无线电是发射和接收波长比红外光长的电磁辐射. 如果这个定义不合理，你可以原谅, 虽然, 直到几年前, it wouldn’t have to me either. 无线电技术为我们周围几乎所有的无线连接提供动力:蓝牙, 无线网络, 3G, 4G, 还有你的微波炉——所有这些都是根据无线电原理运作的. 这项技术已经有一百多年的历史了，但我意识到我对它知之甚少.

所以，我决定开始学习，并联系了我的国家业余无线电协会 Pakistan Amateur Radio Society (PARS), 国际业余无线电联盟成员, 国际电信联盟(ITU)的业余无线电代表, 该联合国机构的工作是协调全球电信运营和服务. PARS在全国范围内运营着一些广播中继器，其中一个在拉合尔，我住的地方.

而自从古列尔莫·马可尼于1895年首次进行实验以来，无线电基本上一直在使用相同的技术, 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、更远的信息. 现在, 只要有一台笔记本电脑和价值不到30美元的设备，就有可能接收到大范围的无线电频率, and we’ll be doing just that.

In 这 software-defined radio tutorial, 我将设置一个软件定义无线电设备(SDR)和天线, 并通过拉合尔中继器收听两名持牌业余无线电操作员之间的对话. 然后，我将使用相同的设备接收来自国际空间站的图像, a spacecraft orbiting the Earth, and use it to claim the ARISS SSTV Award, 展示了用便宜的设备浏览无线电频谱并被识别是多么容易. Through the hardware used in 这 article, 你只能接收无线电传输，不能发送你自己的, 但这是好的，因为你需要一个业余无线电执照之前，这样做, 不管怎样.

谨慎! 使用无线电设备进行非法活动是非常容易的, 这就是为什么这篇文章会不断地提醒你并引用法律. 作者在巴基斯坦合法居住并进行了这些实验. 虽然巴基斯坦的联邦无线电法严格限制，但你的管辖范围可能更严格. In 2019, a 单位ed Nations expert was 在突尼斯被捕 因为他拥有和我们将要使用的一样的软件无线电设备. 在进行无线电实验时，确保遵守当地法律是你的责任. 但请注意:我不是律师，这并不构成法律建议. 你必须咨询你自己的律师来澄清.

如果你住在巴基斯坦， 在获得无线电接收机之前，您必须获得PARS短波监听(SWL)会员资格. Pakistan’s Wireless Telegraphy Act, 1933 prohibits possession of wireless telegraphy apparatus; 然而, SWL members are allowed to possess receivers. 如果你想成为会员，请联系我，给我一封PARS推荐信.

偶极子天线与SDR接收机的建立

“What even is a ‘software-defined’ radio?“我听到你这么问了!

软件定义的无线电, 无线电设备的大部分电子元件是否在软件中“模拟”. 在特别提款权崛起之前, 你需要一个专用的电路来处理来往于无线电的信号. 之类的东西 信号滤波, 频率混合, 无线电波探测、信号放大、调制/解调等都是用专用电路完成的. 然而, since computers have become faster, 我们可以在软件中执行这些功能, making these types of radios software-defined.

一个流行的(和便宜的)SDR接收机是数字视频广播(DVB-T)接收机与Realtek RTL2832U控制器和调谐器集成电路. 而他们最初的目的是接收视频, 它们现在被用来接收无线电信号, and have come to be known as RTL-SDR devices. 我会用 RTL-SDR receiver and dipole from RTL-SDR.com. 目前售价29美元.95, 船舶在世界范围内, 配有温度补偿振荡器(TCXO), 还有斜纹t恤, 哪些是最好的, 但是超出了本文讨论的范围. 它也有一个 adjustable dipole antenna kit，让您收听~70兆赫到~1030兆赫的信号.

ARISS国际F2F第2天:
欧空局的David Honess在今天的会议上提出了使用树莓派让孩子们参与国际空间站业余无线电项目的好方法, RTL-SDR, SSTV模式通信, 等. 通过与我们在蒙特利尔的F2F会议的在线联系. 图片.推特.com/Mp25cljrAH

- ARISS (@ARISS_status) 2019年6月27日

我正在使用的RTL-SDR偶极子套件也是由欧洲航天局的代表在6月份的业余太空无线电(ARISS)国际面对面会议上推荐的, 2019.

Setting up the antenna is easy. 将天线的长尖旋入中心, 用所提供的吸盘将其安装在窗户上, and open the dipole arms at exactly 49.65厘米(1英尺7.每个55英寸). 将提供的较长的电缆的母端连接到偶极子的公端, the male end of the longer cable to your SDR, 然后把天线垂直安装在尽可能高的室外. 最好在窗户上，使用所提供的吸盘安装座. Here’s a 图片ture of how it should look:

最后, 将长电缆悬挂的一端拧入SDR, 然后将SDR插入电脑的USB接口. 此时此刻, you can go with any number of SDR applications, 但既然我用的是MacOS, 选择有限的地方, 我将使用 CubicSDR.

酿造桶安装隔间

打开CubicSDR后，您将看到一个对话框来选择您的SDR及其设置. 选择 通用RTL2832U OEM 就像我在图片中选择的那样，把采样率改为2.048兆赫

当CubicSDR启动时，您可以立即开始浏览频谱. 我建议从熟悉的调频广播开始. 这是我在拉合尔浏览当地广播电台的视频.

接下来, 我们在拉合尔号上收听两位业余无线电操作员的广播, 中继器, 但在我们开始之前, let’s discuss what amateur radio even is.

什么是业余无线电?

“Okay, but what is ‘amateur’ radio?“我听到你这么问了 这 time!

业余无线电是指持牌运营商使用无线电频谱进行非商业活动. 这些可能包括交流、训练、实验、竞赛等等. 每个司法管辖区也可能有自己的法律定义. 业余无线电操作员仅限于使用业余业务专用的频率.

“业余业务”是指以自我训练为目的的无线电通信业务, 由业余人员进行的通讯和技术调查, 这是, 根据本规例获正式授权的人士，仅为个人目的而对无线电技术感兴趣，并无金钱利益; -《欧博体育app下载》，2004年，巴基斯坦

解决了这个问题，让我们看看我们当地的业余无线电频率是多少. 它们和巴基斯坦频率分配委员会发布的所有定义一起发布, 在一个叫做 the Pakistan Table of Frequency Allocations. 我保持着 一个要点 都是为了方便参考，但这里是甚高频(VHF)频段:

单位	频率范围	国际电联-第三区	巴基斯坦的分配
兆赫	144 – 146	业余 业余-SATELLITE 5.216	业余 业余-SATELLITE
兆赫	146 – 148	业余 固定 移动 5.217	业余 固定 移动

也就是说，这里有一个 important note on legalitiesRTL-SDR及其设置非常强大. 即使你只能进入巴基斯坦(或你当地)指定的业余范围的一小部分, 哪个通常是由1张成的,800 KHz到250 GHz, 频谱上还运行着其他服务. You should be aware of what services you can, 或者更重要的是听不到:在巴基斯坦, 就像英国一样, 你不能收听任何不是为你准备的，也不是向公众开放的广播, 根据《欧博体育app下载》，这样做在巴基斯坦可能会被处以罚款或监禁, 1996, and the Prevention of Electronic Crime Act, 2016. 无论如何, 查阅当地法律完全是你的责任. 在美国，你能听什么广播取决于你所在的地方司法管辖区.

在拉合尔中继器上收听业余无线电操作员

“你想让我问什么是中继器，是不是??你会问. 我很高兴你问了.

当无线电设备相互通信时，它们都有自己的范围限制. 想象一下爱丽丝和鲍勃想要互相交谈, 但是他们之间的距离远远超过了他们的无线电所能传输的距离. 现在，爱丽丝和鲍勃可以升级他们的收音机，但那将是昂贵的. 相反，他们可以把钱凑在一起，在他们之间安装一个中继器. 中继器可以是超级强大的，或者只是足够强大，它的传输到达他们两个.

A 中继器 is a device that, well, 重复 它听到什么. 它会模仿在一个频率上听到的声音，在另一个频率上重复. 中继器的目的是扩大其他无线电的范围. 它通常被放置在中心位置，很高的地方，使它能够清晰地看到它所覆盖的区域. 它也可以输出大量的能量，这样很远的地方的收音机也能听到它. 在上面的插图中, 我们可以直观地看到中继器如何帮助两个小型手持无线电在远距离上相互通信. 这正是拉合尔中继器的工作方式，只是功率更大.

拉合尔中继器工作频率为147.360 兆赫 *. Before you tune to that frequency, 将调制选择器设置为窄带频率调制(NBFM/NFM), we’ll learn more about how 这 works later. 在这个频率下，你每五分钟就会听到一系列的音调. I recorded one of these for you here:

What are these tones, exactly? A look at the waveform will give us a clue.

如果你还没听懂，这是摩尔斯电码. 因为这个波形是振幅和时间的表示, 短的哔哔声是点，长哔哔声是破折号. The audio, therefore, is signalling .-.. … .-. 可以解码成LHR，拉合尔的城市缩写. This tells you that the 中继器 is online, you’re tuned to the right frequency, 而你正在收听拉合尔广播.

当我等待的时候, 我问了我的朋友兼持证业余无线电操作员巴达尔·贾马尔, AP2BDR, the head of the PARS Lahore chapter, 在我转到拉合尔中继器的时候和我简短地聊了几句. 我已获得巴基斯坦电信管理局的特别授权，可以在AP2BDR等持牌运营商的监督下操作无线电. 这次谈话发生在一个特别糟糕的时间，当时频谱受到了严重污染, 所以有噪声. 也, 尽管我尽了最大努力与RTL-SDR保持距离, 我的传输似乎在某些地方超过了设备, but here is the conversation below. 我在PARS呼号的扩展下运作，为AP2ARS/ 11.

这就是如何在中继器上收听两个有执照的操作员之间的业余无线电对话. 由于RTL-SDR不发射，如果它们在没有中继器的情况下发射，过程将是相同的. 设置是这样的, 然而, 由于传输设备的传输频率与接收频率不同，这就涉及到更多的问题. 如果你像我一样，这给你留下了更多的问题而不是答案. 我将在下一节中解释这背后的科学原理.

从宇宙飞船接收图片:来自国际空间站的SSTV事件

国际空间站(ISS)是一颗环绕地球运行的大型人造卫星. 它是一个空间环境研究实验室，由五个不同的空间机构共同拥有:, 俄罗斯宇航局(俄罗斯), JAXA(日本), ESA(欧洲), 和CSA(加拿大)通过一系列复杂的协定和条约. 因为国际空间站是一艘宇宙飞船, 由船员操作, it is technically a spaceship, and since it orbits the earth, 它也是一颗卫星.

国际空间站在国际空间站业余无线电(ARISS)项目下运行一项业余卫星服务. 这项服务可以让你 联系国际空间站 在哪里可以和业余无线电宇航员交谈, 但ARISS偶尔会运行特殊的慢扫描电视(SSTV)活动，播放超过145帧的图像.8 兆赫 in narrow-band FM mode. 其中一个这样的事件发生在2019年8月1日至4日之间，被称为ARISS Garriott纪念SSTV活动. 该活动“庆祝宇航员的一生和成就”, 科学家和业余无线电先驱欧文·加里奥特举办了一场纪念SSTV活动，展示了加里奥特在太空任务期间使用业余无线电工作的图像.” He was the first ham to operate from space.

为了这次活动，我把偶极子和RTL-SDR放在屋顶上. The signal was incredibly weak, 虽然, 用我的RTL-SDR, 在一次异常强烈的传球中，我只能得到部分图像. 在接下来的比赛中，我使用了替代设备. 然而, PARS的其他成员在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. 监听信号的过程与前一个非常相似，除了一个额外的步骤:考虑多普勒效应.

名词: 多普勒效应

声音频率的增加(或减少, 光, 或者当源和观察者相互靠近(或远离)时产生的其他波. 这种效果会导致汽笛在经过时音调的突然变化, as well as the red shift seen by astronomers.
——谷歌

多普勒效应, 或多普勒频移, 当发射极靠近时，频率是否有明显的变化. Let’s think about an ambulance siren. 当它向我们靠近时, 它的音调很高, 但是当它经过我们的时候, 它做了一件奇怪的事情，声音突然改变，音调变低. 当我还是个孩子的时候，我总是觉得这很奇怪:为什么救护车司机要这样对我? 当我在室内时，他们怎么知道他们从我身边经过? 事实证明，这种情况发生在每个人身上，而且不仅仅是声音. 多普勒效应在所有的波中都很明显，包括无线电和光. Blueshift is when stars look blue to us, 更高的波频率, as they come towards the earth, and redshift is when they appear red, 较低的频率, 当他们离开时. 作为演示，我推荐这个优秀的 video.

多普勒频移在卫星的无线电通信中表现为卫星向你移动时音调的增加, and a sudden decrease as it moves away. 在SDR的瀑布上，它看起来是这样的:

为了弥补这种影响，我把收音机的音量调到略高于145度.8 兆赫 as the satellite arose, 当卫星到达顶点时，把它调低了, and changed it further down when it set. 记住，虽然我确实收到了部分音频，但我收到的是以下音频:

If you play 这 and run an SSTV decoder, like the Robo36 Android application, 设置为PD120模式, you should get the following image:

这是向欧文·加里奥特致敬的照片，他是第一个从太空出发的火腿. 一张我直接从宇宙飞船上收到的真实照片. 用这张照片，我申请了ARISS SSTV奖.

现在让我们来了解一下无线电技术是如何工作的.

揭秘无线电:魔术背后的科学

好吧，如果你和我一样，你想知道更多. 一个人对着麦克风说话是如何传播不可见的波的(波到底是什么?) that are 图片ked up (“图片ked up?)被另一端的另一个神奇的盒子，变成了声音? 这么多问题. 让我们开始. 如果一开始，这些概念中的一些没有意义，请耐心听我说完. 让我们讨论一下:

• 交流电以及它如何产生电磁波
• 电磁频谱和无线电频率
• 无线电收发器如何将声音编码成无线电波并将其解码

交流电及其如何产生电磁波

你可能知道直流电，比如当你将LED连接到12V电池时. 这种类型的电输出恒定电压，被称为直流电(DC)。. 如果我们要画出导线中的电流，我们会得到这样的结果:

你们可能很熟悉，电流通过导线会在导线周围形成一个恒定的磁场. 它看起来有点像这样:

You can watch 这 effected demonstrated in 这 YouTube视频.

DC does nothing for radio, 虽然. 我们用的是它更有趣也更致命的兄弟:交流电(AC). 交流电不同于直流电，因为交流电不是给负载一个恒定的电压, 它在给予和索取之间交替. 交流电是你插入家里的主电源就能得到的. 在巴基斯坦, 我们得到230伏的交流电，频率为50赫兹或50赫兹(现在不用担心赫兹), which is similar to the UK, 然而, 在北美, you get 120 volts at 60 Hz. 为简单起见，我们假设它的工作频率为1hz. 这是一个图表，我的电源看起来像:

现在, 交流电的有趣之处在于:由于电流的变化, 我们现在要在导线周围产生一个变化的磁场. 变化的磁场有一个特殊的性质，它们在它们穿过的导线中感应电流! This is called electromagnetic induction. 所有的无线电本质上都是电磁辐射和交流波的感应. 这是一个男人用偶极子天线点亮灯泡的视频, set to the same length as ours, and a signal in the 2 meter band:

2米波段是, 顺便说一下, 就是我们听到AP2BDR和AP2AUM的那个乐队, but what is 这 “band” that I speak of? 下次我们学习无线电频率的时候再来看.

无线电频率和电磁频谱

电磁辐射是指在空间中传播的带有电磁成分的波. 在上面的视频中, 你看到一个人用偶极天线发射电磁辐射, and then receiving it in one too. 这正是我们在实验中所做的，尽管功率更小. 无线电波是电磁能量，但它们并不是唯一可以被归类的东西. 其他一些例子包括光，电离辐射，如x射线和伽马射线. 所有这些之间的区别是电磁振荡的速率. 这是用频率和波长来测量的, 有时, 用于业余无线电范围, 表示为“米波段”.“让我们看看.

周期是指一个完整的振荡, 通常在图上从一个峰测量到另一个峰. 波的“频率”是它在一秒钟内经历的循环次数, 表示这个的单位是赫兹(Hz). 在上面的图表中，我们测量的频率为每秒1个周期，即1hz. 这意味着交流波在输出和接收电流之间振荡，每秒1次.

为了理解波长，让我们想象一下交流电在导线中的样子. 让我们想象一下，时间停止了，我们看到一个未知的交流电通过导线. 高峰是电线正极化的地方, 浅谷是电线负极化的地方.

目测一下导线，你能以米为单位测量一个周期的长度吗? 记住，一个周期是从一个峰到另一个峰. When you have the answer, read ahead.

你刚刚测量的是电线中信号的波长. 频率:信号的波长与其频率之间的关系

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

Where $f$ is the frequency of the wave in Hz, c是光速常数，以米/秒表示, $\lambda$ is the wavelength meters, and $VF$ is velocity factor.

The $VF$ is given by the equation:

$ VF = v/c $

其中v是信号通过材料传播的速度.

现在, 让我们假设信号将在c处通过所有材料, 使$v = c$, $VF = 1$, 我们可以把波长的方程化简成

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

你会在很多地方遇到这个简化方程, 但要明白，这只适用于真空中的新兴市场.

当我们让交流电流通过一个完美的天线时，它会非常有效地辐射电磁能量. 这是一个可视化图:

请注意，电磁辐射的振荡频率与施加在天线上的交流电流完全相同? 这就是为什么450赫兹的交流电馈送到天线会辐射出450赫兹的无线电信号.

在我们上面的实验中，我们听到了AP2BDR和AP2AUM在147的对话.360兆赫，也就是兆赫，或者14736万赫兹. The wavelength for that frequency is 2.03米(79).92英寸). 这就引出了我们的最后一个近似:米波段.

米波段只是波长的估计. 如果你告诉业余无线电操作员你使用2米波段, 他们会把它理解为波长大约为2米的频率.

电磁波谱是指频率的范围及其分类. 一般来说, there are 3 major categories: radio waves, 光, 电离辐射, 但这三个短语并不能表达光谱本身的深度.

根据国际电信联盟, 无线电波从极低频(ELF)范围开始, 从3hz开始, and end at the extremely high frequency range, 以300 GHz结束. 在这个频率之后, EM radiation becomes 光, 再往前一点, 它变成了可见光, 再往前一点 beyond that, 它开始以电离辐射的形式变得危险.

无线电收发器如何对无线电波中的语音数据进行编码和解码

“什么，现在?“我听到你这么问了.

收发器就是一种既能发送又能接收无线电信号的设备. We don’t necessarily need both parties to have transceivers; a radio message can be sent if one person only has a receiver.

有许多信号编码和解码方案, 但是现在, we’ll only discuss the two primary ones, 我们在上面的实验中使用了其中一种:调幅(AM)和调频(FM)。. 如果你用你的汽车音响玩了一段时间, 你们可能对调幅和调频这两个术语很熟悉. Let’s look at exactly how they work.

第一个, let’s introduce two waveforms: a carrier wave, 还有一个我们打算编码的信息信号. 载波只是一种以特定频率振荡的普通波信号, 在我们的录音中, much like the illustration, 我们的载波是一个频率为147的正弦波(平滑的上升和下降形状).360 兆赫 *. 信息信号, is the data you want to encode, 在我们的实验中, 这是AP2BDR和AP2AUM之间对话的音频.

在我, 通过调制载波本身的振幅，信号被编码到载波中, meaning the carrier wave grows taller, but remains at the same frequency. 在调频, 然而, 信号通过调制频率被编码到载波中, meaning the carrier wave stays the same height, but the frequency varies a little bit.

In our conversation, we used FM. FM usually results in clearer audio, 并且比AM更能抵抗噪音或失真, 因为失真表现为振幅的变化. 然而，调频的代价是使用一个频率范围，而不是一个特定的频率. 频率范围有多宽取决于你的滤波器. 在我们的例子中, we used narrow-band FM (NBFM); 然而, 商业广播电台使用宽带调频(WBFM)。. 这使得电台声音更丰富，更耐失真，但需要更大的频率范围.

结论

我们学习了无线电的工作原理和一些无线电规则, 我们设置了一个接收偶极子，并使用软件定义无线电探索频谱, 我们学习了无线电波背后的一些基本物理学，以及编码和解码信号的基本方法. 无线电可能看起来像魔术, and personally I still think it is, 但这是一项非常了不起的技术. 在后面的文章中, 我可能会讨论GNURadio，以及如何在软件中模拟无线电功能.

我希望你有兴趣了解更多关于广播的知识. 使用SDR, 您可以探索自己的设备产生的信号, 比如汽车钥匙卡或无线门铃发出的信号. 只要记住在法律允许的范围内进行实验. 如果你决定成为一名业余无线电操作员, 你可能会开始传送信息并进行自己的对话! 在巴基斯坦, 从有执照的业余爱好者经营的无线电台发送信息是合法的, and under their supervision, 如果他们在训练你. 我建议您加入PARS或您当地的业余无线电协会以获取更多信息.

我找到的业余无线电最好的资源是 ARRL Handbook for Radio Communications. It came highly recommended, 虽然书中的内容乍一看是非常技术性的, 读了几遍之后, 它开始有意义了. 这是一个无价的资源，我发现自己经常会参考它. 然而, 这是一本付费书, 但如果你想马上开始, read the first five chapters of Wireless Networking in the Developing World，一本免费的(如libre)书籍和(免费的)电子书，其中涵盖了我更详细讨论的材料.

*注意: PARS要求我不要在网上公布真实数据. 这些都是技术上准确的示例，但真正的示例仅供PARS成员使用.