如何接收22kHz以下的無線電波?

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb

本設計實例打算「收聽」位於0~22kHz之間的頻段。從下文頻段頻率整理可以看出,這些頻率非常低,與人類可以聽到的音訊頻率相對應,但也與電磁波發射有關。如果產生這些頻率的訊號非常簡單,那麼建構調諧天線就不那麼容易…

本設計實例打算「收聽」位於0~22kHz之間的頻段。從下文頻段頻率整理可以看出,這些頻率非常低,與人類可以聽到的音訊頻率相對應,但也與電磁波發射有關。如果產生這些頻率的訊號非常簡單,那麼建構調諧天線就不那麼容易,因為相應的波長等於幾百公里。例如,若要將半波偶極子調諧到1,500Hz頻率,其範圍應約為50公里,這樣做就不切實際。

對於這種低頻(LF)訊號,市場上沒有令人滿意的接收器,因此就必須精心準備天線。電腦音效卡的行為就像個出色的接收器,但必須連接到合適的天線,除音效卡外,還需要有軟體對所接收訊號進行查看、記錄和分析。甚低頻(VLF)頻段僅佔整個無線電頻譜的一小部分,許多動物和人類也可以接收這種訊號中的一部分,而我們的大腦對特低頻(ULF)頻段更敏感。

頻段頻率

極低頻(ELF):3Hz~30Hz

超低頻(SLF):30Hz~300Hz

ULF:300Hz至3kHz

VLF:3kHz~30kHz

LF:30kHz~300kHz

聽還是讀?

在這些低頻頻段,揚聲器或耳機聽不到訊號,或者相反,聲音可以發出,但不是主要活動,通常在其他頻率上的情況也是如此。相反,各種發射可以透過解碼和對頻譜圖進行適當解釋來「收聽」(圖1)。使用軟體或硬體分析頻譜非常有用,並且是分析和記錄這一頻段訊號的主要手段,從時域記錄可以看出,X軸表示經過的秒數,Y軸表示所記錄訊號的頻率,圖中不同的顏色或強度(Z軸)說明了其功率大小。

圖1 0~24kHz頻段的典型單色頻譜圖。

如今,接收低頻無線電訊號非常容易,並且不必擁有昂貴的接收器。配備一台裝了音效卡和軟體的個人電腦就足以對觀察到的頻段進行分析。在這些頻率的頻譜圖中,可以觀察到各種自然訊號和人為訊號,後者總是以編碼和數位形式存在,因此它們的解釋通常很複雜。0~22kHz頻段至今還是一個神秘而探索不足的領域,其中存在著各種由地球產生的內外部自然訊號,以及各種人類電台所傳輸的脈衝。不幸的是,頻譜圖中存在市電頻率(50Hz~60Hz),由此產生的干擾和雜訊,通常會造成一個需要克服的小障礙,正是如此,這類研究傾向於在遠離人居中心、電氣干擾強度較小的空曠鄉村進行。在獲得一些經驗後,就可以創建一個豐富的WAV格式的接收訊號資料庫,還可以標記進行錄製的日期和無線電頻率,例如,可以將音訊資料儲存在CD-ROM或DVD上而進行長期存檔。

最小的電台

如上所述,建立自己的VLF頻段收聽台非常簡單。如圖2所示,所需的環境及要使用的主要元件如下:

  • 沒有電氣干擾的地方
  • 天線
  • 前置放大器
  • 音效卡
  • 個人電腦
  • 軟體

圖2 任何人都可以做的典型的低成本收聽台。

請注意,大部分工作是由軟體完成。有些程式(甚至是免費軟體版本)的品質也很高,它們也可以執行放大器和濾波器的功能。對於初始測試,可以省略前置放大器和濾波器。

天線

天線是任何無線電台、發射機或接收機中的主要元件。從理論上講,考慮到所用的低頻,以及相關的巨大波長,需要一個巨大的天線,甚至達數百公里。對於天線,根據要執行工作的難度、要獲得的結果,以及房屋中可用的空間,至少可以採用三種解決方案(圖3):

  • 隨機線天線(random wire antenna)
  • 環形天線
  • 鐵氧體天線
  • 地球偶極子(聽地球內部的聲音)

圖3 不同類型的天線。

天線可以透過多種方式建構。電線必須使用塑膠套絕緣,也可以使用漆包線。隨機線天線是一種由懸掛在地面上方的電纜所組成的天線,其長度與所需的波長無關,而是根據可用空間進行調整,由於其電氣特性,這種類型的天線會收集很多雜訊。環形天線由一個或多個線圈組成,在受影響的頻段內非常「安靜」,它必須構成一個諧振電路,因此需要一個可變電容與之並聯。在本例中,其匝數必須非常高,匝數、導線直徑和線圈面積決定了其電感和電阻。與隨機線天線不同,環形或框形天線不需要接地。對於鐵氧體天線,必須將大量漆包線纏繞在鐵氧體磁芯周圍,天線的尺寸必須夠大,有些人使用了14公里的漆包線。最後,地球偶極子用於收聽直接來自我們星球的電訊號,它由兩個打入到地下的木樁組成並從中心饋電,電線的長度約為數百公尺。

現在提出有關靜電放電(ESD)和高壓的一些建議。如果用長導線(例如,長於100~200公尺)製作天線,則存在危險靜電的可能性會增加,建議使用Pi-Greco天線調諧器降低阻抗,電線必須直接或間接連接到電腦音效卡的麥克風插孔。如果靜電程度很高,這種連接可能會對音效卡晶片造成風險。實際上,除了阻抗外,對於那根導線,還有必要考慮靜態電壓,危險不僅意味著附近或天線遭到雷擊,而且也顯示較弱的靜電場強度,而乾燥的空氣則對此有利。靜電電壓會儲存在天線上,而與地面一起形成一個「電容」。因此,建議建置一個可以將這些電場釋放到大地的系統,這些方法之一是透過高阻值電阻(例如大約5~10MΩ)將天線接地(圖4),或者也可以將兩個二極體反並聯連接到線路輸入上。

圖4 隨機天線及其近似阻抗示例。

前置放大器

放大天線訊號通常很有用,尤其是在露天地區進行「收聽」測試時。那裡的訊號確實很「安靜」,即實際上收到的是有效消息,而沒有企業或家庭干擾需要降低。適用於VLF天線的音訊易於建構,大約+15dB的增益有助於讓訊號以稍強的方式從天線發出,由於天線阻抗很高,因此建議使用FET前置放大器。如果使用BJT的話,鑒於其輸入阻抗僅有大約1,000~4,000Ω,則會使訊號大大降低。另一方面,FET的輸入阻抗為8~10MΩ,內部雜訊幾乎為零,基本但功能齊全可良好工作的接線圖如圖5所示,它是由FET 2N3819 (J1)製成,可以在任何電子產品商店中輕鬆購買到。R1和R2電阻用於使電晶體極化,從而使汲極電壓可以自由振盪而沒有任何失真;22kΩ R5微調器用於確定電路的放大倍數,該倍數可在1.5倍至4.5倍之間。

圖5 天線前置放大器的接線圖。

放大器的電路工作在低頻,即音訊部分,建構起來並不困難,可以輕鬆完成。圖6中的曲線圖顯示了最大放大倍數下的輸入與輸出訊號及其頻率回應,輸出訊號的相位與輸入相反。放大器的功耗非常低,所需電流僅約為2.7mA,因此在使用9V電池的情況下,可以獨立工作約100個小時。

圖6 放大器的輸入訊號(黃色跡線)與輸出訊號(綠色跡線)及其頻率回應。

音效卡

音效卡裝置用於在0~22kHz的頻段範圍替代無線電接收機。24kHz的限制取決於個人電腦音效卡的頻寬和取樣速率,如果該音效卡可實現高達192,000Sa/s的取樣速率,則可以觀察到高達96kHz的訊號。使用它時,必須仔細確定其放大倍數,而避免可能的互調。本文使用Tascam 2 × 2 USB外部音效卡(圖7)進行實驗,採樣頻率為96kHz。其前面板上有個開關,以供選擇兩種不同的輸入阻抗:10kΩ和1MΩ。

圖7 Tascam 2 × 2外部音效卡。

個人電腦

個人電腦方面沒有什麼特別建議,可以使用台式個人電腦或筆記型電腦。電池電源有助於將系統與50Hz或60Hz交流電源隔離,本文建議安裝一個非常大的硬碟,以便裝下將要錄製的許多WAV記錄。

軟體

軟體的任務是錄製訊號,而在顯示器上呈現出來並在硬碟上產生錄音檔。此收聽活動有許多專用的程式,但用於本文的程式(圖8)如下:

  • HDSDR
  • WASP
  • SoX

圖8 HDSDR、WASP和SoX軟體。

簡而言之,HDSDR是一款針對Microsoft Windows的免費軟體(SDR)程式,其典型應用是無線電收聽、SWL、無線電天文學(radio astronomy)和頻譜分析。WASP是一款用於記錄、查看和分析音軌的免費程式,也可以使用它查看頻譜圖;SoX則可以讀寫最常見的音訊檔,並可以在此過程中加入一些聲音效果。所有功能只能透過SoX命令使用,它是一款非常強大的命令列音訊處理工具,特別適合於快速、輕鬆地進行編輯,以及進行批次處理,它還允許以非常高的解析度查看頻譜圖。

現在,我們來聽聽…

在該頻段中,許多訊號都是由位於無線電台附近的電子設備所發射,因此接收到由電視、收音機、燈、繼電器、馬達、洗衣機、電梯等引起的干擾是正常的。在探測軟體中正確配置好音訊輸入後,就可以立即觀察到最初的訊號。必須非常注意正確選擇左右音訊通道(圖9),實際上,所使用的電纜通常是單聲道的,只有一條軌道處於活動狀態。

圖9 要執行的第一個操作是選擇音訊訊號通道。

許多訊號仍將保持神秘,而其他訊號則也可能在網際網路的協助下發現。例如,圖10顯示了建築物電梯所產生的電訊號,其在8kHz頻段上很容易被辨識,頻譜圖顯示有五次電梯活動:

  • 第一次持續15.4s
  • 第二次持續15.4s
  • 第三次持續19.5s
  • 第四次持續7s
  • 第五次持續11s

圖10 頻率為8kHz的電梯訊號的頻譜圖。

可以在整個頻譜上進行其他觀察。當然,許多訊號都是人為產生,例如霓虹燈、電視、無線電遙控器、開關、開關電源和電燈,如圖11所示。

圖11 頻譜圖中記錄的一些電訊號。

地球和大氣層也會發出聲音,幸運的是,可以看到一些有趣的現象:

  • 天電干擾(sferics)
  • 大氣干擾(tweeks)
  • 靜電干擾(static)
  • 哨聲(whistlers)
  • 其他…等

地震前兆

還可以對地震前兆進行有趣的實驗。雖然仍然沒有確定的科學資料,但是在這種情況下,最好開發一個「地球偶極子」,這對監測土壤表面電流很有用。目前,一些研究指出,可以在幾小時前預測到強烈地震,但接收站必須距震央不到100公里。此外,聽音和錄音不能在城市的家中進行,而必須在鄉村進行,感測器要直接接地。

總結

在VLF頻段觀察頻譜圖無疑是項非常有趣且神秘的活動,至少在活動的最初幾天,即使在晚上,也都會讓你沉浸在個人電腦上,且經驗可以提高我們辨識各種電訊號和自然訊號的敏感性。這個極低的頻段中有許多訊號在傳播,這也說明了地面波如何能夠長距離傳輸資訊。收聽和觀察訊號的活動應旨在研究和發現訊號所產生的來源,如果有雷雨和閃電(圖12),請務必記住將天線與音效卡間的連接斷開。

圖12 雷雨和閃電。

(參考原文:Reception of Radio Waves Below 22 kHz,by Giovanni Di Maria)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年12月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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