KEEN SIDE успешно заменяет аналогичные продукты таких известных брендов, как Phoenix Contact, Weidmueller, Degson, Winstar, Hsuan Mao, KLS, G-NOR, Mean Well и др.
РадиоЛоцман - Все об электронике

Любительская радиосвязь в 21 веке

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2011

Doug Grant • K1DG

EDN

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Современная любительская радиосвязь значительно отличается от той, что была много лет назад, но все также дает нам замечательную возможность изучения электроники. Вот взгляд на то, как она развивалась, и что она может предложить, как опытным радиолюбителям, так и новичкам.

Многие из нынешних опытных инженеров начинали свое знакомство с электроникой через любительское радио (на Западе его также называют «ham radio», но никто точно не знает, откуда взялся термин «ham»). Однако с годами работа, семья и друзья брали верх, сроки лицензий истекали, а интерес к радиохобби у большинства пропадал. Между тем, с возрастанием роли средств личных коммуникаций и Интернета, многие молодые инженеры никогда не испытывали потребности в любительском радио как способе изучения электроники. Они упустили возможность, которую дает это увлекательное хобби.

Все первые беспроводные средства коммуникаций по определению были любительскими. Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi), известный как изобретатель радио, однажды заметил, что считает себя любителем (Рисунок 1). На заре становления радио коммерческие, правительственные и радиолюбительские станции делили между собой один и тот же спектр частот, посылая широкополосные передачи, модулируемые замыканием и размыканием контактов в соответствии с азбукой Морзе. Такое положение дел привело к ужасающему количеству конфликтов между различными службами, пока правительство не вмешалось в ситуацию и выделило каждой службе по отдельной полосе. Правительственным и коммерческим радиостанциям предоставили наиболее подходящий, как тогда считалось, длинно- и средневолновый диапазон до 1500 кГц, радиолюбителям же достался диапазон с частотами выше 1500 кГц и длиной волны менее 200 м. Эксперты того времени оценили этот диапазон как непригодный для общения на больших расстояниях.

Гульельмо Маркони
Рисунок 1. Гульельмо Маркони.

Но вскоре радиолюбители обнаружили, что передача сообщений на дальние дистанции осуществлялась проще именно на «непригодных» частотах. За этим последовали новые перераспределения частот с целью выделения правительственным и коммерческим радиостанциям части «хорошего» спектра. Но все же, несколько кусочков этого спектра остались за радиолюбителями. В конце 1960-х радиолюбители заявили свои права на очевидно бесполезные частоты выше 30 ГГц. Но технология шла вперед, и со временем многие службы обнаружили, что эти частоты им нужны, а радиолюбители сегодня могут наслаждаться эксклюзивными правами на частоты свыше 300 ГГц.

В Соединенных Штатах сфера любительского радио регулируется частью 97 статьи 47 Свода федеральных нормативных актов [1]. Статья выражает основную цель любительского радио следующими принципами: признание и повышение значения для общества любительской радиосвязи, как добровольного, некоммерческого средства коммуникаций, особенно в отношении обеспечения связи в экстренных ситуациях; поощрение и расширение возможностей радиолюбителей в продвижении радио-искусства; поддержка и развитие радиолюбительства посредством правил, предусматривающих совершенствование навыков, как в сфере организации связи, так и в технической сфере; расширение резерва сферы радиолюбительских услуг за счет обученных операторов, технического персонала и экспертов в области электроники; поощрение и расширение уникального вклада радиолюбителей в развитие взаимопонимания между народами.

Выдача лицензий

Часть 97 требует, чтобы радиолюбительская станция получила лицензию до начала работы. Процедура получения такой лицензии совершенствовалась в течение многих лет. Когда-то претендент должен был сдать сложный технический экзамен, включавший даже воспроизведение электрических схем по памяти. С тех пор сущность экзамена значительно изменилась. Теперь он проводится в виде тестирования и охватывает технические, эксплуатационные и нормативно-правовые аспекты радиосвязи. Все вопросы и ответы, как правильные, так и неправильные, находятся в открытом доступе. Кроме того, правительства многих стран, и в первую очередь США, успешно перепоручили работу по подготовке и проведению тестирования сторонним организациям.

Тестирование соискателей в Соединенных штатах теперь проводится волонтерами. Координаторы экзаменаторов-добровольцев составляют удобные графики проведения экзаменационных сессий (Рисунок 2). После успешной сдачи кандидатом такого экзамена, координаторы направляют необходимые данные в Федеральную комиссию по связи, которая выпускает лицензии с позывными, чтобы идентифицировать каждого лицензиата и его или ее местоположение, используя префикс и суффикс. Сегодня в США используются три класса лицензий, и каждый класс дает определенные привилегии, включая разрешенные полосы, режимы и уровни мощности. Успешная сдача более сложного экзамена позволяет кандидату иметь больше привилегий.

Группа будущих радиолюбителей сдает экзамен на получение лицензии
Рисунок 2. Группа будущих радиолюбителей сдает экзамен на получение лицензии.

Для получения лицензии любого класса в США больше не требуется знания азбуки Морзе. Исторически это требование было главным препятствием для многих технически квалифицированных людей, которые интересовались любительской радиосвязью, но не могли или не хотели изучать азбуку Морзе. По иронии судьбы, часть полос, зарезервированная для работы в режиме CW (continuous wave – здесь: телеграфный режим) теперь занята больше, чем когда-либо, поскольку новые обладатели лицензий обнаружили, что для работы со слабыми сигналами более эффективны узкополосные режимы, нежели широкополосные, такие как, например, SSB (single-sideband – однополосная модуляция) голосовая связь.

Многие радиолюбители устанавливают контакты друг с другом посредством речевых режимов, главным образом SSB на ВЧ, и ЧМ на УКВ и ДМВ. Возможности цифровой обработки сигналов с помощью оборудованного звуковой картой компьютера, подключенного к ВЧ SSB или УКВ ЧМ приемопередатчику, привели к появлению новых режимов. Даже слабый компьютер имеет достаточную скорость, чтобы генерировать и декодировать FSK сигналы (частотно-манипулированные сигналы) для организации стандартного радио-телетайпа. Экспериментаторы разработали схемы модуляции и соответствующие протоколы с коррекцией ошибок, позволяющие поддерживать прямую связь типа keyboard-to-keyboard (клавиатура-клавиатура), даже при низких мощностях и небольших антеннах. Так, разнообразные FSK и PSK (фазо-манипулированные) сигналы, создающие в динамике неестественный шум и скрежет, компьютер с легкостью демодулирует и превращает в удобочитаемый текст. Некоторые продвинутые радиолюбители даже используют возможность обработки сигналов с помощью ПК для эмуляции применявшихся в годы Второй мировой войны механических систем кодирования текста, подобных Hellschreiber.

Есть, также, радиолюбители, передающие полноценное видео, обычно в обладающих достаточной пропускной способностью диапазонах УКВ или ДМВ. А некоторые, используя компьютер, передают на КВ фотоснимки в полосе речевого сигнала. Получили свое развитие и сети передачи данных, основанные на разных принципах, включая TCP/IP.

Оборудование 21 века

Имеющие лицензии любители могут работать в НЧ, СЧ, ВЧ, УКВ, ДМВ и микроволновом диапазонах, во многих из которых, при наличии хорошей антенны, любительское оборудование позволяет связаться с любой точкой планеты.

Большинство радиолюбителей покупает свое оборудование в магазинах. Много лет назад самыми известными брендами были, преимущественно, американские компании, такие как EF Johnson и Heathkit, а также, прекратившие свое существование, Collins, Hallicrafters и Hammarlund. На сегодняшний день наиболее популярны, в основном, японские компании, в том числе Icom, Kenwood, Yaesu и Alinco (Рисунок 3). В прошлом десятилетии на рынок вышли несколько американских изготовителей, среди которых компании Elecraft и FlexRadio (Рисунок 4). Начинают появляться и первые китайские приемопередатчики от таких производителей, как, например, Wouxun.

Высокочастотный приемопередатчик FTDX-5000
Рисунок 3. По совокупности характеристик высокочастотный приемопередатчик FTDX-5000 компании Yaesu сегодня не имеет себе равных.

Высокочастотный приемопередатчик Elecraft K3
Рисунок 4. В высокочастотном приемопередатчике Elecraft K3 сочетаются отличные параметры и малые размеры.

Применяемые в радиолюбительском оборудовании технологии получили значительное развитие. В большинстве высококачественных ВЧ/УКВ приемопередатчиков теперь используется цифровая обработка сигналов, как минимум, для функций модуляции, демодуляции и фильтрации. Наилучшие характеристики достигаются при оптимальном соотношении аналоговой и цифровой обработки, что позволяет современной радиоаппаратуре иметь превосходную чувствительность, динамический диапазон до 100 дБ и более, и селективность, обеспечиваемую цифровой обработкой сигналов. Хотя большинство радиосистем все еще имеет переднюю панель традиционного вида, с большой ручкой настройки и множеством кнопок и переключателей, некоторые новые SDR трансиверы (SDR – software-defined radios – программно определяемое радио), например, выпускаемые компанией FlexRadio, отходят от этой традиции в пользу работы с клавиатурой и мышью – на передней панели у них нет никаких органов управления (Рисунок 5).

Flex-5000A компании FlexRadio Systems
Рисунок 5. Flex-5000A компании FlexRadio Systems вообще не имеет передней панели управления.

В результате постоянного совершенствования, портативные УКВ ЧМ приемопередатчики приобрели многополосность, встроенный GPS, дисплей спектранализатора для отображения сигналов соседних частот, и даже Bluetooth. Ни один из них еще не достиг уровня сложности смартфонов, но не далеко время появления радиоаппаратуры с сенсорным экраном и возможностью интернет-соединения. Говоря о смартфонах, следует заметить, что для них доступны сотни радиолюбительских приложений, от курсов подготовки к экзаменам на получение лицензии до программ спутникового слежения для управления удаленными станциями.

Однако не все радиолюбители покупают свое оборудование в магазинах. Некоторые из них предпочитают создавать его собственными руками. Радиолюбители всегда славились как умельцы, способные собрать свое оборудование из деталей от выброшенного на ближайшую свалку электронного ширпотреба. Многим из них хорошо известна суть таких понятий, как, к примеру, интермодуляционные искажения или фазовый шум, поскольку имели возможность собственными ушами слышать проявления этих эффектов, и они прекрасно понимают, что происходит, когда линейный усилитель мощности входит в режим жесткой компрессии.

Самодельные радиостанции могут представлять собой как простейшие приемопередатчики, так и вполне современные SDR-системы. Что касается простейших конструкций, известен один изобретательный радиолюбитель, разобравший компактную флуоресцентную лампу и обнаруживший в ней высокочастотный высоковольтный импульсный транзистор и богатый ассортимент конденсаторов и индуктивностей. Добавив кварцевый резонатор на 3.579 МГц от телевизионного формирователя сигналов цветовой синхронизации, он ухитрился собрать из этих деталей 1.5-ваттный передатчик, удобно расположившийся в самой середине радиолюбительского диапазона 80 м [2].

Простые приемники просты и в сборке. Радиолюбитель Чарльз Китчин (Charles Kitchin) разработал серию сверхгенеративных приемников, которые легко сделать самому, и которые на удивление хорошо работают [3].

В авангарде создания современного радиооборудования стоит Организация по разработке высококачественной SDR аппаратуры (High-Performance Software-Defined Radio Organization). Объединенными усилиями этой группы разработана серия модулей, в которых используются новейшие компоненты, включая высокочастотные усилители, смесители, АЦП и ЦАП, процессоры и память. Например, в модуле приемника Mercury, способном производить прямую дискретизацию сигнала в полосе частот от 0 до 65 МГц, используется 16-разрадный АЦП со скоростью выборки 130 Мвыб/с и ПЛИС для реализации понижающего смесителя (Рисунок 6). Программное обеспечение с открытым исходным кодом выполняет всю обработку сигналов и функции управления. Кроме того, аппаратная часть поддерживает программы сторонних разработчиков.

Модуль приемника Mercury
Рисунок 6. Модуль приемника Mercury, предназначенный для прямой дискретизации радиосигнала в полосе частот от 0 до 65 МГц.

Инженер, заинтересованный в разработке собственного SDR-радио, может собрать или купить внешний понижающий квадратурный преобразователь, подключить его к входу звуковой карты своего компьютера и купить, или написать самостоятельно соответствующее программное обеспечение для реализации функций приема и демодуляции. Все работа с аппаратной частью завершается подключением выходов синфазного и квадратурного каналов к левому и правому каналам аудио входа. Некоторые радиолюбители создали SDR модули в габарите флеш-карты и питают их от разъемов USB.

Тем, кто более склонен к классическому дизайну аналогового радио, возможно, будет интересен проект OpenQRP. «QRP» – радиолюбительская аббревиатура для обозначения маломощного передатчика (Рисунок 7). Создатель группы, Стив Эллиот (Steve Elliott), позывной K1EL, разработал набор аппаратных и программных средств с открытым исходным кодом для CW-передатчика низкой мощности. Для организации интерфейса пользователя и различных функций управления он использует микроконтроллер Atmel на популярной платформе Arduino. Кроме того, Эллиот предлагает печатные платы и полный набор компонентов. В ходе работы над проектом Эллиот документировал все свои пробы и ошибки, и теперь его блог является отличным учебным пособием по проектированию радиоаппаратуры [4].

Дешевый маломощный CW-приемопередатчик
Рисунок 7. Этот дешевый маломощный CW-приемопередатчик сочетает в себе классическое аналоговое радио и программируемый интерфейс управления.

Любительская радиосвязь на современном этапе

Некоторые стороны радио-хобби могут произвести впечатление на ваших технически грамотных друзей, а может, и на друзей, мало разбирающихся в технике. Когда вы представляетесь людям в качестве радиолюбителя, они часто спрашивают: «На каком максимальном расстоянии ты можешь установить связь?». Ответить на такой вопрос непросто, но вы можете сделать акцент на аспектах, более всего восхищающих слушателей. Неспециалистам автор данной статьи любит отвечать следующим образом. Многие годы самым дальним контактом, который ему удалось установить из своего дома в Новой Англии, был Техас1), с которым он связался по длинному пути. Однажды утром, лет 20 назад, работая на волне 15 м, в диапазоне 21 МГц, автор нацелил направленный луч своей антенны на Европу. Друг из Техаса, связавшись, сообщил, что может слышать его, но лишь тогда, когда направит антенну в сторону Тихого океана. Они провели ряд экспериментов и пришли к заключению, что действительно переговаривались по длинному пути. Распространение радиоволн КВ диапазона характеризуется интересным поведением, зависящим от времени суток и сезона, и контакты по длинному пути относительно нередки.

Радиолюбители экспериментируют также и с другими интересными и необычными режимами распространения сигналов, в частности, в микроволновом диапазоне. В 2010 году группа французских и швейцарских радиолюбителей использовала приповерхностный волновод, образуемый испарениями с поверхности океана на высоте 10-20 м, в котором затухание радиоволн значительно меньше, чем в другой среде. С помощью такого канала радиолюбители установили двухстороннюю голосовую SSB связь между Кабо-Верде и Португалией на частотах 5.7 и 10 ГГц (расстояние 2700 км). Мощность передатчиков составляла от 15 до 25 Вт, а антенны представляли собой небольшие тарелки диаметром порядка 1 метра.

Несколько лет назад Джо Тэйлор (позывной K1JT), получивший Нобелевскую премию по астрофизике, разработал WSJT (weaksignal Joe Taylor – слабосигнальный Джо Тэйлорский) набор протоколов и схем модуляции для различных видов УКВ/ДМВ связи (Рисунок 8). В нормальных условиях дальность распространения УКВ и ДМВ сигналов, в зависимости от ландшафта, усиления антенны и мощности, составляет от десятков до сотен миль. WSJT меняет такое положение вещей.

Разработчик WSJT Джо Тэйлор
Рисунок 8. Разработчик WSJT, лауреат Нобелевской премии по астрофизике Джо Тэйлор.

Одна из версий протокола предназначена для метеорной связи, продолжительность сеансов которой определяется временем жизни ионизированных следов метеоритов, и составляет доли секунды. Она передает 30 секундную последовательность четырехтоновых FSK сигналов со скоростью, соответствующей передаче примерно 100 слов в минуту, или 441 бод, чтобы за короткий жизненный цикл метеорного следа получить достаточное количество бит для обмена позывными и отчетами. Станции попеременно передают и принимают информацию, обмениваясь определенными деталями для проверки правильности обнаружения и декодирования сигналов на обеих сторонах. Хотя вооруженные силы США следы сгорающих в атмосфере метеоритов использовали на протяжении многих лет, для надежной работы им требовались огромные антенны и высокие мощности. Система Тэйлора сделала метеорную связь доступной обладателям относительно небольших станций.

Другой режим WSJT предназначен для связи Земля-Луна-Земля (Earth-Moon-Earth, EMS), называемой также «moon-bounce», что можно перевести как «лунный отскок». Луна здесь используется как пассивный, и не очень эффективный отражатель. Сигналы частотой 144 МГц, «отскочившие» от Луны, с задержкой порядка 2.5 секунд возвращаются на Землю ослабленными примерно на 250 дБ (Рисунок 9).

Разработчик WSJT Джо Тэйлор
Рисунок 9. Для двухстороннего обмена с использованием отражения от Луны разработано открытое ПО WSJT.

EMS доступна радиолюбителям уже не одно десятилетие, но лишь те, у кого имеются мощные передатчики, очень чувствительные приемники и огромные антенны, могут использовать «лунный отскок» в традиционных голосовых режимах CW или SSB. Например, при излучаемой мощности 1000 Вт, или 60 дБм, и усилении антенны 20 дБи, как для передатчика, так и для приемника, принятый сигнал будет составлять −150 дБм. Высококачественный приемник может обнаружить этот слабый сигнал в узкой полосе частот. Для экспериментов с «лунным отскоком» радиолюбители когда-то использовали расположенную в Арекибо (Пуэрто-Рико) известную 1000-футовую параболическую антенну радиотелескопа. В радиолюбительской полосе 432 МГц парабола имела усиление примерно 60 дБ и позволяла организовать двухстороннюю связь с обычными станциями как в SSB, так и в CW режиме.

Разработанная Тейлором в рамках WSJT система «лунного отскока» использует примерно одноминутную последовательность 65-тоновой FSK-модуляции с большим количеством кодов коррекции ошибок. К счастью, кодирование и декодирование легко выполняется на современных персональных компьютерах, способных в полосе частот 2.4 кГц декодировать сигналы с уровнями на 24-28 дБ ниже уровня шумов. Станции с простыми 100-ваттными передатчиками и антеннами не больше обычных телевизионных теперь могут устанавливать друг с другом связь на расстоянии многих тысяч миль, пока луна находится в зоне прямой «видимости».

Радиолюбители использовали для связи не только Луну, но и искусственные спутники Земли. За многие годы они разработали, собрали и запустили свыше 100 спутников, на которых обычно размещались один или несколько радиомаяков, телеметрическая аппаратура для контроля оборудования и, по совместительству, для обучения студентов, а также транспондеры, использующие одну радиолюбительскую полосу для передачи сигналов и другую – для приема. Спутник ARISSat-1 был запущен двумя космонавтами во время выхода в открытый космос (Рисунок 10). Радиолюбительские лицензии имели многие космонавты и астронавты. Программа ARISS Американской ассоциации радиолюбителей (ARRL) зачастую использовалась для показательных радиоконтактов астронавтов, находящихся на борту МКС, с группами школьников. За свою практически столетнюю историю ARRL опубликовала огромное количество книг, тематически связанных с радиохобби, включая учебники и руководства.

Спутник ARISSat-1 был запущен двумя космонавтами во время выхода в открытый космос
Рисунок 10. Спутник ARISSat-1 был запущен двумя космонавтами во время выхода в открытый космос.

Любительское радио может добавить новое измерение к хобби, которым Вы увлечены. Некоторые радиолюбители совмещают ориентирование на местности с радиопеленгацией при «охоте на лис». Организаторы таких соревнований прячут несколько маленьких передатчиков в определенных местах на территории в несколько квадратных миль, а участники должны использовать переносное радио и направленную антенну для того, чтобы засечь каждую «лису». Комбинация технических навыков и физической подготовки участников делает такое соревнование видом спорта. Другой вид активного времяпрепровождения сочетает в себе альпинизм и радиохобби. Альпинисты несут на своих плечах легкое радиооборудование с аккумуляторным питанием и переносные антенны для того, чтобы воспользоваться преимуществом отличного распространения сигналов с высокогорья. Кроме того, многие моряки получают любительские лицензии и устанавливают оборудование на своих судах, как для использования в свободное от работы время, так и для экстренных вызовов в случае, если основные системы радиосвязи выйдет из строя.

Сообщества наиболее активных радиолюбителей на местах координируют свою деятельность с местными и региональными службами общественной безопасности в целях обеспечения связи в экстренных ситуациях. В то время как большинство проводных и беспроводных средств коммуникаций опираются на инфраструктуру, которая может быть разрушена в результате природных или антропогенных катастроф, радиолюбителю для выхода в эфир требуются лишь радио, батарея и кусок провода.

Ссылки

  1. Часть 97 статьи 47, Федеральная коммиссия связи, 7 сентября 2006 г., с 587 http://1.usa.gov/oDDViH .
  2. “Das DereLicht,” http://bit.ly/qkZM0Y.
  3. Кичин Чарльз, “Проект коротковолнового регенеративного приемника”, http://bit.ly/qm9UHu.
  4. OpenQRP, http://openqrp.org.

1) Новая Англия – территория, объединяющая несколько небольших штатов на северо-востоке США. Расстояние до штата Техас – порядка 3000 км.

Перевод: Mikhail R по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: HAM radio in the 21st century

Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя