义的无线电教程中, 我将设置软件定义的无线电设备(SDR)和天线, 并通过拉合尔中继器收听两个持牌火腿无线电运营商之间的对话。然后, 我将使用相同的设备来接收从国际空间站(绕地球飞行的航天器)发射的图像, 并用它来获得ARISS SSTV奖, 以证明使用廉价设备浏览无线电频谱并获得认可是多么容易。 。通过本文中使用的硬件, 你只能接收无线电传输而不能自己传输, 但这很好, 因为无论如何你都需要获得业余无线电许可证。

警告！使用无线电设备进行非法活动非常容易, 因此, 本文将不断警告你并引用法律。作者在巴基斯坦合法居住并进行了这些实验。尽管巴基斯坦的联邦广播法有严格的限制, 但你的管辖范围可能更大。 2019年, 一名联合国专家因拥有与我们将使用的相同的软件定义无线电设备而在突尼斯被捕。你有责任在进行无线电实验时确保遵守当地法律。但是请注意：我不是律师, 这不构成法律建议。你必须咨询自己的律师进行澄清。

如果你居住在巴基斯坦, 则必须先获得PARS短波收听(SWL)成员资格, 然后才能获得无线电接收器。 1933年的巴基斯坦《无线电报法》禁止拥有无线电报设备；但是, 允许SWL成员拥有接收者。如果你想成为会员, 请与我联系以获得PARS推荐信。

设置我们的偶极天线和SDR接收器

“什么是”软件定义的”无线电？”我听到你问！

软件无线电是一种无线电设备, 其中大多数电子组件都在软件中”模拟”。在SDR兴起之前, 你将需要专用电路来执行处理往返无线电的信号的任务。信号滤波, 混频, 无线电波检测, 信号放大, 调制/解调等操作都是通过专用电路完成的。但是, 由于计算机的速度越来越快, 因此我们可以通过软件来执行这些功能, 从而使这些类型的无线电成为软件定义的。

一种流行的(廉价的)SDR接收器是带有Realtek RTL2832U控制器和调谐器集成电路的数字视频广播(DVB-T)接收器。虽然它们最初的目的是接收视频, 但现在它们又被重新用于接收无线电信号, 并被称为RTL-SDR设备。我将使用RTL-SDR.com的RTL-SDR接收器和偶极子。它目前的价格为29.95美元, 已在全球范围内发售, 带有温度补偿振荡器(TCXO)和偏置T形管, 虽然很棒, 但不在本文讨论范围之内。它还带有可调偶极天线套件, 可让你从〜70 MHz监听到〜1030 MHz信号。

ARISS国际F2F的第2天：ESA的David Honess在今天的会议上开幕, 提出了通过Raspberry Pi, RTL-SDR, SSTV模式通信等使孩子参与ISS火腿广播项目的绝佳方法, 方法是与我们的F2F会议进行在线链接蒙特利尔。 pic.twitter.com/Mp25cljrAH —艾里斯(@ARISS_status)2019年6月27日

我正在使用的RTL-SDR偶极子套件也在2019年6月的欧洲空间业余无线电(ARISS)国际面对面会议上被欧洲航天局的代表推荐。

设置天线很容易。将天线的长插脚拧入中心, 将其安装在带有提供的吸盘的窗户上, 然后以正好49.65厘米(1英尺7.55英寸)的长度打开偶极子臂。将随附的较长电缆的母端连接到偶极子的公端, 较长电缆的公端连接到SDR, 然后将天线尽可能垂直地安装在外部。最好在窗户上, 使用提供的吸盘安装座。这是它的外观图片：

天线应垂直放置。请注意, 这是一个演示, 天线的臂应该张开更长的时间, 但它们不能装入相机框架, 因此我必须关闭它们并将其安装在室内以拍摄这张照片。

最后, 将长电缆的悬空端拧入SDR, 然后将SDR插入计算机的USB端口。至此, 你可以使用任何数量的SDR应用程序, 但是由于我使用的是MacOS(选项有限), 因此我将使用CubicSDR。

brew cask install cubicsdr

打开CubicSDR后, 将显示一个对话框, 供你选择SDR及其设置。选择我在图像中选择的通用RTL2832U OEM, 并将采样率更改为2.048MHz

当CubicSDR启动时, 你可以立即开始浏览光谱。我建议从熟悉的FM广播开始。这是我浏览拉合尔本地广播电台的视频。

接下来, 我们在拉合尔直放站上听两个业余无线电操作员, 但是在开始之前, 让我们讨论一下什么是业余无线电。

什么是业余电台？

“好吧, 什么是‘业余’广播？”我听到你这次问！

业余无线电是指持照运营商将无线电频谱用于非商业活动。这些可能包括交流, 培训, 实验, 竞赛或更多。每个司法管辖区也可能有自己的法律定义。业余无线电运营商只能使用专用于业余服务的频率。

“业余服务”是指无线电通信服务, 目的是由业余爱好者进行自学, 相互交流和技术调查, 即由本规章正式授权的对无线电技术感兴趣的个人, 其目的仅是出于个人目的, 而没有金钱利益； –巴基斯坦, 2004年业余无线电服务条例

解决之后, 让我们看看我们当地的业余无线电频率是多少。它们与巴基斯坦频率分配委员会一起发布的所有内容的定义一起发布在称为”巴基斯坦频率分配表”的文件中。我保留了所有内容的要点以便于参考, 但是这里是甚高频(VHF)频段：

就是说, 这里是有关合法性的重要说明：RTL-SDR和此设置非常强大。即使你只能访问巴基斯坦(或你当地)指定的业余范围的一小部分, 通常范围从1800 KHz到250 GHz, 但频谱上还有其他服务。你应该了解可以或什至更不能收听的服务：在巴基斯坦(与在英国一样), 你不能收听任何不适合你使用或不向公众开放的传输, 因此, 根据1996年的《巴基斯坦电信(重组)法》和2016年的《防止电子犯罪法》, 可能在巴基斯坦处以罚款或监禁。无论如何, 查阅当地法律完全是你的责任。在美国, 你可以收听的广播内容取决于你当地的司法管辖区。

在拉合尔中继器上收听业余无线电运营商

“你要我问一个中继器是什么, 不是吗？”你问。很高兴你问到。

无线电设备互相通话时, 它们的范围都有各自的限制。想象一下, 爱丽丝和鲍勃想互相交谈, 但是他们之间的距离远远大于他们的收音机可以发射的距离。现在, 爱丽丝和鲍勃可以升级他们的收音机, 但这会很昂贵。相反, 他们可以集中资金并在他们之间安装中继器。中继器可以非常强大, 也可以足够强大, 以使其传输到达两者。

中继器是一种可以重复听到的声音的设备。它将在一个频率上听到的声音模仿到另一频率上。中继器的目的是扩展其他无线电的范围。通常将其放置在较高的中央位置, 以使其视野清晰。它还可能会输出大量功率, 以使很远的无线电也能听到。在上面的插图中, 我们从视觉上看到了中继器如何帮助两个小型手持无线电装置在远距离上彼此通话。拉合尔中继器的工作方式就是这样, 只是功率更大。

拉合尔中继器的工作频率为147.360 MHz *。在调谐到该频率之前, 将调制选择器设置为窄带频率调制(NBFM / NFM), 稍后我们将详细了解其工作原理。以此频率, 你每隔五分钟会听到一系列的声音。我在这里为你录制了其中一个：

这些音调到底是什么？查看波形将为我们提供线索。

PARS拉合尔中继器的摩尔斯电码可拼写LHR

如果你尚未开始使用, 则为莫尔斯电码。由于此波形表示幅度和时间, 因此短蜂鸣声是点, 而长蜂鸣声是虚线。因此, 音频正在发信号….….-。将其解码为LHR(拉合尔的城市缩写)。这表明中继器处于在线状态, 你已调到正确的频率, 并且正在收听拉合尔中继器。

在等待期间, 我请我的朋友和持照火腿经营者Badar Jamal, PARS拉合尔分会的负责人AP2BDR, 与我进行快速交谈, 然后调入拉合尔直放站。我得到了巴基斯坦电信管理局的特别授权, 可以在AP2BDR这样的持牌运营商的监督下操作收音机。谈话发生在频谱非常污染的特别糟糕的时刻, 因此会有噪音。另外, 尽管我尽了最大的努力使我与RTL-SDR之间保持一定距离, 但我的传输在某些方面似乎使设备无法胜任, 但这是下面的话题。我在PARS的呼叫扩展名为AP2ARS / 11月的情况下进行操作。

这就是如何在中继器上的两个持牌运营商之间的火腿无线电对话中收听的方法。如果它们在没有中继器的情况下进行传输, 则过程将是相同的, 因为RTL-SDR无法传输。但是, 由于传输设备必须以与接收设备不同的频率进行传输, 因此传输设备涉及的设置更多。如果你像我一样, 这给你带来的问题多于答案。我将在下一节中解释其背后的科学。

从太空飞船上接收图片：国际空间站的SSTV事件

国际空间站(ISS)是绕地球轨道运行的大型人造卫星。它是由五个不同的太空机构共同拥有的太空环境研究实验室：NASA(美国), Roscosmos(俄罗斯), JAXA(日本), ESA(欧洲)和CSA(加拿大)通过一系列复杂的协议和条约。由于国际空间站是由乘员操作的航天器, 因此从技术上讲它是一艘太空飞船, 并且由于它绕地球运行, 所以它也是一颗卫星。

ISS在国际空间站或ARISS计划的业余无线电台下运行卫星业余服务。通过此服务, 你可以与国际空间站联系, 在这里你可以与业余无线电宇航员交谈, 但是ARISS时不时地运行特殊的慢扫描电视(SSTV)事件, 以窄带FM模式在145.8 MHz上广播图像。一种这样的事件发生在2019年8月1-4日之间, 称为ARISS Garriott纪念SSTV活动。该活动”以纪念SSTV的活动来纪念[d]宇航员, 科学家和火腿广播的先驱Owen Garriott的生活和成就, 其中包括Garriott在其太空任务中与火腿广播的合作所拍摄的图像。”他是第一个从太空飞行的火腿。

为此, 我将偶极子和RTL-SDR放在屋顶上。但是, 该信号微弱到令人难以置信的程度, 因此使用我的RTL-SDR, 我只能在异常强的通过过程中获得部分图像。在剩下的活动中, 我使用了替代设备。但是, 其他PARS成员在RTL-SDR和使用铜管和同轴电缆的自制天线方面取得了更大的成功。监听信号的过程与上一个过程非常相似, 除了一个额外的步骤：考虑了多普勒效应。

名词：当源和观察者彼此靠近(或远离)时, 多普勒效应会增加(或减少)声音, 光或其他波的频率。这种作用会导致在通过的警笛中音调突然改变, 以及天文学家看到的红移。 – 谷歌

多普勒效应或多普勒频移是发射器移近时频率的明显变化。让我们考虑一下救护车警报器。当它接近我们时, 它的音高很高, 但是当它经过我们时, 它会做这种奇怪的事情, 声音突然改变并变低。小时候, 我总是觉得很奇怪：为什么救护车司机对我这样做？他们怎么知道我在室内的时候经过我？事实证明, 它发生在每个人身上, 而不仅仅是声音。多普勒效应在包括无线电和光在内的所有波中都是明显的。蓝移是当恒星向地球看起来对我们来说是蓝色时, 它具有较高的波动频率；红移是当恒星移向地球时它呈红色时, 它具有较低的频率。为了演示, 我推荐这个出色的视频。

多普勒频移在卫星的无线电通信中表现为随着卫星向你移动而使音调增加, 而随着移向你的距离而突然减小。在SDR的瀑布上, 看起来像这样：

在瀑布显示上可视化多普勒效果。图片由N1AAE提供

为了补偿这种影响, 当卫星升起时, 我将收音机的频率保持在145.8 MHz之上, 当卫星到达其顶点时将其调低, 并在设置时将其进一步调低。请记住, 虽然我确实收到了部分音频, 但是收到的是以下音频：

如果播放此文件并运行SSTV解码器(例如Robo36 Android应用程序), 并将其设置为PD120模式, 则应获得以下图像：

向欧文·加里奥特(Owen Garriot)致敬的照片, 这是第一只从太空飞行的火腿。我直接从太空飞船收到的真实照片。使用这张照片, 我获得了ARISS SSTV大奖。

现在, 让我们了解无线电技术的工作原理。

揭开神秘面纱：魔术背后的科学

好吧, 所以, 如果你像我一样, 想了解更多。一个说话的人如何通过麦克风传递不可见的波(什至是波？), 该波被另一端的另一个魔盒拾取(“拾取”？)并变成声音？这么多的问题。让我们开始。如果起初, 其中一些概念没有意义, 请耐心等待直到最后。让我们讨论：

• 交流电及其产生电磁波的方式
• 电磁频谱和无线电频率
• 无线电收发器如何将语音编码为无线电波并从无线电波解码

交流电及其产生电磁波的方式

你可能知道直流电, 例如将LED连接到12V电池时。这种类型的电输出恒定电压, 称为直流电(DC)。如果要绘制导线中的电流, 将得到如下所示的结果：

你可能很熟悉, 流过电线的电流会在电线周围的圆周中产生恒定的磁场。它看起来像这样：

你可以观看此YouTube视频中演示的效果。

不过, DC对广播没有任何作用。我们使用它更有趣, 更致命的兄弟姐妹：交流电(AC)。交流电不同于直流电, 因为它不是给负载提供恒定的电压, 而是在给与负载之间交替。如果你在家中插入主电源, 将会得到交流电。在巴基斯坦, 我们得到的交流电压为50赫兹或赫兹, 交流电压为230伏(暂时不用担心它为赫兹), 这与英国相似, 但是在北美, 你获得60赫兹的电压为120伏。为简单起见, 我们假设它以1 Hz的频率运行。这是我的主电源电图：

现在, 这是关于AC的有趣的事情：由于电流的变化, 我们现在将导致导线周围的磁场发生变化。变化的磁场具有特殊的性质, 它们会在穿过的导线中感应出电流！这称为电磁感应。所有的无线电基本上都是电磁辐射和交流电的感应。这是一个视频, 视频中一个人用偶极子天线发射灯泡, 长度与我们的天线长度相同, 并且信号在2米波段内：

顺便说一下, 这个2米的频段与我们听到的AP2BDR和AP2AUM正在讨论的频段相同, 但是我所说的这个”频段”是什么？接下来, 我们将了解无线电频率。

无线电频率和电磁频谱

电磁(EM)辐射是指具有在整个空间传播的电磁成分的波。在上面的视频中, 你看到一个人用偶极天线发射EM辐射, 然后又接收了一个。尽管功耗更低, 但这正是我们在实验中所做的。无线电波是EM能量, 但并不是唯一可以归为此类的东西。其他一些例子包括光, 电离辐射, 例如X射线和伽马射线。所有这些之间的差异是EM的振荡速率。它是在频率和波长上进行测量的, 对于业余无线电范围, 有时以”米带”表示。让我们来看看。

周期是全振荡的名称, 通常在图中的峰到峰之间进行测量。波形的”频率”是其在一秒钟内经过的循环数, 而表示该频率的单位是赫兹(Hz)。在上图中, 我们测量的频率为每秒1个周期或1 Hz。这意味着交流电在给与给电流之间每秒振荡1次。

为了了解波长, 让我们直观地想象一下交流电流在电线中的样子。假设时间停止了, 我们正在寻找一条未知的交流电流流过电线。高峰值是导线被正极化的地方, 浅谷是导线被负极化的地方。

目视电线, 你能以米为单位测量一个周期的长度吗？请记住, 一个周期是从一个峰到另一个峰的。找到答案后, 请继续阅读。

你刚刚测量的是电线中信号的波长。信号波长与其频率之间的关系

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

其中$ f $是波的频率, 单位为Hz, $ c $是光速, 以米/秒表示, $ \ lambda $是波长米, 而$ VF $是速度因子。

$ VF $由以下公式给出：

$ VF = v / c $

其中$ v $是信号在材料中传播的速度。

现在, 让我们假设信号将以$ c $的价格传播通过所有材料, 使$ v = c $, $ VF = 1 $, 我们可以简化波长的等式：

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

你会在很多地方遇到这个简化的方程式, 但要了解, 这仅适用于真空中的EM。

当我们通过完美的天线运行交流电流时, 它会非常有效地辐射EM能量。这是可视化效果：

请注意, EM辐射如何以与施加到天线的AC电流完全相同的频率振荡？这就是为什么馈入天线的450赫兹交流电流会辐射450赫兹信号无线电信号的原因。

在上面的实验中, 我们听到了AP2BDR和AP2AUM在147.360 MHz *(兆赫兹或147, 360, 000赫兹*)上的讲话。该频率的波长为2.03米(79.92英寸)。这将我们带到最后一个近似值：米带。

米带只是波长的估计。如果你告诉业余无线电运营商你使用2米波段, 他们会用它来表示大约2米波长的频率。

电磁频谱是指频率范围及其分类。广义上讲, 有3个主要类别：无线电波, 光和电离辐射, 但是这三个短语并不能传达光谱本身的深度。

电磁频谱, 以感应负载为例

根据ITU, 无线电波始于3 Hz的极低频(ELF)范围, 并终止于300 GHz的极高频范围。在此频率之后, EM辐射变成光, 再远一点, 它变成可见光, 再远一点, 它以电离辐射的形式开始变得危险。

无线电收发器如何编码和解码无线电波中的语音数据

“一个跨性别-现在呢？”我听到你问。

收发器只是可以发送和接收无线电信号的设备。我们不一定需要双方都拥有收发器；如果只有一个接收者, 则可以发送无线电消息。

信号编码和解码方案很多, 但是现在, 我们仅讨论两个主要方案, 上面的实验中我们使用了其中一种：振幅调制(AM)和频率调制(FM)。如果你使用车载立体声系统玩了一段时间, 你可能对AM和FM这两个术语很熟悉。让我们看看它们的工作原理。

首先, 让我们介绍两个波形：载波和我们计划编码的信息信号。载波只是一个以特定频率振荡的平面波信号, 在我们的记录中, 就像插图一样, 我们的载波是正弦波(平滑的上升和下降形状), 频率为147.360 MHz *。信息信号是你要编码的数据, 在我们的实验中, 它是AP2BDR和AP2AUM之间对话的音频。

在AM中, 通过调制波本身的振幅将信号编码到载波中, 这意味着载波会变高, 但保持相同的频率。但是, 在FM中, 通过调制频率将信号编码到载波中, 这意味着载波保持相同的高度, 但是频率变化很小。

在我们的对话中, 我们使用了FM。 FM通常会产生更清晰的音频, 并且比AM更能抵抗噪声或失真, 因为失真表现为幅度的变化。但是, 调频是以使用一定范围的频率而不是特定频率为代价的。频率范围有多宽取决于你的滤波器。在我们的示例中, 我们使用了窄带FM(NBFM)。但是, 商业广播电台使用宽带FM(WBFM)。这使电台声音更丰富, 更不易失真, 但需要更大的频率范围。

总结

我们了解了无线电的工作原理和一些无线电规则, 使用软件定义的无线电建立了接收偶极子并探索了频谱, 还学习了无线电波背后的一些基本物理原理以及编码和解码信号的基本方法。广播看起来像是魔术, 就我个人而言还是如此, 但这是一项了不起的技术。在以后的文章中, 我可能会讨论GNURadio以及如何在软件中模拟无线电功能。

希望你有兴趣进一步了解电台。使用SDR, 你可以探索自己设备产生的信号, 例如汽车的钥匙扣或无线门铃的信号。只要记住确保你在法律范围内进行实验即可。而且, 如果你决定成为一名业余无线电操作员, 则可以开始发送并进行自己的对话！在巴基斯坦, 从受许可的火腿经营的电台进行广播是合法的, 如果他们正在训练你, 则在他们的监督下进行。我建议你加入PARS或你当地的业余无线电协会以获取更多信息。

我发现业余无线电的最佳资源是《 ARRL无线电通信手册》。强烈推荐它, 尽管书中的内容乍看之下具有令人难以置信的技术性, 但经过几次阅读后, 它才变得有意义。这是一种宝贵的资源, 我发现自己经常提到它。但是, 这是一本付费书籍, 但是如果你希望立即开始学习, 请阅读《发展中国家无线网络》的前五章, 这是一本免费的(免费)书和(免费)电子书, 其中涵盖了我详细讨论。

*注意：PARS要求我不要在线发布真实数字。这些是技术上准确的示例, 但实际的示例仅适用于PARS成员。