Что слышно в радиоэфире? Часть 3, радиолюбители/ham radio / Хабр

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.

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.

Более подробно про телетайп и сигналы этого типа 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. Программу удобно использовать и для тестирования приемных антенн — можно оставить приемник, например, на сутки, и посмотреть сколько сигналов было принято, их мощность и направление.

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 (разумеется, нужен реальный приемник, отправлять данные с чужих онлайн-приемников смысла нет). 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. Есть много других стандартов, как цифровых, так и аналоговых — Olivia, Hellschriber, SSTV, JT65 и пр.

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 😉

Диапазоны частот радиолюбительских станций

В мировом эфире кроме широковещательных и специальных станций можно услышать и радиолюбительские. Радиолюбительская связь осуществляется на специально выделенных частотах в любое время суток телефоном, телеграфом и телетайпом. Телетайп представляет собой специальный передающий аппарат с клавиатурой пишущей машинки. Он автоматически печатает на бумаге информацию, которая передается в эфир. Успех в осуществлении дальних связей зависит от благоприятного прохождения в данный момент радиоволн определенной длины и конструкции радиостанции.

Кроме установления связи с дальними корреспондентами, радиолюбители вносят также свой посильный вклад в изучение распространения радиоволн, проводят соревнования по скорости приема и передачи радиограмм, обеспечивают связью различные экспедиции оказавшихся в экстремальных условиях, конструируют радиоэлектронную аппаратуру и антенны. В 1925 г. в нашей стране был создан Международный радиолюбительский союз, который с той поры начал проводить регулярные соревнования радиолюбителей на коротких волнах, а позднее и на ультракоротких. Для любительской радиосвязи выделены участки частот в диапазонах средних, коротких и ультракоротких волн (табл. 25.1). Из таблицы видно, что только в диапазонах 160 м и 10 м указаны конкретные участки для определенных видов излучения, в других диапазонах такого подразделения нет.

Заметим, что к перечисленным в табл. 25.1 диапазонам недавно прибавился еще один диапазон. В 1998 г. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКЧ) Госкомсвязи России приняла решение №2851-ОР, которое разрешает радиолюбителям использовать диапазон частот 135,7…137,8 кГц, который, как известно, относится к длинным волнам. Этим решением Россия откликнулась на рекомендации Европейской конференции администраций почты и связи (СЕРТ) и тем самым присоединилась к большинству европейских стран, в которых радиолюбители используют длинноволновый диапазон. В настоящее время идет быстрое осваивание этого диапазона отечественными радиолюбителями. Методика работы в новом диапазоне не отличается от работы на КВ, за исключением того, что скорость передачи не превышает 8…12 WPM (групп в минуту). На расстоянии в несколько сот километров скорость передачи падает до 5. ..6 WPM и используется CCW (Convention CW).

Таблица 25.1  Диапазоны частот, отведенные для радиолюбительской связи

Радиолюбительские диапазоны волн, кроме радиосвязи, используются и для различных соревнований, которые как и радиосвязь относятся к техническим видам спорта. К ним, между прочим, относится и так называемая «охота на лис» — нахождение с помощью радиоприемника спрятанных передатчиков. Начинать заниматься коротковолновой связью желательно на коллективных радиостанциях, на станциях юных техников или в организациях РОСТА (бывшее ДОСААФ). Постройка (приобретение) и эксплуатация любительских радиостанций осуществляется только после получения разрешения в региональном управлении Госсвязьнадзора России. Перед получением такого разрешения необходимо сдать квалификационный экзамен но основам электро- и радиотехники, техники безопасности и правил работы в эфире После этого в региональное управление подаются следующие документы:

• заявление-анкета;

• 4 фотокарточки размером 4,5×6 см;

• справка квалификационной комиссии о сдаче экзаменов.

По прошествии некоторого времени, заявитель получает письменное разрешение регионального управления Госсвязьнадзора, дающего право на постройку (приобретение) радиостанции для открытия собственной’ любительской радиостанции. На основании этого разрешения заявитель должен установить аппаратуру радиостанции и подготовить ее к работе в срок не позднее шести месяцев со дня получения разрешения. По истечении вышеуказанного срока владелец, не предъявивший для контроля построенную (приобретенную) радиостанцию или не продливший срок действия разрешения, теряет право на постройку (приобретение) радиостанции. Заявитель, после установки радиостанции, на основе акта технического осмотра радиостанции получает в региональном управлении Госсвязьнадзора разрешение на ее эксплуатацию. Заметим, что разрешение на эксплуатацию любительских радиостанций 1-й категории выдаются лицам, достигшим 16-летнего возраста, 2-й категории — достигшим 14-летнего возраста, а 3-й и 4-й категорий — лицам, достигшим 8-летнего возраста.

Разрешение на эксплуатацию любительской радиостанции выдается сроком на 5 лет. Радиолюбитель ежегодно вносит денежный эксплуатационный сбор на расчетный счет регионального управления Госсвязьнадзора в первом квартале текущего года. После того как урегулированы все вопросы по постройке (приобретению) и эксплуатации любительской радиостанции, региональное управление Госсвязьнадзора выдает постоянный позывной сигнал. Любительским радиостанциям индивидуального и коллективного пользования присваиваются шестисимвольные позывные сигналы. Получение позывного сигнала дает основание на выход радиолюбителя в эфир для установки двухсторонних сеансов радиосвязи.

С некоторыми особенностями работы коротковолновиков можно познакомиться и самостоятельно. Для этого следует прослушать работу в эфире опытных коротковолновиков, то есть стать наблюдателем. В данном случае не надо специального разрешения и квалификация интересующегося радиоспортом не играет роли.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

Радиолюбители в новостях: украинцы глушат российскую военную частоту, студенты Columbiana HS изучают STEM-навыки с помощью любительского радио, радиолюбители по-прежнему соединяют людей на предполагаемой российской военной частоте

Частота предполагаемой российской военной коротковолновой радиопередачи, известная как «зуммер» из-за узнаваемого повторяющегося маркера канала, стала полем битвы для соперничающих российских и украинских радиолюбителей, которые пытались захватите частоту, чтобы играть в мемы и пропаганду.

Передача УБВ-76, которую можно слушать на частоте 4625 кГц по коротковолновому радио, предположительно используется российскими военными для передачи закодированных сообщений вооруженным силам. Сигнал передавался с конца 1970-х годов, в разгар холодной войны.

По мере нарастания напряженности в отношениях между Россией и Украиной энтузиасты отмечали, что зашифрованные радиосообщения становятся все более частыми.

С конца ноября слушатели сообщали, что зашифрованные радиосообщения стали частым явлением. Загадочные сообщения могут быть уловлены за сотни миль с помощью мощных антенн.

После этого шквала активности военного радио энтузиасты решили сами выйти в эфир, заполнив частоту мемами, пропагандой и пиратской музыкой. Радиолюбители, в том числе многие пользователи, предположительно проживающие в Украине, используют интернет-радиопередатчики для трансляции таких песен, как корейский вирусный хит «Gangnam Style», «Little Dark Age» группы MGMT и другие хиты.

…читать дальше

Учащиеся Колумбийского университета получают навыки STEM с помощью радиолюбителей

КОЛУМБИАНА, Огайо. Во время службы в школе сержант Уэйд Боли заинтересовался уроками учащихся, посвященными электромагнитному спектру. Боли подошел к учительнице естественных наук средней школы Эшли Шервуд и предложил помощь.

«Я предложил сделать для учителя лабораторную работу по электромагнитному спектру, — объяснил Боли. «Детям понравилось».

Boley представил ночное видение, альтернативные источники света и другие инструменты, показывающие, как предметы используют электромагнитный спектр.

Осенью 2018 года Боли основал радиолюбительский клуб Columbiana Clippers, известный как K8LPS.

Теперь каждый вторник студенты собираются вокруг радиолюбителя мощностью 100 Вт, подаренного Graft Electric в кабинете биологии средней школы.

…читать дальше

Радиолюбители и сегодня соединяют людей по всему миру