Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Привет Хабр.
В первой части статьи про то что слышно в эфире было рассказано про служебные станции на длинных и коротких волны. Отдельно стоит рассказать о радиолюбительских станциях. Во-первых, это тоже интересно, во-вторых, присоединиться к этому процессу, как на прием, так и на передачу, может любой желающий.
Как и в первых частях, упор будет делаться на «цифру» и на то, как устроена обработка сигналов. Для приема и декодирования сигналов мы также будем пользоваться голландским онлайн-приемником websdr и программой MultiPSK.
Для тех, кому интересно как это работает, продолжение под катом.
После того, как более 100 лет назад стало известно, что на коротких волнах можно связаться со всем миром, используя передатчик буквально из двух ламп, процессом заинтересовались не только корпорации, но и энтузиасты. В те годы выглядело это примерно так, ну и до сих ham radio остается вполне интересным техническим хобби. Какие виды связей доступны современным радиолюбителям, попробуем разобраться.
Радиоэфир весьма активно используется служебными и вещательными станциями, поэтому радиолюбителям выделены определенные частотные диапазоны, чтобы они не мешали другим. Этих диапазонов довольно много, от сверхдлинных волн на 137КГц до СВЧ на 1.3, 2.4, 5.6 или 10ГГц (подробнее можно посмотреть здесь). В общем, каждый может выбрать, в зависимости от интересов и технической оснащенности.
С точки зрения простоты приема, наиболее доступными являются частоты с длинами волн 80-20м:
— Диапазон 3,5 МГц (80 м): 3500-3800 кГц.
— Диапазон 7 МГц (40 м): 7000-7200 кГц.
— Диапазон 10 МГц (30 м): 10100-10140 кГц.
— Диапазон 14 МГц (20 м): 14000-14350 кГц.
На них можно настроиться как с помощью вышеупомянутого онлайн-приемника, так и со своего личного, если он может принимать в режиме боковой полосы (LSB, USB, SSB).
Теперь, когда все готово, посмотрим, что там можно принять.
Если посмотреть через websdr на весь любительский радиодиапазон целиком, легко увидеть сигналы азбуки Морзе. В служебной радиосвязи она уже практически не осталась, но некоторые радиолюбители-энтузиасты ею вполне активно пользуются.
Раньше для получения позывного нужно было даже сдать экзамен по приему сигналов Морзе, сейчас это вроде осталось только для первой, высшей, категории (отличаются они в основном, только максимальной допустимой мощностью). Мы же будем декодировать сигналы CW с помощью CW Skimmer и Virtual Audio Card.
Радиолюбители, чтобы сократить длину сообщения, используют укороченный код (Q-код), в частности, строка CQ DE DF7FF означает общий вызов всем станциям от радиолюбителя DF7FF. Каждый радиолюбитель имеет свой позывной сигнал, префикс которого образуется от кода страны, это достаточно удобно т.к. сразу понятно откуда вещает станция. В нашем случае позывной DF7FF принадлежит радиолюбителю из Германии.
Что касается голосовой связи, то с ней никаких сложностей нет, желающие могут послушать самостоятельно на websdr. Когда-то во времена СССР не все радиолюбители имели права проводить радиосвязи с иностранцами, сейчас таких ограничений нет, и дальность и качество связи зависит только от качества антенн, аппаратуры и терпения оператора. Для тех кто заинтересуется, почитать подробнее можно на радиолюбительских сайтах и форумах (cqham, qrz), мы же перейдем к цифровым сигналам.
К сожалению, для многих радиолюбителей работа «цифрой» это просто соединение звуковой карты компьютера с программой-декодером, мало кто вникает в тонкости того, как это работает. Еще меньше проводящих собственные эксперименты с цифровой обработкой сигналов и разными видами связи. Несмотря на это, за последние 10-15 лет появилось достаточно много цифровых протоколов, некоторые из которых интересно рассмотреть.
Достаточно старый вид связи, использующий частотную модуляцию. Сам метод называется FSK (Frequency Shift Keying) и заключается в формировании битовой последовательности путем смены частоты передачи.
Данные кодируются быстрым переключением между двумя частотами F0 и F1. Разница dF = F1 — F0 называется разносом частот, и может быть равна, например, 85, 170, или 452Гц. Второй параметр — это скорость передачи, которая тоже может быть разной, и составлять например, 45, 50 или 75 бит в секунду. Т.к. у нас есть две частоты, то нужно определиться какая будет “верхней”, какая “нижней”, этот параметр обычно называется “инверсия”. Вот эти три значения (скорость, разнос и инверсия) полностью определяют параметры RTTY-передачи. В практически любых программах декодирования можно найти эти настройки, и подобрав даже “на глаз” эти параметры, можно декодировать большинство таких сигналов.
Когда-то связи в RTTY были более популярны, но сейчас, зайдя на websdr, я не услышал ни одного сигнала, так что пример декодирования привести сложно. Желающие могут послушать самостоятельно на 7.045 или 14.080МГц, более подробно про телетайп было написано в первой части статьи.
Другой вид связи — фазовая модуляция, Phase Shift Keying. Здесь меняется не частота, а фаза, на графике это выглядит примерно так:
Битовое кодирование сигнала заключается в смене фазы на 180 градусов, а сам сигнал представляет собой фактически чистый синус — это обеспечивает неплохую дальность передачи при минимальной передаваемой мощности. Фазовый сдвиг сложно увидеть на скриншоте, его можно заметить если увеличить и наложить один фрагмент на другой.
Само кодирование относительно просто — в BPSK31 сигналы передаются со скоростью 31.25 бод, изменение фазы кодирует «0», отсутствие изменения фазы «1». Кодирование символов можно посмотреть в Википедии.
Визуально на спектре сигнал BPSK виден как узкая линия, и на слух слышен как довольно чистый тон (чем он в принципе и является). Услышать сигналы BPSK можно например, на 7080 или 14070МГц, декодировать их можно в MultiPSK.
Интересно отметить, что и в BPSK и в RTTY по «яркости» линии можно судить силе сигнала и о качестве приема — если какая-то часть сообщения пропадает, то в этом месте сообщения будет «мусор», но общий смысл сообщения часто остается все равно понятным. Оператор сам может выбирать, на какой сигнал навестись чтобы его декодировать. Поиск новых и слабых сигналов от дальних корреспондентов сам по себе довольно-таки интересен, также при общении (как можно видеть на картинке выше) можно использовать произвольный текст, вести «живой» диалог. В отличие от этого, следующие протоколы гораздо более автоматизированы, и практически не требуют участия человека. Хорошо это или плохо, вопрос философский, но определенно можно сказать, что какая-то часть ham radio spirit в таких режимах определенно утрачена.
Для декодирования следующего типа сигналов нужно установить программу WSJT. Сигналы FT8 передаются с помощью частотной модуляции из 8 частот со сдвигом всего в 6.25Гц, так что сигнал занимает полосу всего лишь в 50Гц. Данные в FT8 передаются «пакетами» длительностью около 14 секунд, так что точная синхронизация времени компьютера довольно актуальна. Прием почти полностью автоматизирован — программа декодирует позывной, силу сигнала.
В новой версии протокола FT4, который появился недавно на днях, длительность пакета уменьшена до 5с, используется 4-тоновая модуляция при скорости передачи 23бод. Ширина занимаемой полосы сигнала составляет примерно 90Гц.
WSPR — это протокол, специально ориентированный на прием и передачу слабых сигналов. Это сигнал, передающийся со скоростью всего лишь 1.4648 бод (да, лишь чуть больше 1 бита в секунду). Для передачи используется частотная модуляция (4-FSK) с разносом частот 1.4648Гц, так что ширина полосы сигнала всего лишь 6Гц. Передаваемый пакет данных имеет размер 50 бит, к нему также добавляются биты коррекции ошибок (non-recursive convolutional code, constraint length K=32, rate=1/2), в итоге общий размер пакета равен 162бит. Эти 162бит передаются примерно за 2 минуты (кто-то еще будет жаловаться на медленный интернет?:).
Все это позволяет передавать данные фактически ниже уровня шумов, с почти фантастическими результатами — например, сигналом 100мВт с ножки микропроцессора, с помощью комнатной рамочной антенны удавалось передать сигнал на 1000км.
WSPR работает полностью автоматически, и не требует участия оператора. Достаточно оставить программу работать, и через какое-то время можно посмотреть лог работы. Данные также могут отправляться на сайт wsprnet.org, что удобно для оценки прохождения или качества антенны — можно передать сигнал, и тут же посмотреть онлайн, где он был принят.
Кстати, присоединиться к приему WSPR может любой желающий, даже без радиолюбительского позывного (для приема он не требуется) — достаточно приемника и программы WSPR, причем все это может работать даже автономно на Raspberry Pi. Система интересна как с научной точки зрения, так и для экспериментов с аппаратурой и с антеннами. К сожалению, как видно из картинки ниже, по плотности приемных станций Россия ушла недалеко от Судана, Египта или Нигерии, так что новые участники всегда полезны — есть возможность быть первым, и одним приемником можно «накрыть» территорию в тысячу км.
Весьма интересным и довольно-таки сложным, является передача WSPR на частотах выше 1ГГц — стабильность частоты приемника и передатчика тут является критичной.
На этом я закончу обзор, хотя перечислено разумеется, далеко не все, только наиболее популярное.
Если кому-то захотелось тоже попробовать свои силы, то это не так уж сложно. Для приема сигналов можно воспользоваться либо классическим (Tecsun PL-880, Sangean ATS909X и пр), либо SDR-приемником (SDRPlay RSP2, SDR Elad). Далее, достаточно установить программы, как показано выше, и можно изучать радиоэфир самостоятельно. Цена вопроса составляет 100-200$ в зависимости от модели приемника. Можно также воспользоваться онлайн-приемниками и вообще ничего не покупать, хотя это все же не так интересно.
Для тех, кто захочет работать еще и на передачу, придется приобрести трансивер с антенной, и оформить радиолюбительскую лицензию. Цена трансивера примерно равна цене айфона, так что при желании это вполне доступно. Нужно также будет сдать несложный экзамен, и уже где-то через месяц можно полноценно работать в эфире. Конечно, это все не просто — придется изучить виды антенн, придумать способ установки, разобраться с частотами и видами излучения. Хотя слово «придется» тут наверно неуместно, ведь на то оно и хобби, что делается для интереса а не по принуждению.
Кстати, попробовать цифровые связи любой желающий может прямо сейчас. Для этого достаточно поставить программу MultiPSK, и можно через звуковую карту и микрофон прямо «по воздуху» провести связь с одного компьютера на другой любым интересующим видом связи.
Всем удачных экспериментов. Может кто-то из читателей создаст новый цифровой вид связи, и я с удовольствием включу его обзор в этот текст ;)
В первой части статьи про то что слышно в эфире было рассказано про служебные станции на длинных и коротких волны. Отдельно стоит рассказать о радиолюбительских станциях. Во-первых, это тоже интересно, во-вторых, присоединиться к этому процессу, как на прием, так и на передачу, может любой желающий.
Как и в первых частях, упор будет делаться на «цифру» и на то, как устроена обработка сигналов. Для приема и декодирования сигналов мы также будем пользоваться голландским онлайн-приемником websdr и программой MultiPSK.
Для тех, кому интересно как это работает, продолжение под катом.
После того, как более 100 лет назад стало известно, что на коротких волнах можно связаться со всем миром, используя передатчик буквально из двух ламп, процессом заинтересовались не только корпорации, но и энтузиасты. В те годы выглядело это примерно так, ну и до сих ham radio остается вполне интересным техническим хобби. Какие виды связей доступны современным радиолюбителям, попробуем разобраться.
Частотные диапазоны
Радиоэфир весьма активно используется служебными и вещательными станциями, поэтому радиолюбителям выделены определенные частотные диапазоны, чтобы они не мешали другим. Этих диапазонов довольно много, от сверхдлинных волн на 137КГц до СВЧ на 1.3, 2.4, 5.6 или 10ГГц (подробнее можно посмотреть здесь). В общем, каждый может выбрать, в зависимости от интересов и технической оснащенности.
С точки зрения простоты приема, наиболее доступными являются частоты с длинами волн 80-20м:
— Диапазон 3,5 МГц (80 м): 3500-3800 кГц.
— Диапазон 7 МГц (40 м): 7000-7200 кГц.
— Диапазон 10 МГц (30 м): 10100-10140 кГц.
— Диапазон 14 МГц (20 м): 14000-14350 кГц.
На них можно настроиться как с помощью вышеупомянутого онлайн-приемника, так и со своего личного, если он может принимать в режиме боковой полосы (LSB, USB, SSB).
Теперь, когда все готово, посмотрим, что там можно принять.
Голосовая связь и азбука Морзе
Если посмотреть через websdr на весь любительский радиодиапазон целиком, легко увидеть сигналы азбуки Морзе. В служебной радиосвязи она уже практически не осталась, но некоторые радиолюбители-энтузиасты ею вполне активно пользуются.
Раньше для получения позывного нужно было даже сдать экзамен по приему сигналов Морзе, сейчас это вроде осталось только для первой, высшей, категории (отличаются они в основном, только максимальной допустимой мощностью). Мы же будем декодировать сигналы CW с помощью CW Skimmer и Virtual Audio Card.
Радиолюбители, чтобы сократить длину сообщения, используют укороченный код (Q-код), в частности, строка CQ DE DF7FF означает общий вызов всем станциям от радиолюбителя DF7FF. Каждый радиолюбитель имеет свой позывной сигнал, префикс которого образуется от кода страны, это достаточно удобно т.к. сразу понятно откуда вещает станция. В нашем случае позывной DF7FF принадлежит радиолюбителю из Германии.
Что касается голосовой связи, то с ней никаких сложностей нет, желающие могут послушать самостоятельно на websdr. Когда-то во времена СССР не все радиолюбители имели права проводить радиосвязи с иностранцами, сейчас таких ограничений нет, и дальность и качество связи зависит только от качества антенн, аппаратуры и терпения оператора. Для тех кто заинтересуется, почитать подробнее можно на радиолюбительских сайтах и форумах (cqham, qrz), мы же перейдем к цифровым сигналам.
К сожалению, для многих радиолюбителей работа «цифрой» это просто соединение звуковой карты компьютера с программой-декодером, мало кто вникает в тонкости того, как это работает. Еще меньше проводящих собственные эксперименты с цифровой обработкой сигналов и разными видами связи. Несмотря на это, за последние 10-15 лет появилось достаточно много цифровых протоколов, некоторые из которых интересно рассмотреть.
RTTY
Достаточно старый вид связи, использующий частотную модуляцию. Сам метод называется FSK (Frequency Shift Keying) и заключается в формировании битовой последовательности путем смены частоты передачи.
Данные кодируются быстрым переключением между двумя частотами F0 и F1. Разница dF = F1 — F0 называется разносом частот, и может быть равна, например, 85, 170, или 452Гц. Второй параметр — это скорость передачи, которая тоже может быть разной, и составлять например, 45, 50 или 75 бит в секунду. Т.к. у нас есть две частоты, то нужно определиться какая будет “верхней”, какая “нижней”, этот параметр обычно называется “инверсия”. Вот эти три значения (скорость, разнос и инверсия) полностью определяют параметры RTTY-передачи. В практически любых программах декодирования можно найти эти настройки, и подобрав даже “на глаз” эти параметры, можно декодировать большинство таких сигналов.
Когда-то связи в RTTY были более популярны, но сейчас, зайдя на websdr, я не услышал ни одного сигнала, так что пример декодирования привести сложно. Желающие могут послушать самостоятельно на 7.045 или 14.080МГц, более подробно про телетайп было написано в первой части статьи.
PSK31/63
Другой вид связи — фазовая модуляция, Phase Shift Keying. Здесь меняется не частота, а фаза, на графике это выглядит примерно так:
Битовое кодирование сигнала заключается в смене фазы на 180 градусов, а сам сигнал представляет собой фактически чистый синус — это обеспечивает неплохую дальность передачи при минимальной передаваемой мощности. Фазовый сдвиг сложно увидеть на скриншоте, его можно заметить если увеличить и наложить один фрагмент на другой.
Само кодирование относительно просто — в BPSK31 сигналы передаются со скоростью 31.25 бод, изменение фазы кодирует «0», отсутствие изменения фазы «1». Кодирование символов можно посмотреть в Википедии.
Визуально на спектре сигнал BPSK виден как узкая линия, и на слух слышен как довольно чистый тон (чем он в принципе и является). Услышать сигналы BPSK можно например, на 7080 или 14070МГц, декодировать их можно в MultiPSK.
Интересно отметить, что и в BPSK и в RTTY по «яркости» линии можно судить силе сигнала и о качестве приема — если какая-то часть сообщения пропадает, то в этом месте сообщения будет «мусор», но общий смысл сообщения часто остается все равно понятным. Оператор сам может выбирать, на какой сигнал навестись чтобы его декодировать. Поиск новых и слабых сигналов от дальних корреспондентов сам по себе довольно-таки интересен, также при общении (как можно видеть на картинке выше) можно использовать произвольный текст, вести «живой» диалог. В отличие от этого, следующие протоколы гораздо более автоматизированы, и практически не требуют участия человека. Хорошо это или плохо, вопрос философский, но определенно можно сказать, что какая-то часть ham radio spirit в таких режимах определенно утрачена.
FT8/FT4
Для декодирования следующего типа сигналов нужно установить программу WSJT. Сигналы FT8 передаются с помощью частотной модуляции из 8 частот со сдвигом всего в 6.25Гц, так что сигнал занимает полосу всего лишь в 50Гц. Данные в FT8 передаются «пакетами» длительностью около 14 секунд, так что точная синхронизация времени компьютера довольно актуальна. Прием почти полностью автоматизирован — программа декодирует позывной, силу сигнала.
В новой версии протокола FT4, который появился недавно на днях, длительность пакета уменьшена до 5с, используется 4-тоновая модуляция при скорости передачи 23бод. Ширина занимаемой полосы сигнала составляет примерно 90Гц.
WSPR
WSPR — это протокол, специально ориентированный на прием и передачу слабых сигналов. Это сигнал, передающийся со скоростью всего лишь 1.4648 бод (да, лишь чуть больше 1 бита в секунду). Для передачи используется частотная модуляция (4-FSK) с разносом частот 1.4648Гц, так что ширина полосы сигнала всего лишь 6Гц. Передаваемый пакет данных имеет размер 50 бит, к нему также добавляются биты коррекции ошибок (non-recursive convolutional code, constraint length K=32, rate=1/2), в итоге общий размер пакета равен 162бит. Эти 162бит передаются примерно за 2 минуты (кто-то еще будет жаловаться на медленный интернет?:).
Все это позволяет передавать данные фактически ниже уровня шумов, с почти фантастическими результатами — например, сигналом 100мВт с ножки микропроцессора, с помощью комнатной рамочной антенны удавалось передать сигнал на 1000км.
WSPR работает полностью автоматически, и не требует участия оператора. Достаточно оставить программу работать, и через какое-то время можно посмотреть лог работы. Данные также могут отправляться на сайт wsprnet.org, что удобно для оценки прохождения или качества антенны — можно передать сигнал, и тут же посмотреть онлайн, где он был принят.
Кстати, присоединиться к приему WSPR может любой желающий, даже без радиолюбительского позывного (для приема он не требуется) — достаточно приемника и программы WSPR, причем все это может работать даже автономно на Raspberry Pi. Система интересна как с научной точки зрения, так и для экспериментов с аппаратурой и с антеннами. К сожалению, как видно из картинки ниже, по плотности приемных станций Россия ушла недалеко от Судана, Египта или Нигерии, так что новые участники всегда полезны — есть возможность быть первым, и одним приемником можно «накрыть» территорию в тысячу км.
Весьма интересным и довольно-таки сложным, является передача WSPR на частотах выше 1ГГц — стабильность частоты приемника и передатчика тут является критичной.
На этом я закончу обзор, хотя перечислено разумеется, далеко не все, только наиболее популярное.
Заключение
Если кому-то захотелось тоже попробовать свои силы, то это не так уж сложно. Для приема сигналов можно воспользоваться либо классическим (Tecsun PL-880, Sangean ATS909X и пр), либо SDR-приемником (SDRPlay RSP2, SDR Elad). Далее, достаточно установить программы, как показано выше, и можно изучать радиоэфир самостоятельно. Цена вопроса составляет 100-200$ в зависимости от модели приемника. Можно также воспользоваться онлайн-приемниками и вообще ничего не покупать, хотя это все же не так интересно.
Для тех, кто захочет работать еще и на передачу, придется приобрести трансивер с антенной, и оформить радиолюбительскую лицензию. Цена трансивера примерно равна цене айфона, так что при желании это вполне доступно. Нужно также будет сдать несложный экзамен, и уже где-то через месяц можно полноценно работать в эфире. Конечно, это все не просто — придется изучить виды антенн, придумать способ установки, разобраться с частотами и видами излучения. Хотя слово «придется» тут наверно неуместно, ведь на то оно и хобби, что делается для интереса а не по принуждению.
Кстати, попробовать цифровые связи любой желающий может прямо сейчас. Для этого достаточно поставить программу MultiPSK, и можно через звуковую карту и микрофон прямо «по воздуху» провести связь с одного компьютера на другой любым интересующим видом связи.
Всем удачных экспериментов. Может кто-то из читателей создаст новый цифровой вид связи, и я с удовольствием включу его обзор в этот текст ;)
