标签: 业余无线电

今天许多经验丰富的工程师都是从业余爱好者或业余无线电开始进入电子行业的(关于 “业余无线电”术语的起源有许多说法，但说法不一)。然而，多年来随着时间的推移，这些工程师的工作、家庭和社交要求逐渐占了上风，许多业余无线电爱好者失去了兴趣，他们的执照也相继失效。与此同时，随着个人通信和家庭中互联网连接的蓬勃发展，许多年轻工程师也永远不需要将业务无线电作为研究电子技术的一种方式。他们已经错过了这种极具魅力的业余爱好带来的机会。 准确地讲，第一批无线通信达人都是业余无线电爱好者。Guglielmo Marconi通常被公认为是无线电的发明者，他曾经在一次著名演讲中表示他自己就是一名业务无线电爱好者。在早期的无线电时代，商用、政府和业务电台共享相同的频谱，发送由开/关键控调制的宽带脉冲传输信号，并使用莫尔斯电码传送消息。这样的使用方式导致服务间存在很大的干扰，这种情况一直持续到政府介入并给不同服务分配指定频带才有所改善。 政府和商用电台被赋于想像中更加有用、不到1500kHz的中长波频谱，而业务无线电台被限于不到200米波长、频率超过1500kHz的频谱范围。当时的专家们认为这些频段无法用于长距离通信。 业余无线电爱好者很快发现，实际上在这些频率点长距离通信更加容易实现。随后出台了新的分配方案，政府和商用电台得到了一些“好的”频谱。然而，还是有不少频段保留给了业余爱好者。在20世纪60年代晚期，业余无线电爱好者被要求使用超过30GHz明显没有用的频率。但随着技术的发展，其它服务发现这些频率也有用。业务无线电爱好者现在则喜欢上了300GHz以上的频率专享使用权。 在美国，联邦法规第47篇第97部分掌控着业余无线电服务(参考文献1)。它按以下原则描述了业余无线电服务的基本目的：认识和增强业余无线电服务对公众来说作为一种自愿、非商业通信服务的价值，特别是提供紧急通信服务；继续并扩展业余无线爱好者业已被证明的能力，为无线电艺术的发展作出贡献；在符合规则条件下鼓励和改善业余无线电服务，提升通信和技术阶段中的技巧；扩展训练有素的操作人员、技术人员和电子专家的业余无线电服务范围；继续并发展业余无线电爱好者的独特能力，增强国际亲和力。 执照 联邦法规第97部分要求业务无线电台获得执照才能发射信号。获得业务无线电执照的过程可能长达数年。很多年前，申请者必须通过严格的技术考核，包括凭记忆画出原理图。后来这种考试发生了很大的变化。所有问题现在都是多选题，涵盖技术、操作和法规主题，而且所有问题和答案——包括正确和错误的——都被公之于众。另外，许多国家的政府——特别是美国——已经将测试工作进行了高效的外包。 在美国，现在是由志愿主考官管理考试。志愿主考协调官将考试安排在方便的地方和时间(图1)。在申请者顺利完成考试后，协调官会将需要的数据转发给联邦通信委员会，再由后者颁发带呼号的执照，这些呼号使用前缀和后缀识别每位执照持有人及他或她的执照所在地。在美国，现在有3类执照，每类执照有不同的权利组合，包括允许频段、模式和功率电平。通过更加高级的考试可以使执照持有人获得更多的权利。 图1：一群资深业务无线电爱好者在一次执照考查课上相聚。 不管是哪个类别的执照，美国业余无线电执照申请过程都不再要求具备莫尔斯电码知识。以前这个要求对许多有志于业务无线电的技术型专家来说是一个很大的障碍，因为他们不能或不愿征服莫尔斯电码。具有讽刺意味的是，给连续波(CW)操作保留的部分频段比以往任何时候都更拥挤，而新的执照持有人发现，窄带模式对弱信号工作来说比更宽的宽带模式更加有效，例如单边带(SSB)话音。 许多业余无线电爱好者使用话音模式进行联系，主要是HF频段的单边带模式和VHF与UHF的调频模式。连接HF单边带或VHF调频收发机且安装有声卡的电脑的信号处理能力推动了新模式的出现。即使配置一般的电脑都有足够的速度产生和译码用于传统无线电电报通信的FSK信号。 实验人员制定了调制方案和相关协议，再加上前向纠错机制，即使在低功率和小天线情况下也能支持直接的键盘到键盘交流。使用的各种FSK和PSK信号在传输到扬声器时会发现异常的嗡嗡声和尖叫声，而计算机可以轻松解调这些信号并将它们转换为可读的文本。一些聪明的业余无线电爱好者甚至可以使用电脑的信号处理能力模拟出二战时期机械的文本至无线电系统(如Hellschreiber)产生的信号。 一些业余爱好者还实现了全运动视频信号的传输——通常在VHF或UHF频段，因为在这些频段上有足够的带宽使用。也有爱好者在HF频段使用话音带宽信号和电脑传输静止的照片。数据网络也通过使用各种系统得到了发展，包括TCP/IP。 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 21世纪设备 获得执照的业余无线电爱好者可以在LF、MF、HF、VHF、UHF和微波频段传输信号。如果有一副好的天线，业余爱好者的设备可以在许多频段上实现全球通信。 大多数业余无线电爱好者从商店购买他们需要的设备。多年前，最有名的品牌主要是一些美国公司，比如EF Johnson和Heathkit，现在是defunct Collins、Hallicrafters和Hammarlund。 今天，最流行的品牌主要是些日本公司，包括Icom、Kenwood、Yaesu和Alinco(图2)。一些美国制造商，如Elecraft和FlexRadio，已经进入市场十多年了(图3)，第一批中国制造的收发机正开始出现，它们来自欧讯(Wouxun)等制造商。 图2：Yaesu公司的FTDX-5000高频收发机提供了当前最高的接收机性能。 图3：体积很小的Elecraft K3高频收发机具有很高的性能。 如今业余无线电设备中采用的技术有了长足的发展。大多数高性能的HF/VHF收发机中至少一些调制、解调和滤波功能使用上了数字信号处理技术。仔细划分模拟和数字信号处理部分可以取得最佳性能，今天的无线电设备可以提供出色的灵敏度和100dB动态范围，以及得到数字信号处理技术支持的选择性。虽然大多数无线电设备仍然保持着传统的前面板风格，包括一个大的旋钮用于控制频率，还有许多其它按键和旋钮，但一些较新的软件无线电(SDR)设备，比如FlexRadio的产品，放弃了这种传统面板风格，没有前面板控制，而是采用键盘和鼠标操作方式(图4)。 图4：FlexRadio Systems公司的Flex-5000A软件无线电根本没有前面板控制方式。 手持式VHF调频收发机经过发展现已包含多频段操作、嵌入式GPS、用于显示相邻频谱上信号的频谱分析仪显示器甚至蓝牙。虽然还没有设备达到了智能手机的复杂程度，但触摸屏驱动的无线电设备和互联网连接离我们不会太远了。提到智能手机，目前已有数百种业余无线电应用可供这些手机使用，比如执照预习课程、卫星跟踪和远程站台控制。 然而，并不是所有业余无线电爱好者都是购买现成的设备。一些爱好者选择动手搭建他们自己的设备。业余无线电爱好者通常是富有激情的装配工，经常用邻居那里找到的遗弃的消费电子产品搭建他们的设备。许多业余无线电爱好者理解互调失真和相位噪声等概念，因为他们听说过这些信号的非理想效应，而且他们理解当名义上线性的放大器进入硬压缩状态时会发生什么现象。 自己搭建的无线电设备范围也十分广泛，从特别简单的发射机和接收机一直到真正先进的软件无线电(SDR)系统。在低端领域，一个有创造性的业余无线电爱好者会拆解紧凑型荧光灯泡，找到高速高压开关晶体管以及各类电容电感。然后增加一个3.579MHz的电视彩色脉冲石英晶体(这种晶体正好位于80米业余频段中间)，这些部件就能让他搭建出一台1.5W的连续波发射机(参考文献2)。 简单的接收机也很容易搭建。业余无线电爱好者Charles Kitchin已经开发出一系列超级可重组的接收机，它们都很容易装配，而且工作性能出奇的好(参考文献3)。 高性能软件无线电组织的工作就是研究前沿的无线电设备。这个组织通过合作开发出了一系列使用最新高性能部件的模块，这些部件包括射频放大器、混频器、ADC、DAC、处理器和内存。举例来说，Mercury接收机模块支持直接采样0至65MHz频谱信号，并使用一个130M样本/秒的16位ADC和FPGA实现数字下变频。开源软件执行所有信号处理和控制功能，硬件也支持第三方软件(图5)。 图5：OpenHPSDR向其开源合作性软件无线电设备提供模块化的设计。 对开发自己的软件无线电设备有兴趣的工程师可以搭建或购买射频前端/正交下变频器，并将它连接到电脑的音频输入端，然后购买或编写合适的解调和检测功能软件。将无线电的基带同步与正交输出连接到电脑的左右输入口就完成了所有的硬件工作。一些业余无线电爱好者搭建的软件无线电前端外形尺寸如同USB记忆棒，因此可以从这些USB插座取电。 对于更加倾向于经典模拟无线电设计的人来说，OpenQRP是一个让人感兴趣的项目。“QRP”是低功耗发射机的业余无线电产品缩写(图6)。这个组织的创建者、呼号为K1EL的Steve Elliott为简单的低功耗连续波收发机开发了一种开源的软硬件设计。他将流行的Arduino原型平台中的Atmel微处理器用于人机界面和各种控制功能，并提供PCB和整个器件套件。Elliott还记录了开发过程中的反复试验内容，他的博客可以作为无线电设计的优秀教程(参考文献4)。 图6：这种低成本低功耗的连续波收发机使用经典的具有灵活可编程控制接口的模拟无线电部件。 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 先进性 一些具体的业余无线电爱好可以让你的工程朋友甚至非工程朋友留下深刻印象。当你告诉人家你喜欢业余无线电时，他们经常会问，“你的无线电信号能传多远？”回答有些复杂，你也许能够给他们提供一些令人印象深刻的答案。对于非技术人员来说，我喜欢给出的一个答案是，从我在新英格兰的家开始，这么多年来我最长的联系距离是美国德州——这可是绕了很长的路哦。 大约20年前的一个上午，我正在15米、21MHz频段操作，并将我的方向束天线对准了欧洲。这时一位德州的朋友呼入，并说他只有将天线指向太平洋时才能听到我讲话。我们尝试了很多方法，最后得出结论，我们事实上彼此隔着很远的距离在讲话。高频传播在一天的不同时段和不同季节能展示出令人感到有趣的不同行为，而长距离联系相对很普遍。 一些业余爱好者还在微波频段试验其它让人感兴趣和非同寻常的地面传播模式。2010年，一群法国和瑞士的业余爱好者利用蒸气管道——在海平面上方大约10米至20米的低空中的一个水平层传导无线电信号，他们体验到比其它传播路径更低的衰耗。这些爱好者使用这个管道以5.7GHz和10GHz的频率在佛得角和葡萄牙之间建立了双向的单边带话音联系，这个距离长达2700公里或接近1700英里。发射机的功率是15W至25W，天线是直径大约为1米的小型碟形天线。 多年前，诺贝尔奖获得者、天体物理学家Joe Taylor(呼号为K1JT)为各种VHF/UHF通信开发了称为WSJF(弱信号Joe Taylor)的协议与调制方案套件。在正常环境下，VHF和UHF信号的传播距离只有几十或几百英里，具体取决于地形、天线增益和功率。WSJT改变了这种情形。 有个版本的协议主要在电离流星余迹的射频反射路径中使用，这种路径的持续时间不到1秒。它能以速度大约相当于每分钟100字或441波特的速度发送一个30秒长的4音FSK序列，可以在生存期极短的路径上获得足够的比特来交换呼号和信号报告。无线电台轮流发送和接收，交换某些细节以验证路径的每端成功地完成了信号的检测和译码。虽然很多年来美国军方一直使用流星散射通信，但这种模式通常要求大型天线和高功率才能成功。Taylor系统让较小台的台主也能成功实现流星散射通信。 另外一种WSJT模式是从地球到月亮再到地球或“月亮反弹式”通信，它使用月亮作为被动且不很高效的反射器。从月亮反弹回来的144MHz信号大约2.5秒后返回地球，功率比离开地球时减弱了近250dB(图7)。这个数据不是错的，路径损耗就有250dB。 图7：月亮反弹式双向通信使用WSJT免费软件。 几十年来业余无线电爱好者一直在从月亮反弹信号，但只有拥有大功率发射机、非常灵敏的接收机和巨大天线的爱好者才能使用传统的连续波或单边带话音模式实现通信。假设发射机的功率为1000W或60dBm，发射机和接收机的天线增益都是20dBi，接收到的信号将是-150dBm。高性能接收机可以检测到这个窄带宽的微弱信号。一些业余无线电爱好者有时候使用架设在Arecibo、Puerto Rico的著名1000英尺射频天文碟形天线做月亮反弹试验。在432MHz的业余频段，这种碟形天线具有约60dB的增益，可以用单边带和连续波模式实现与简单基站的双向联系。 Taylor的WSJT月亮反弹系统使用了一种近1分钟长的65音FSK调制序列和相当强的内置编码和纠错功能。幸运的是，现代PC机完全能够胜任编码和解码任务，它可以解码2.4kHz带宽内电平低于噪声24至28dB的信号。现在拥有简单的100W发射机和天线尺寸不大于电视天线的电台在正常情况下就可以与远在数千英里之外的电台进行通信，只要双方都能“见到”月亮。 业余无线电爱好者还使用除了月亮之外的其它卫星进行通信。经过多年的努力，业余爱好者设计、建造和发射了100多颗人造卫星，这些卫星通常携带一个或多个信标；用于各种内部管理功能和学生实验负载的遥感勘测信道；一个或多个异步雷达收发机，它们将一个业余频段用于上行链路，另一个频段用于下行链路。ARISSat(国际空间站卫星上的业余无线电台)－1是在两位宇航员太空行走期间发射升空的。 许多太空人和宇航员拥有业余无线电执照。美国无线电传播联盟(ARRL)的ARISS计划经常安排国际空间站上的宇航员和学校小组进行演示交流。对业余无线电爱好者来说ARRL作为国家性联盟已近100年了。它出版的许多书籍涉及业务无线电爱好的方方面面，并且还有学习指南和手册。 呼号为KB6NU的Dan Romanchik是一位具有40年经验的资深业余无线电爱好者，也是一位经验丰富的电子工程师。他经常在销售套件的许多公司分享他的资源。这些套件不仅搭建时很有趣，而且是对 这个关联博客 贴子中的业余爱好者接收机的有用补充。 业余无线电可以丰富你的已有爱好。一些爱好者在“猎狐行动”中将徒步横渡旷野竞赛与无线电定向结合在一起。组织者将一系列小型无线电发射机藏匿在覆盖数平方英里的指定区域内，竞赛者必须使用便携式无线电设备和定向天线去定位每只“狐狸”。这种竞赛运动不仅要求技术技能，还要有奔走能力。另外一种活动则将爬山与业余无线电爱好结合在一起。登山者携带轻型电池供电的无线电台和便携式天线，可以充分利用由于高海拔可能带来的优秀信号传播性能。那些从许多山峰开始广播的操作者以及与他们取得联系的人可以在这种体育赛事中获奖。另外，许多海员也申请了业余无线电执照，并在他们的船只上安装了业余无线电设备。除了用于娱乐消遣外，还可在船上所有其它无线电系统发生故障时用作紧急备用设备。 当所有其它通信设备发生故障时，那些在社区中表现活跃的业余无线电爱好者经常组织出面与当地和区域性公用安全机构协调提供紧急通信。虽然大多数有线和无线通信系统依赖于在自然或人为灾难下基本不能幸存的基础设施，但业余无线电爱好者只需要一个无线电台、一个电池和一段导线就能开始广播。 参考文献 1. Part 97, Title 47, Federal Communications Commission, Sept 7, 2006, pg 587. 2. "Das DereLicht" 3. Kitchin, Charles, "A Short Wave Regenerative Receiver Project." 4. OpenQRP 原文作者：Doug Grant(呼号K1DG) 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

之前在EDN上发表过的文章 《21世纪的业余无线电》 引起了人们诸多的兴趣，人们对这个业余爱好的各个方面也提出了许多问题。本文撰写的动机也是源于这方面的兴趣，但不只限于业余无线电。本文讨论了工程师在设计各种电子设备时每天都在考虑的设计折衷问题。高频收发机在这里用作例证。 无线电设计在很多方面类似其它设备设计 针对业余无线电开发的现代高性能收发机设计实际上与许多其它系统设计没有太多区别。例如，数量不是太多，典型型号一年的用量为几千台。这种设计不能使用ASIC，因为大多数ASIC要求大得多的批量才能满足经济上的可行性。另外，适中的数量通常不会吸引大型半导体公司的产品规划师。 这意味着设计工程师不能依靠简单地组合一些特殊应用芯片就称之为硬件设计。他们也不能依靠制造商提供可以生产的参考设计，像PC、蜂窝电话和平板电脑等大批量市场中的做法是行不通的。相反，工程师们必须精心挑选许多元器件，并设法使它们在一起协调工作，最终满足系统性能目标要求。除了激发工程师的创造性外，还要尝试使用所有可用的技术才能让新产品成功上市，并满足性能和成本目标。 与大多数系统一样，产品同样要求符合相关政府部门的法律法规。对业余无线电收发机来说，政府机构最关心的是发射信号的纯度，避免干扰到其它服务。在美国，适用法规是47CFR97.313(d)，“……来自发送频率低于30MHz的基站发射机或外部射频功放的任何杂散辐射平均功率至少要比基频发射平均功率低43dB。”大多数业余无线电收发机是针对全球销售设计的，因此在销售前必须符合种类繁多的其它区域标准(例如CE)。 除了政府法规外，用户对性能也非常敏感——通常愿意为高性能支付更多的费用。实际上对许多工业系统、测试与测量仪器以及医疗设备来说都是这种情况。在低性能系统领域，价格是主要指标，利润非常微薄。换句话说，专注于高性能可以得到良好的回报。 本文将主要讨论几款现代高性能业余无线电收发机的接收侧设计。市场上还有其它的高频收发机，它们是针对商业和政府应用设计的，相比于个人消费者，这些客户可以负担更高的价格。提供高性能的同时满足消费者心理价位将给设计任务增加额外的挑战。 与大多数系统一样，第一件事是定义最差情况下的系统性能要求。对高性能接收机来说，主要指标有灵敏度(能够接收微弱信号)、选择性(能够抑制不想要的信号)以及确定信号链总体线性度的各种方式。线性度非常重要，因为接收多个信号(或单个大信号)的非线性电路将造成难以与实际信号区分的伪信号。与高保真音响发烧友一样，无线电性能痴迷者(无线电发烧友)也有某些测试用例和广播环境可以用来判断一个无线电设备的真实性能。 灵敏度实际上是最容易实现的指标。设计一个具有足够低噪声系数的高频频谱(3-30MHz)接收机相对比较容易，因为系统本底噪声取决于大气噪声，而非接收机噪声。普遍接受的业余无线电接收机最小可分辨信号(MDS)测试用于确定输入射频功率电平，与没有输入信号相比，它需将窄带(500Hz左右)的音频输出提升3dB。大多数现代接收机的MDS指标在-135dBm数量级。 业余无线电是不使用特定离散信道(最近分配的60米频段是使用固定信道的唯一业余无线电频段)的少数几个需要执照的高频无线服务之一。在任何给定的频段，无线电台可以免费使用其它台不在使用的任何频率。信号间隔可能极其小。考虑如图1所示的频谱图形。这张图显示了在2kHz带宽(小于一个典型单边带话音信号的宽度)内有7个单独的连续波莫尔斯码信号。 图1：这幅图的上半部分显示的是在这个频谱分析仪显示屏上占用不到一个单边带话音信号的带宽内有7个连续波信号。下半部分是相同信号的一种滚动“瀑布”图。 选择性可以通过模拟滤波(通常用多极点晶格滤波器)、DSP或两者的组合来实现。模拟/数字滤波的最佳平衡以及在信号路径的何处应用是成本/性能折衷考虑的主要因素，并且伴随着每一代无线电设计在不断改变……就像任何其它系统一样。 线性度是很困难的指标，它决定了一个无线电设备在遇到其它相邻信号时的性能有多好。可以使用各种测试方法来判断一个无线电设备的性能，但即使是针对想要的测试条件构建一个象样的测试装置也很具挑战性。 在一个存在线性问题的接收机中，输入信号足够大就会产生杂散信号。例如，位于1823.5kHz(f1)和1824.0kHz(f2)的信号可能会在2f1-f2或1823kHz处产生三阶互调分量，这个分量正好落在通带中。一旦出现这种情况，无论什么样的滤波方法都无法消除这个信号，因为后面的电路没有办法将它与实际信号区分开来。 当接收机前端出现大量信号时，问题将更加严重。图2显示了在常见的操作过程中产生的50kHz频谱片段。 图2：在常见的广播竞赛中捕获到的这张图显示超过100个不同的信号共享一个50kHz带宽。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 针对测试的设计 在过去十多年中，独立出版的收发器性能评论对购买决策来说正变得越来越重要。目前有两个主要的美国评论资源。第一个是QST杂志，由美国无线电传播联盟(ARRL， www.arrl.org )出版。QST产品评论中使用的测试方法随着时间的推移还在不断增加新的测试项目，目的是提高评估无线电性能的能力，其中包含了制造商声明的指标和实际实验室测量值之间的比较。 另外一个备受尊敬的产品评论资源是Sherwood Engineering( www.sherweng.com )。其经营者Rob Sherwood几十年来一直在从事接收机性能测试，他提供的配套滤波器套件可用来提高接收器性能。 当新的收发机上市时，Sherwood都会做一个彻底的评估，并在他曾测试的几乎每台高端接收机清单中增加测量得到的性能数据。位于Sherwood清单(根据封装空间互调测试结果排名)和QST评论前列的无线电设备厂商可以自豪地声明他们的接收机具有最高的性能。 在写这篇文章的时候，Yaesu FTDX5000D和Elecraft K3位于清单前列，其中Yaesu的无线电设备在ARRL测试中表现出较高的三阶截取(IP3)指标。事实上，这两种接收机在封闭空间动态范围测试中的表现是如此之好，以致于测量都受到了相位噪声的限制(这些无线电设备具有很低的相位噪声！)。 与前代高端无线电设备相比，这些接收机取得如此高分的原因是改变了测试方法，并且重点放在不同的性能指标上。过去，互调测试是在相对宽的信号间距——通常是20kHz上进行的。这意味着第一个中频滤波器可能是5kHz或10kHz宽，而且仍能很好地防止从理想信号消除的20kHz和40kHz信号遇到可能引入非线性的放大器或第二个混频器。许多制造商采用的上变频架构中的第一个中频高于信号频率，从而允许使用更便宜、更小的滤波器，并可以更方便地实现全频段覆盖。 然而，随着性能测试逐渐使用更小间距的两个测试信号(2kHz)，采用在第一个(上变频的)中频点适度滤波的许多接收机表现出极差的性能，因为两个信号都会通过宽滤波器，并穿过不理想的增益与混频级电路。一些制造商回过头去使用较低的中频频率，并开始使用在第一个中频点变得可用的更窄的“修平”滤波器。例如，Yaesu无线电设备在9MHz中频级电路中使用了一个300Hz的滤波器。再加上为了在大信号条件下提供良好线性度而设计的前端，互调动态范围测量就超出了ARRL的正常测试范围，并变得受相位噪声的限制。 在计算型IP3测试中，Yaesu接收机在20kHz和2kHz处的测量值分别是+41dBm和+40dBm，也超出了ARRL的图表范围(Elecraft无线电设备的这个测量值是+29dBm和+28dBm)。 针对这个“互调动态范围”的测试方法是将接收机调谐到期望互调分量的频率，并引入两个干扰源作为间距2kHz的载频，同时提高它们的幅度，直到音频输入电平高过本底噪声3dB。IMD阻塞指数是输入电平和MDS之差，对高性能接收机来说一般接近100dB。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 另外一个难以满足的指标 在超外差式接收机中，输入射频信号通过与可调本振(LO)混频将有用的信号移动到中频段，并进行滤波和放大。本振是非理想的电路，会产生想要频率的信号，也会在这个信号两边扩展出噪声。形成这些噪声边带的机制有很好的文章介绍，它们取决于振荡器设计，比如是简单的LC调谐电路，还是基于锁相环(PLL)或直接数字合成(DDS)的设计。在PLL中，环路带宽决定了相位噪声，也是稳定时间和步长的折衷结果。 无线电接收机中的本振相位噪声效应也经常被称为“相互混频噪声”，测试它的方法是将一个非常纯净的稳定连续波信号应用于待测接收机，然后通过调谐使其远离信号，同时观察在噪声中的上升情况。原则上，如果本振设计理想的话，本振噪声的下变频和检测方式与具有噪声边带的输入信号检测是一样的。 早期的接收机使用模拟LC振荡器产生可调谐的本振，有时也会结合一组固定频率的外差振荡器来扩展范围。利用分立元件实现的PLL技术在20世纪70年代变得流行起来，但在制造商实现理想相位噪声之前也经过了许多反复。 随着20世纪90年代直接数字合成技术(DDS)的普及，收发机制造商开始用DDS来生产具有更低相位噪声的本振。最终随着PLL和DDS芯片性能和集成度的不断提高，将两者结合起来的创新方法可以得到非常优秀的结果。为了使这种应用达到最高可能的性能，大多数收发机设计师使用一体化的PLL与DDS芯片，同时用外部元件和远低于它们最大额定频率的芯片进一步增强它们的性能。 Ten-Tec Orion系列收发机就是使用这种PLL与DDS技术组合达到了特别高的性能。图3显示了这种收发机的功能框图。这个电路的完整描述和详细原理图见 https://www.tentec.com/downloads/manuals/566/566_syn_article.pdf 。 图3：TenTec Orion系列收发机中的本振合成器使用了一对UHF VCO和分频器，并结合PLL和DDS技术达到了超低的闭环相位噪声。 针对高侧注入混频器方案，本振需以1Hz步长从10.8MHz调谐到39MHz，当调谐1.8MHz至30MHz高频频谱时将产生9MHz的中频输出。在工作中实际有两个PLL环路。一个稳定的TCXO和分频器产生两个频率固定为44.55MHz和7.425MHz的输出。7.425MHz信号是粗PLL/VCO的基准频率，这个PLL/VCO的输出可调范围从549MHz至787MHz，步长为7.425MHz。 44.55MHz信号用作DDS的基准。DDS的输出可调范围从2MHz至9.425MHz，步长是20Hz、30Hz、40Hz或60Hz，这个输出将成为使用VCO的锁相环的基准，而锁相环的输出可调范围从541MHz至780MHz，步长同样是20Hz、30Hz、40Hz或60Hz。然后使用第一个PLL的输出作为本振对该信号进行下变频，下变频输出的信号被锁相到DDS输出。 VCO输出也要经20、30、40或60分频为每个频段产生必要的输出范围和1Hz调谐步长。这个电路的DDS芯片最高额定输出频率为300MHz，但工作在低得多的频率，因为杂散输出经判断远高于10MHz，会在本振电路中形成伪信号。 这个设计可以取得非常低的相位噪声，频偏很小时在130dBc/Hz数量级。这种架构的一个有趣的副作用是，当分频比提高时，任何给定频偏处的相位噪声会降低，因而在更低频段会有更低的相位噪声。这是很有好处的，因为在较低频段，相对本地电台的远距离电台信号要比较高频段弱很多。 Elecraft的高端K3收发机在本振产生中使用了不同的方法。设计中同时使用了PLL和DDS技术。图3显示了K3合成器的框图。完整的原理图请参考 http://www.elecraft.com/manual/K3_Schematics_Jun_2010.pdf 。 图4：Elecraft的本振合成器同时使用PLL和DDS技术以及多频段软件控制VCO实现高性能和低功耗。 主频基准是一个固定在49.380MHz的温度补偿型晶振(TCXO)。低功耗的75MHz DDS芯片用来产生PLL的基准，但DDS工作在8.215MHz，只能在很窄的范围(±2kHz，步长0.2Hz)内调整。输出经过一个大约1.2kHz宽的4极点晶体滤波器滤除所有杂讯。一个简单的PLL和一个3极点有源环路滤波器用于可调本振。同时采用了一个复杂的分立VCO设计，总共使用了128个不同的LC储能电路组合，具体由软件根据8MHz至48MHz调谐范围段进行选择。 这两种方法都可以实现优秀的相位噪声性能，如表1所示。 表1：三种高性能收发机的相互混频噪声测量结果比较。三种不同的设计产生完全不同的结果，但所有结果都很优秀(来源：Sherwood Engineering)。 K3收发机是一种模块化设计，一个可选项是增加一个完整的第二条接收链或子接收机。子接收机可以用来监听另一个频率，或监听与主接收机相同的频率，但有一根单独的接收天线，可利用不同方向减小干扰或衰落。第二个可选项被称为分集接收。在一些收发机中，子接收机的性能较低，仅提供有限的分集性能。而K3中的子接收机与主接收机是一样的，本振经相位锁定到主接收机本振，可产生真正的分集接收效果。 TenTec Orion系列和K3都使用DSP进行检测和最终的接收机滤波。Orion中的第一个中频是9MHz，包含窄的修平滤波器。第二个中频位于455kHz。第三个中频位于14kHz，提供给为高性能音频系统设计的24位模数转换器使用。在K3中，第一级8.215MHz中频电路的输出将与固定为8.230MHz频率的本振混频，经下变频到15kHz的第二个中频。信号在这里被原本也是为高性能音频系统开发的24位模数转换器数字化。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 现在情况完全不同了 Microtelecom公司在 Perseus软件定义接收机 中采用了不同的接收机设计方法，这种方法也许可以认为是强力数字化方法。Perseus接收机具有特别简单的框图，见图5。先是一个前端无源衰减器和滤波器，然后是放大器电路，后面连接着非常宽带的模数转换器，最后是可编程的数字下变频器(DDC)和USB接口。 用FPGA实现的DDC包含一个数字控制的本振(全数字)和一个正交数字混频器，能以100、200或400ksps的速率向USB接口提供基带I/Q输出信号。PC软件对接收机进行控制，并在PC处理器中执行信号检测和解调功能。 图5：Microtelecom的Perseus接收机使用直接射频采样模数转换器和软件无线电架构，避免了模拟接收机的不完善性，但需要使用PC和软件进行信号解调。 整个系统的性能可以与传统全模拟和混合模拟/DSP设计一比。例如，本振相位噪声基本消除了，因为根本就没有本振！唯一的相互混频噪声源是模数转换器中的采样抖动和时钟振荡器中的相位噪声，而时钟振荡器是一个固定频率的高稳定性晶振，非常干净。 聪明的读者会注意到，与TenTec和Elecraft的无线电设备中使用的24位模数转换器不同，Perseus只使用14位的模数转换器分辨率。由于14位模数转换器只能提供约86dB的理论信噪比(事实上，Perseus使用的LTC2206-14模数转换器只能提供大约77dB的信噪比)，这意味着Perseus的可用动态范围要比采用更高模数转换分辨率的其它无线电设备小很多。 然而，包括量化效应和所有其它噪声源在内的这种噪声或多或少会在这种80MSPS模数转换器的整个带宽(从直流到Fs/2(或40MHz))上均匀扩展。如果我们只是关心这个带宽的一小段，比方说500Hz，并用数字滤波器滤除所有其它噪声，那么该带宽内的噪声等于10log(40MHz/500Hz),或低49dB。 这意味着最小可分辨信号电平应低于模数转换器满刻度电平77+49dB或126dB。模数转换器和预放的满刻度电平大约为-6dBm，因此最小可分辨信号实际上是-6减去126即-132dBm，与在模拟域执行大多数滤波并在信号路径末端使用更低速度更高分辨率模数转换器的传统接收机基本一致。 那么这种全数字方法有什么缺点呢？与前面所述的其它收发机不同，Perseus要求使用PC和软件。这种情况下没有耳机或扬声器插座——PC声卡要为用户产生音频信号。也不包含调谐旋钮，因为调谐由PC软件完成。然而，这种方法在将软件无线电技术带到消费价位方面前进了一大步，而且从技术角度看，软件无线电可以达到与混合模拟/数字接收机设计媲美的性能。 原文作者：Doug Grant 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

今天许多经验丰富的工程师都是从业余爱好者或业余无线电开始进入电子行业的(关于 “业余无线电”术语的起源有许多说法，但说法不一)。然而，多年来随着时间的推移，这些工程师的工作、家庭和社交要求逐渐占了上风，许多业余无线电爱好者失去了兴趣，他们的执照也相继失效。与此同时，随着个人通信和家庭中互联网连接的蓬勃发展，许多年轻工程师也永远不需要将业务无线电作为研究电子技术的一种方式。他们已经错过了这种极具魅力的业余爱好带来的机会。 准确地讲，第一批无线通信达人都是业余无线电爱好者。Guglielmo Marconi通常被公认为是无线电的发明者，他曾经在一次著名演讲中表示他自己就是一名业务无线电爱好者。在早期的无线电时代，商用、政府和业务电台共享相同的频谱，发送由开/关键控调制的宽带脉冲传输信号，并使用莫尔斯电码传送消息。这样的使用方式导致服务间存在很大的干扰，这种情况一直持续到政府介入并给不同服务分配指定频带才有所改善。 政府和商用电台被赋于想像中更加有用、不到1500kHz的中长波频谱，而业务无线电台被限于不到200米波长、频率超过1500kHz的频谱范围。当时的专家们认为这些频段无法用于长距离通信。 业务无线电爱好者很快发现，实际上在这些频率点长距离通信更加容易实现。随后出台了新的分配方案，政府和商用电台得到了一些“好的”频谱。然而，还是有不少频段保留给了业余爱好者。在20世纪60年代晚期，业余无线电爱好者被要求使用超过30GHz明显没有用的频率。但随着技术的发展，其它服务发现这些频率也有用。业务无线电爱好者现在则喜欢上了300GHz以上的频率专享使用权。 在美国，联邦法规第47篇第97部分掌控着业余无线电服务(参考文献1)。它按以下原则描述了业余无线电服务的基本目的：认识和增强业余无线电服务对公众来说作为一种自愿、非商业通信服务的价值，特别是提供紧急通信服务；继续并扩展业余无线爱好者业已被证明的能力，为无线电艺术的发展作出贡献；在符合规则条件下鼓励和改善业余无线电服务，提升通信和技术阶段中的技巧；扩展训练有素的操作人员、技术人员和电子专家的业余无线电服务范围；继续并发展业余无线电爱好者的独特能力，增强国际亲和力。 执照 联邦法规第97部分要求业务无线电台获得执照才能发射信号。获得业务无线电执照的过程可能长达数年。很多年前，申请者必须通过严格的技术考核，包括凭记忆画出原理图。后来这种考试发生了很大的变化。所有问题现在都是多选题，涵盖技术、操作和法规主题，而且所有问题和答案——包括正确和错误的——都被公之于众。另外，许多国家的政府——特别是美国——已经将测试工作进行了高效的外包。 在美国，现在是由志愿主考官管理考试。志愿主考协调官将考试安排在方便的地方和时间(图1)。在申请者顺利完成考试后，协调官会将需要的数据转发给联邦通信委员会，再由后者颁发带呼号的执照，这些呼号使用前缀和后缀识别每位执照持有人及他或她的执照所在地。在美国，现在有3类执照，每类执照有不同的权利组合，包括允许频段、模式和功率电平。通过更加高级的考试可以使执照持有人获得更多的权利。 图1：一群资深业务无线电爱好者在一次执照考查课上相聚。 不管是哪个类别的执照，美国业余无线电执照申请过程都不再要求具备莫尔斯电码知识。以前这个要求对许多有志于业务无线电的技术型专家来说是一个很大的障碍，因为他们不能或不愿征服莫尔斯电码。具有讽刺意味的是，给连续波(CW)操作保留的部分频段比以往任何时候都更拥挤，而新的执照持有人发现，窄带模式对弱信号工作来说比更宽的宽带模式更加有效，例如单边带(SSB)话音。 许多业余无线电爱好者使用话音模式进行联系，主要是HF频段的单边带模式和VHF与UHF的调频模式。连接HF单边带或VHF调频收发机且安装有声卡的电脑的信号处理能力推动了新模式的出现。即使配置一般的电脑都有足够的速度产生和译码用于传统无线电电报通信的FSK信号。 实验人员制定了调制方案和相关协议，再加上前向纠错机制，即使在低功率和小天线情况下也能支持直接的键盘到键盘交流。使用的各种FSK和PSK信号在传输到扬声器时会发现异常的嗡嗡声和尖叫声，而计算机可以轻松解调这些信号并将它们转换为可读的文本。一些聪明的业余无线电爱好者甚至可以使用电脑的信号处理能力模拟出二战时期机械的文本至无线电系统(如Hellschreiber)产生的信号。 一些业余爱好者还实现了全运动视频信号的传输——通常在VHF或UHF频段，因为在这些频段上有足够的带宽使用。也有爱好者在HF频段使用话音带宽信号和电脑传输静止的照片。数据网络也通过使用各种系统得到了发展，包括TCP/IP。 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 21世纪设备 获得执照的业余无线电爱好者可以在LF、MF、HF、VHF、UHF和微波频段传输信号。如果有一副好的天线，业余爱好者的设备可以在许多频段上实现全球通信。 大多数业余无线电爱好者从商店购买他们需要的设备。多年前，最有名的品牌主要是一些美国公司，比如EF Johnson和Heathkit，现在是defunct Collins、Hallicrafters和Hammarlund。 今天，最流行的品牌主要是些日本公司，包括Icom、Kenwood、Yaesu和Alinco(图2)。一些美国制造商，如Elecraft和FlexRadio，已经进入市场十多年了(图3)，第一批中国制造的收发机正开始出现，它们来自欧讯(Wouxun)等制造商。 图2：Yaesu公司的FTDX-5000高频收发机提供了当前最高的接收机性能。 图3：体积很小的Elecraft K3高频收发机具有很高的性能。 如今业余无线电设备中采用的技术有了长足的发展。大多数高性能的HF/VHF收发机中至少一些调制、解调和滤波功能使用上了数字信号处理技术。仔细划分模拟和数字信号处理部分可以取得最佳性能，今天的无线电设备可以提供出色的灵敏度和100dB动态范围，以及得到数字信号处理技术支持的选择性。虽然大多数无线电设备仍然保持着传统的前面板风格，包括一个大的旋钮用于控制频率，还有许多其它按键和旋钮，但一些较新的软件无线电(SDR)设备，比如FlexRadio的产品，放弃了这种传统面板风格，没有前面板控制，而是采用键盘和鼠标操作方式(图4)。 图4：FlexRadio Systems公司的Flex-5000A软件无线电根本没有前面板控制方式。 手持式VHF调频收发机经过发展现已包含多频段操作、嵌入式GPS、用于显示相邻频谱上信号的频谱分析仪显示器甚至蓝牙。虽然还没有设备达到了智能手机的复杂程度，但触摸屏驱动的无线电设备和互联网连接离我们不会太远了。提到智能手机，目前已有数百种业余无线电应用可供这些手机使用，比如执照预习课程、卫星跟踪和远程站台控制。 然而，并不是所有业余无线电爱好者都是购买现成的设备。一些爱好者选择动手搭建他们自己的设备。业余无线电爱好者通常是富有激情的装配工，经常用邻居那里找到的遗弃的消费电子产品搭建他们的设备。许多业余无线电爱好者理解互调失真和相位噪声等概念，因为他们听说过这些信号的非理想效应，而且他们理解当名义上线性的放大器进入硬压缩状态时会发生什么现象。 自己搭建的无线电设备范围也十分广泛，从特别简单的发射机和接收机一直到真正先进的软件无线电(SDR)系统。在低端领域，一个有创造性的业余无线电爱好者会拆解紧凑型荧光灯泡，找到高速高压开关晶体管以及各类电容电感。然后增加一个3.579MHz的电视彩色脉冲石英晶体(这种晶体正好位于80米业余频段中间)，这些部件就能让他搭建出一台1.5W的连续波发射机(参考文献2)。 简单的接收机也很容易搭建。业余无线电爱好者Charles Kitchin已经开发出一系列超级可重组的接收机，它们都很容易装配，而且工作性能出奇的好(参考文献3)。 高性能软件无线电组织的工作就是研究前沿的无线电设备。这个组织通过合作开发出了一系列使用最新高性能部件的模块，这些部件包括射频放大器、混频器、ADC、DAC、处理器和内存。举例来说，Mercury接收机模块支持直接采样0至65MHz频谱信号，并使用一个130M样本/秒的16位ADC和FPGA实现数字下变频。开源软件执行所有信号处理和控制功能，硬件也支持第三方软件(图5)。 图5：OpenHPSDR向其开源合作性软件无线电设备提供模块化的设计。 对开发自己的软件无线电设备有兴趣的工程师可以搭建或购买射频前端/正交下变频器，并将它连接到电脑的音频输入端，然后购买或编写合适的解调和检测功能软件。将无线电的基带同步与正交输出连接到电脑的左右输入口就完成了所有的硬件工作。一些业余无线电爱好者搭建的软件无线电前端外形尺寸如同USB记忆棒，因此可以从这些USB插座取电。 对于更加倾向于经典模拟无线电设计的人来说，OpenQRP是一个让人感兴趣的项目。“QRP”是低功耗发射机的业余无线电产品缩写(图6)。这个组织的创建者、呼号为K1EL的Steve Elliott为简单的低功耗连续波收发机开发了一种开源的软硬件设计。他将流行的Arduino原型平台中的Atmel微处理器用于人机界面和各种控制功能，并提供PCB和整个器件套件。Elliott还记录了开发过程中的反复试验内容，他的博客可以作为无线电设计的优秀教程(参考文献4)。 图6：这种低成本低功耗的连续波收发机使用经典的具有灵活可编程控制接口的模拟无线电部件。 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 先进性 一些具体的业余无线电爱好可以让你的工程朋友甚至非工程朋友留下深刻印象。当你告诉人家你喜欢业余无线电时，他们经常会问，“你的无线电信号能传多远？”回答有些复杂，你也许能够给他们提供一些令人印象深刻的答案。对于非技术人员来说，我喜欢给出的一个答案是，从我在新英格兰的家开始，这么多年来我最长的联系距离是美国德州——这可是绕了很长的路哦。 大约20年前的一个上午，我正在15米、21MHz频段操作，并将我的方向束天线对准了欧洲。这时一位德州的朋友呼入，并说他只有将天线指向太平洋时才能听到我讲话。我们尝试了很多方法，最后得出结论，我们事实上彼此隔着很远的距离在讲话。高频传播在一天的不同时段和不同季节能展示出令人感到有趣的不同行为，而长距离联系相对很普遍。 一些业余爱好者还在微波频段试验其它让人感兴趣和非同寻常的地面传播模式。2010年，一群法国和瑞士的业余爱好者利用蒸气管道——在海平面上方大约10米至20米的低空中的一个水平层传导无线电信号，他们体验到比其它传播路径更低的衰耗。这些爱好者使用这个管道以5.7GHz和10GHz的频率在佛得角和葡萄牙之间建立了双向的单边带话音联系，这个距离长达2700公里或接近1700英里。发射机的功率是15W至25W，天线是直径大约为1米的小型碟形天线。 多年前，诺贝尔奖获得者、天体物理学家Joe Taylor(呼号为K1JT)为各种VHF/UHF通信开发了称为WSJF(弱信号Joe Taylor)的协议与调制方案套件。在正常环境下，VHF和UHF信号的传播距离只有几十或几百英里，具体取决于地形、天线增益和功率。WSJT改变了这种情形。 有个版本的协议主要在电离流星余迹的射频反射路径中使用，这种路径的持续时间不到1秒。它能以速度大约相当于每分钟100字或441波特的速度发送一个30秒长的4音FSK序列，可以在生存期极短的路径上获得足够的比特来交换呼号和信号报告。无线电台轮流发送和接收，交换某些细节以验证路径的每端成功地完成了信号的检测和译码。虽然很多年来美国军方一直使用流星散射通信，但这种模式通常要求大型天线和高功率才能成功。Taylor系统让较小台的台主也能成功实现流星散射通信。 另外一种WSJT模式是从地球到月亮再到地球或“月亮反弹式”通信，它使用月亮作为被动且不很高效的反射器。从月亮反弹回来的144MHz信号大约2.5秒后返回地球，功率比离开地球时减弱了近250dB(图7)。这个数据不是错的，路径损耗就有250dB。 图7：月亮反弹式双向通信使用WSJT免费软件。 几十年来业余无线电爱好者一直在从月亮反弹信号，但只有拥有大功率发射机、非常灵敏的接收机和巨大天线的爱好者才能使用传统的连续波或单边带话音模式实现通信。假设发射机的功率为1000W或60dBm，发射机和接收机的天线增益都是20dBi，接收到的信号将是-150dBm。高性能接收机可以检测到这个窄带宽的微弱信号。一些业余无线电爱好者有时候使用架设在Arecibo、Puerto Rico的著名1000英尺射频天文碟形天线做月亮反弹试验。在432MHz的业余频段，这种碟形天线具有约60dB的增益，可以用单边带和连续波模式实现与简单基站的双向联系。 Taylor的WSJT月亮反弹系统使用了一种近1分钟长的65音FSK调制序列和相当强的内置编码和纠错功能。幸运的是，现代PC机完全能够胜任编码和解码任务，它可以解码2.4kHz带宽内电平低于噪声24至28dB的信号。现在拥有简单的100W发射机和天线尺寸不大于电视天线的电台在正常情况下就可以与远在数千英里之外的电台进行通信，只要双方都能“见到”月亮。 业余无线电爱好者还使用除了月亮之外的其它卫星进行通信。经过多年的努力，业余爱好者设计、建造和发射了100多颗人造卫星，这些卫星通常携带一个或多个信标；用于各种内部管理功能和学生实验负载的遥感勘测信道；一个或多个异步雷达收发机，它们将一个业余频段用于上行链路，另一个频段用于下行链路。ARISSat(国际空间站卫星上的业余无线电台)－1是在两位宇航员太空行走期间发射升空的。 许多太空人和宇航员拥有业余无线电执照。美国无线电传播联盟(ARRL)的ARISS计划经常安排国际空间站上的宇航员和学校小组进行演示交流。对业余无线电爱好者来说ARRL作为国家性联盟已近100年了。它出版的许多书籍涉及业务无线电爱好的方方面面，并且还有学习指南和手册。 呼号为KB6NU的Dan Romanchik是一位具有40年经验的资深业余无线电爱好者，也是一位经验丰富的电子工程师。他经常在销售套件的许多公司分享他的资源。这些套件不仅搭建时很有趣，而且是对 这个关联博客 贴子中的业余爱好者接收机的有用补充。 业余无线电可以丰富你的已有爱好。一些爱好者在“猎狐行动”中将徒步横渡旷野竞赛与无线电定向结合在一起。组织者将一系列小型无线电发射机藏匿在覆盖数平方英里的指定区域内，竞赛者必须使用便携式无线电设备和定向天线去定位每只“狐狸”。这种竞赛运动不仅要求技术技能，还要有奔走能力。另外一种活动则将爬山与业余无线电爱好结合在一起。登山者携带轻型电池供电的无线电台和便携式天线，可以充分利用由于高海拔可能带来的优秀信号传播性能。那些从许多山峰开始广播的操作者以及与他们取得联系的人可以在这种体育赛事中获奖。另外，许多海员也申请了业余无线电执照，并在他们的船只上安装了业余无线电设备。除了用于娱乐消遣外，还可在船上所有其它无线电系统发生故障时用作紧急备用设备。 当所有其它通信设备发生故障时，那些在社区中表现活跃的业余无线电爱好者经常组织出面与当地和区域性公用安全机构协调提供紧急通信。虽然大多数有线和无线通信系统依赖于在自然或人为灾难下基本不能幸存的基础设施，但业余无线电爱好者只需要一个无线电台、一个电池和一段导线就能开始广播。 参考文献 1. Part 97, Title 47, Federal Communications Commission, Sept 7, 2006, pg 587. 2. "Das DereLicht" 3. Kitchin, Charles, "A Short Wave Regenerative Receiver Project." 4. OpenQRP 原文作者：Doug Grant(呼号K1DG) 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

之前在EDN上发表过的文章 《21世纪的业余无线电》 引起了人们诸多的兴趣，人们对这个业余爱好的各个方面也提出了许多问题。本文撰写的动机也是源于这方面的兴趣，但不只限于业余无线电。本文讨论了工程师在设计各种电子设备时每天都在考虑的设计折衷问题。高频收发机在这里用作例证。 无线电设计在很多方面类似其它设备设计 针对业余无线电开发的现代高性能收发机设计实际上与许多其它系统设计没有太多区别。例如，数量不是太多，典型型号一年的用量为几千台。这种设计不能使用ASIC，因为大多数ASIC要求大得多的批量才能满足经济上的可行性。另外，适中的数量通常不会吸引大型半导体公司的产品规划师。 这意味着设计工程师不能依靠简单地组合一些特殊应用芯片就称之为硬件设计。他们也不能依靠制造商提供可以生产的参考设计，像PC、蜂窝电话和平板电脑等大批量市场中的做法是行不通的。相反，工程师们必须精心挑选许多元器件，并设法使它们在一起协调工作，最终满足系统性能目标要求。除了激发工程师的创造性外，还要尝试使用所有可用的技术才能让新产品成功上市，并满足性能和成本目标。 与大多数系统一样，产品同样要求符合相关政府部门的法律法规。对业余无线电收发机来说，政府机构最关心的是发射信号的纯度，避免干扰到其它服务。在美国，适用法规是47CFR97.313(d)，“……来自发送频率低于30MHz的基站发射机或外部射频功放的任何杂散辐射平均功率至少要比基频发射平均功率低43dB。”大多数业余无线电收发机是针对全球销售设计的，因此在销售前必须符合种类繁多的其它区域标准(例如CE)。 除了政府法规外，用户对性能也非常敏感——通常愿意为高性能支付更多的费用。实际上对许多工业系统、测试与测量仪器以及医疗设备来说都是这种情况。在低性能系统领域，价格是主要指标，利润非常微薄。换句话说，专注于高性能可以得到良好的回报。 本文将主要讨论几款现代高性能业余无线电收发机的接收侧设计。市场上还有其它的高频收发机，它们是针对商业和政府应用设计的，相比于个人消费者，这些客户可以负担更高的价格。提供高性能的同时满足消费者心理价位将给设计任务增加额外的挑战。 与大多数系统一样，第一件事是定义最差情况下的系统性能要求。对高性能接收机来说，主要指标有灵敏度(能够接收微弱信号)、选择性(能够抑制不想要的信号)以及确定信号链总体线性度的各种方式。线性度非常重要，因为接收多个信号(或单个大信号)的非线性电路将造成难以与实际信号区分的伪信号。与高保真音响发烧友一样，无线电性能痴迷者(无线电发烧友)也有某些测试用例和广播环境可以用来判断一个无线电设备的真实性能。 灵敏度实际上是最容易实现的指标。设计一个具有足够低噪声系数的高频频谱(3-30MHz)接收机相对比较容易，因为系统本底噪声取决于大气噪声，而非接收机噪声。普遍接受的业余无线电接收机最小可分辨信号(MDS)测试用于确定输入射频功率电平，与没有输入信号相比，它需将窄带(500Hz左右)的音频输出提升3dB。大多数现代接收机的MDS指标在-135dBm数量级。 业余无线电是不使用特定离散信道(最近分配的60米频段是使用固定信道的唯一业余无线电频段)的少数几个需要执照的高频无线服务之一。在任何给定的频段，无线电台可以免费使用其它台不在使用的任何频率。信号间隔可能极其小。考虑如图1所示的频谱图形。这张图显示了在2kHz带宽(小于一个典型单边带话音信号的宽度)内有7个单独的连续波莫尔斯码信号。 图1：这幅图的上半部分显示的是在这个频谱分析仪显示屏上占用不到一个单边带话音信号的带宽内有7个连续波信号。下半部分是相同信号的一种滚动“瀑布”图。 选择性可以通过模拟滤波(通常用多极点晶格滤波器)、DSP或两者的组合来实现。模拟/数字滤波的最佳平衡以及在信号路径的何处应用是成本/性能折衷考虑的主要因素，并且伴随着每一代无线电设计在不断改变……就像任何其它系统一样。 线性度是很困难的指标，它决定了一个无线电设备在遇到其它相邻信号时的性能有多好。可以使用各种测试方法来判断一个无线电设备的性能，但即使是针对想要的测试条件构建一个象样的测试装置也很具挑战性。 在一个存在线性问题的接收机中，输入信号足够大就会产生杂散信号。例如，位于1823.5kHz(f1)和1824.0kHz(f2)的信号可能会在2f1-f2或1823kHz处产生三阶互调分量，这个分量正好落在通带中。一旦出现这种情况，无论什么样的滤波方法都无法消除这个信号，因为后面的电路没有办法将它与实际信号区分开来。 当接收机前端出现大量信号时，问题将更加严重。图2显示了在常见的操作过程中产生的50kHz频谱片段。 图2：在常见的广播竞赛中捕获到的这张图显示超过100个不同的信号共享一个50kHz带宽。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 针对测试的设计 在过去十多年中，独立出版的收发器性能评论对购买决策来说正变得越来越重要。目前有两个主要的美国评论资源。第一个是QST杂志，由美国无线电传播联盟(ARRL， www.arrl.org )出版。QST产品评论中使用的测试方法随着时间的推移还在不断增加新的测试项目，目的是提高评估无线电性能的能力，其中包含了制造商声明的指标和实际实验室测量值之间的比较。 另外一个备受尊敬的产品评论资源是Sherwood Engineering( www.sherweng.com )。其经营者Rob Sherwood几十年来一直在从事接收机性能测试，他提供的配套滤波器套件可用来提高接收器性能。 当新的收发机上市时，Sherwood都会做一个彻底的评估，并在他曾测试的几乎每台高端接收机清单中增加测量得到的性能数据。位于Sherwood清单(根据封装空间互调测试结果排名)和QST评论前列的无线电设备厂商可以自豪地声明他们的接收机具有最高的性能。 在写这篇文章的时候，Yaesu FTDX5000D和Elecraft K3位于清单前列，其中Yaesu的无线电设备在ARRL测试中表现出较高的三阶截取(IP3)指标。事实上，这两种接收机在封闭空间动态范围测试中的表现是如此之好，以致于测量都受到了相位噪声的限制(这些无线电设备具有很低的相位噪声！)。 与前代高端无线电设备相比，这些接收机取得如此高分的原因是改变了测试方法，并且重点放在不同的性能指标上。过去，互调测试是在相对宽的信号间距——通常是20kHz上进行的。这意味着第一个中频滤波器可能是5kHz或10kHz宽，而且仍能很好地防止从理想信号消除的20kHz和40kHz信号遇到可能引入非线性的放大器或第二个混频器。许多制造商采用的上变频架构中的第一个中频高于信号频率，从而允许使用更便宜、更小的滤波器，并可以更方便地实现全频段覆盖。 然而，随着性能测试逐渐使用更小间距的两个测试信号(2kHz)，采用在第一个(上变频的)中频点适度滤波的许多接收机表现出极差的性能，因为两个信号都会通过宽滤波器，并穿过不理想的增益与混频级电路。一些制造商回过头去使用较低的中频频率，并开始使用在第一个中频点变得可用的更窄的“修平”滤波器。例如，Yaesu无线电设备在9MHz中频级电路中使用了一个300Hz的滤波器。再加上为了在大信号条件下提供良好线性度而设计的前端，互调动态范围测量就超出了ARRL的正常测试范围，并变得受相位噪声的限制。 在计算型IP3测试中，Yaesu接收机在20kHz和2kHz处的测量值分别是+41dBm和+40dBm，也超出了ARRL的图表范围(Elecraft无线电设备的这个测量值是+29dBm和+28dBm)。 针对这个“互调动态范围”的测试方法是将接收机调谐到期望互调分量的频率，并引入两个干扰源作为间距2kHz的载频，同时提高它们的幅度，直到音频输入电平高过本底噪声3dB。IMD阻塞指数是输入电平和MDS之差，对高性能接收机来说一般接近100dB。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 另外一个难以满足的指标 在超外差式接收机中，输入射频信号通过与可调本振(LO)混频将有用的信号移动到中频段，并进行滤波和放大。本振是非理想的电路，会产生想要频率的信号，也会在这个信号两边扩展出噪声。形成这些噪声边带的机制有很好的文章介绍，它们取决于振荡器设计，比如是简单的LC调谐电路，还是基于锁相环(PLL)或直接数字合成(DDS)的设计。在PLL中，环路带宽决定了相位噪声，也是稳定时间和步长的折衷结果。 无线电接收机中的本振相位噪声效应也经常被称为“相互混频噪声”，测试它的方法是将一个非常纯净的稳定连续波信号应用于待测接收机，然后通过调谐使其远离信号，同时观察在噪声中的上升情况。原则上，如果本振设计理想的话，本振噪声的下变频和检测方式与具有噪声边带的输入信号检测是一样的。 早期的接收机使用模拟LC振荡器产生可调谐的本振，有时也会结合一组固定频率的外差振荡器来扩展范围。利用分立元件实现的PLL技术在20世纪70年代变得流行起来，但在制造商实现理想相位噪声之前也经过了许多反复。 随着20世纪90年代直接数字合成技术(DDS)的普及，收发机制造商开始用DDS来生产具有更低相位噪声的本振。最终随着PLL和DDS芯片性能和集成度的不断提高，将两者结合起来的创新方法可以得到非常优秀的结果。为了使这种应用达到最高可能的性能，大多数收发机设计师使用一体化的PLL与DDS芯片，同时用外部元件和远低于它们最大额定频率的芯片进一步增强它们的性能。 Ten-Tec Orion系列收发机就是使用这种PLL与DDS技术组合达到了特别高的性能。图3显示了这种收发机的功能框图。这个电路的完整描述和详细原理图见 https://www.tentec.com/downloads/manuals/566/566_syn_article.pdf 。 图3：TenTec Orion系列收发机中的本振合成器使用了一对UHF VCO和分频器，并结合PLL和DDS技术达到了超低的闭环相位噪声。 针对高侧注入混频器方案，本振需以1Hz步长从10.8MHz调谐到39MHz，当调谐1.8MHz至30MHz高频频谱时将产生9MHz的中频输出。在工作中实际有两个PLL环路。一个稳定的TCXO和分频器产生两个频率固定为44.55MHz和7.425MHz的输出。7.425MHz信号是粗PLL/VCO的基准频率，这个PLL/VCO的输出可调范围从549MHz至787MHz，步长为7.425MHz。 44.55MHz信号用作DDS的基准。DDS的输出可调范围从2MHz至9.425MHz，步长是20Hz、30Hz、40Hz或60Hz，这个输出将成为使用VCO的锁相环的基准，而锁相环的输出可调范围从541MHz至780MHz，步长同样是20Hz、30Hz、40Hz或60Hz。然后使用第一个PLL的输出作为本振对该信号进行下变频，下变频输出的信号被锁相到DDS输出。 VCO输出也要经20、30、40或60分频为每个频段产生必要的输出范围和1Hz调谐步长。这个电路的DDS芯片最高额定输出频率为300MHz，但工作在低得多的频率，因为杂散输出经判断远高于10MHz，会在本振电路中形成伪信号。 这个设计可以取得非常低的相位噪声，频偏很小时在130dBc/Hz数量级。这种架构的一个有趣的副作用是，当分频比提高时，任何给定频偏处的相位噪声会降低，因而在更低频段会有更低的相位噪声。这是很有好处的，因为在较低频段，相对本地电台的远距离电台信号要比较高频段弱很多。 Elecraft的高端K3收发机在本振产生中使用了不同的方法。设计中同时使用了PLL和DDS技术。图3显示了K3合成器的框图。完整的原理图请参考 http://www.elecraft.com/manual/K3_Schematics_Jun_2010.pdf 。 图4：Elecraft的本振合成器同时使用PLL和DDS技术以及多频段软件控制VCO实现高性能和低功耗。 主频基准是一个固定在49.380MHz的温度补偿型晶振(TCXO)。低功耗的75MHz DDS芯片用来产生PLL的基准，但DDS工作在8.215MHz，只能在很窄的范围(±2kHz，步长0.2Hz)内调整。输出经过一个大约1.2kHz宽的4极点晶体滤波器滤除所有杂讯。一个简单的PLL和一个3极点有源环路滤波器用于可调本振。同时采用了一个复杂的分立VCO设计，总共使用了128个不同的LC储能电路组合，具体由软件根据8MHz至48MHz调谐范围段进行选择。 这两种方法都可以实现优秀的相位噪声性能，如表1所示。 表1：三种高性能收发机的相互混频噪声测量结果比较。三种不同的设计产生完全不同的结果，但所有结果都很优秀(来源：Sherwood Engineering)。 K3收发机是一种模块化设计，一个可选项是增加一个完整的第二条接收链或子接收机。子接收机可以用来监听另一个频率，或监听与主接收机相同的频率，但有一根单独的接收天线，可利用不同方向减小干扰或衰落。第二个可选项被称为分集接收。在一些收发机中，子接收机的性能较低，仅提供有限的分集性能。而K3中的子接收机与主接收机是一样的，本振经相位锁定到主接收机本振，可产生真正的分集接收效果。 TenTec Orion系列和K3都使用DSP进行检测和最终的接收机滤波。Orion中的第一个中频是9MHz，包含窄的修平滤波器。第二个中频位于455kHz。第三个中频位于14kHz，提供给为高性能音频系统设计的24位模数转换器使用。在K3中，第一级8.215MHz中频电路的输出将与固定为8.230MHz频率的本振混频，经下变频到15kHz的第二个中频。信号在这里被原本也是为高性能音频系统开发的24位模数转换器数字化。 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 现在情况完全不同了 Microtelecom公司在 Perseus软件定义接收机 中采用了不同的接收机设计方法，这种方法也许可以认为是强力数字化方法。Perseus接收机具有特别简单的框图，见图5。先是一个前端无源衰减器和滤波器，然后是放大器电路，后面连接着非常宽带的模数转换器，最后是可编程的数字下变频器(DDC)和USB接口。 用FPGA实现的DDC包含一个数字控制的本振(全数字)和一个正交数字混频器，能以100、200或400ksps的速率向USB接口提供基带I/Q输出信号。PC软件对接收机进行控制，并在PC处理器中执行信号检测和解调功能。 图5：Microtelecom的Perseus接收机使用直接射频采样模数转换器和软件无线电架构，避免了模拟接收机的不完善性，但需要使用PC和软件进行信号解调。 整个系统的性能可以与传统全模拟和混合模拟/DSP设计一比。例如，本振相位噪声基本消除了，因为根本就没有本振！唯一的相互混频噪声源是模数转换器中的采样抖动和时钟振荡器中的相位噪声，而时钟振荡器是一个固定频率的高稳定性晶振，非常干净。 聪明的读者会注意到，与TenTec和Elecraft的无线电设备中使用的24位模数转换器不同，Perseus只使用14位的模数转换器分辨率。由于14位模数转换器只能提供约86dB的理论信噪比(事实上，Perseus使用的LTC2206-14模数转换器只能提供大约77dB的信噪比)，这意味着Perseus的可用动态范围要比采用更高模数转换分辨率的其它无线电设备小很多。 然而，包括量化效应和所有其它噪声源在内的这种噪声或多或少会在这种80MSPS模数转换器的整个带宽(从直流到Fs/2(或40MHz))上均匀扩展。如果我们只是关心这个带宽的一小段，比方说500Hz，并用数字滤波器滤除所有其它噪声，那么该带宽内的噪声等于10log(40MHz/500Hz),或低49dB。 这意味着最小可分辨信号电平应低于模数转换器满刻度电平77+49dB或126dB。模数转换器和预放的满刻度电平大约为-6dBm，因此最小可分辨信号实际上是-6减去126即-132dBm，与在模拟域执行大多数滤波并在信号路径末端使用更低速度更高分辨率模数转换器的传统接收机基本一致。 那么这种全数字方法有什么缺点呢？与前面所述的其它收发机不同，Perseus要求使用PC和软件。这种情况下没有耳机或扬声器插座——PC声卡要为用户产生音频信号。也不包含调谐旋钮，因为调谐由PC软件完成。然而，这种方法在将软件无线电技术带到消费价位方面前进了一大步，而且从技术角度看，软件无线电可以达到与混合模拟/数字接收机设计媲美的性能。 原文作者：Doug Grant 【 分页导航 】 第1页：无线电设计在很多方面类似其它设备设计 第2页：针对测试的设计 第3页：另外一个难以满足的指标 第4页：现在情况完全不同了 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

今天许多经验丰富的工程师都是从业余爱好者或业余无线电开始进入电子行业的(关于 “业余无线电”术语的起源有许多说法，但说法不一)。然而，多年来随着时间的推移，这些工程师的工作、家庭和社交要求逐渐占了上风，许多业余无线电爱好者失去了兴趣，他们的执照也相继失效。与此同时，随着个人通信和家庭中互联网连接的蓬勃发展，许多年轻工程师也永远不需要将业务无线电作为研究电子技术的一种方式。他们已经错过了这种极具魅力的业余爱好带来的机会。 准确地讲，第一批无线通信达人都是业余无线电爱好者。Guglielmo Marconi通常被公认为是无线电的发明者，他曾经在一次著名演讲中表示他自己就是一名业务无线电爱好者。在早期的无线电时代，商用、政府和业务电台共享相同的频谱，发送由开/关键控调制的宽带脉冲传输信号，并使用莫尔斯电码传送消息。这样的使用方式导致服务间存在很大的干扰，这种情况一直持续到政府介入并给不同服务分配指定频带才有所改善。 政府和商用电台被赋于想像中更加有用、不到1500kHz的中长波频谱，而业务无线电台被限于不到200米波长、频率超过1500kHz的频谱范围。当时的专家们认为这些频段无法用于长距离通信。 业务无线电爱好者很快发现，实际上在这些频率点长距离通信更加容易实现。随后出台了新的分配方案，政府和商用电台得到了一些“好的”频谱。然而，还是有不少频段保留给了业余爱好者。在20世纪60年代晚期，业余无线电爱好者被要求使用超过30GHz明显没有用的频率。但随着技术的发展，其它服务发现这些频率也有用。业务无线电爱好者现在则喜欢上了300GHz以上的频率专享使用权。 在美国，联邦法规第47篇第97部分掌控着业余无线电服务(参考文献1)。它按以下原则描述了业余无线电服务的基本目的：认识和增强业余无线电服务对公众来说作为一种自愿、非商业通信服务的价值，特别是提供紧急通信服务；继续并扩展业余无线爱好者业已被证明的能力，为无线电艺术的发展作出贡献；在符合规则条件下鼓励和改善业余无线电服务，提升通信和技术阶段中的技巧；扩展训练有素的操作人员、技术人员和电子专家的业余无线电服务范围；继续并发展业余无线电爱好者的独特能力，增强国际亲和力。 执照 联邦法规第97部分要求业务无线电台获得执照才能发射信号。获得业务无线电执照的过程可能长达数年。很多年前，申请者必须通过严格的技术考核，包括凭记忆画出原理图。后来这种考试发生了很大的变化。所有问题现在都是多选题，涵盖技术、操作和法规主题，而且所有问题和答案——包括正确和错误的——都被公之于众。另外，许多国家的政府——特别是美国——已经将测试工作进行了高效的外包。 在美国，现在是由志愿主考官管理考试。志愿主考协调官将考试安排在方便的地方和时间(图1)。在申请者顺利完成考试后，协调官会将需要的数据转发给联邦通信委员会，再由后者颁发带呼号的执照，这些呼号使用前缀和后缀识别每位执照持有人及他或她的执照所在地。在美国，现在有3类执照，每类执照有不同的权利组合，包括允许频段、模式和功率电平。通过更加高级的考试可以使执照持有人获得更多的权利。 图1：一群资深业务无线电爱好者在一次执照考查课上相聚。 不管是哪个类别的执照，美国业余无线电执照申请过程都不再要求具备莫尔斯电码知识。以前这个要求对许多有志于业务无线电的技术型专家来说是一个很大的障碍，因为他们不能或不愿征服莫尔斯电码。具有讽刺意味的是，给连续波(CW)操作保留的部分频段比以往任何时候都更拥挤，而新的执照持有人发现，窄带模式对弱信号工作来说比更宽的宽带模式更加有效，例如单边带(SSB)话音。 许多业余无线电爱好者使用话音模式进行联系，主要是HF频段的单边带模式和VHF与UHF的调频模式。连接HF单边带或VHF调频收发机且安装有声卡的电脑的信号处理能力推动了新模式的出现。即使配置一般的电脑都有足够的速度产生和译码用于传统无线电电报通信的FSK信号。 实验人员制定了调制方案和相关协议，再加上前向纠错机制，即使在低功率和小天线情况下也能支持直接的键盘到键盘交流。使用的各种FSK和PSK信号在传输到扬声器时会发现异常的嗡嗡声和尖叫声，而计算机可以轻松解调这些信号并将它们转换为可读的文本。一些聪明的业余无线电爱好者甚至可以使用电脑的信号处理能力模拟出二战时期机械的文本至无线电系统(如Hellschreiber)产生的信号。 一些业余爱好者还实现了全运动视频信号的传输——通常在VHF或UHF频段，因为在这些频段上有足够的带宽使用。也有爱好者在HF频段使用话音带宽信号和电脑传输静止的照片。数据网络也通过使用各种系统得到了发展，包括TCP/IP。 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 21世纪设备 获得执照的业余无线电爱好者可以在LF、MF、HF、VHF、UHF和微波频段传输信号。如果有一副好的天线，业余爱好者的设备可以在许多频段上实现全球通信。 大多数业余无线电爱好者从商店购买他们需要的设备。多年前，最有名的品牌主要是一些美国公司，比如EF Johnson和Heathkit，现在是defunct Collins、Hallicrafters和Hammarlund。 今天，最流行的品牌主要是些日本公司，包括Icom、Kenwood、Yaesu和Alinco(图2)。一些美国制造商，如Elecraft和FlexRadio，已经进入市场十多年了(图3)，第一批中国制造的收发机正开始出现，它们来自欧讯(Wouxun)等制造商。 图2：Yaesu公司的FTDX-5000高频收发机提供了当前最高的接收机性能。 图3：体积很小的Elecraft K3高频收发机具有很高的性能。 如今业余无线电设备中采用的技术有了长足的发展。大多数高性能的HF/VHF收发机中至少一些调制、解调和滤波功能使用上了数字信号处理技术。仔细划分模拟和数字信号处理部分可以取得最佳性能，今天的无线电设备可以提供出色的灵敏度和100dB动态范围，以及得到数字信号处理技术支持的选择性。虽然大多数无线电设备仍然保持着传统的前面板风格，包括一个大的旋钮用于控制频率，还有许多其它按键和旋钮，但一些较新的软件无线电(SDR)设备，比如FlexRadio的产品，放弃了这种传统面板风格，没有前面板控制，而是采用键盘和鼠标操作方式(图4)。 图4：FlexRadio Systems公司的Flex-5000A软件无线电根本没有前面板控制方式。 手持式VHF调频收发机经过发展现已包含多频段操作、嵌入式GPS、用于显示相邻频谱上信号的频谱分析仪显示器甚至蓝牙。虽然还没有设备达到了智能手机的复杂程度，但触摸屏驱动的无线电设备和互联网连接离我们不会太远了。提到智能手机，目前已有数百种业余无线电应用可供这些手机使用，比如执照预习课程、卫星跟踪和远程站台控制。 然而，并不是所有业余无线电爱好者都是购买现成的设备。一些爱好者选择动手搭建他们自己的设备。业余无线电爱好者通常是富有激情的装配工，经常用邻居那里找到的遗弃的消费电子产品搭建他们的设备。许多业余无线电爱好者理解互调失真和相位噪声等概念，因为他们听说过这些信号的非理想效应，而且他们理解当名义上线性的放大器进入硬压缩状态时会发生什么现象。 自己搭建的无线电设备范围也十分广泛，从特别简单的发射机和接收机一直到真正先进的软件无线电(SDR)系统。在低端领域，一个有创造性的业余无线电爱好者会拆解紧凑型荧光灯泡，找到高速高压开关晶体管以及各类电容电感。然后增加一个3.579MHz的电视彩色脉冲石英晶体(这种晶体正好位于80米业余频段中间)，这些部件就能让他搭建出一台1.5W的连续波发射机(参考文献2)。 简单的接收机也很容易搭建。业余无线电爱好者Charles Kitchin已经开发出一系列超级可重组的接收机，它们都很容易装配，而且工作性能出奇的好(参考文献3)。 高性能软件无线电组织的工作就是研究前沿的无线电设备。这个组织通过合作开发出了一系列使用最新高性能部件的模块，这些部件包括射频放大器、混频器、ADC、DAC、处理器和内存。举例来说，Mercury接收机模块支持直接采样0至65MHz频谱信号，并使用一个130M样本/秒的16位ADC和FPGA实现数字下变频。开源软件执行所有信号处理和控制功能，硬件也支持第三方软件(图5)。 图5：OpenHPSDR向其开源合作性软件无线电设备提供模块化的设计。 对开发自己的软件无线电设备有兴趣的工程师可以搭建或购买射频前端/正交下变频器，并将它连接到电脑的音频输入端，然后购买或编写合适的解调和检测功能软件。将无线电的基带同步与正交输出连接到电脑的左右输入口就完成了所有的硬件工作。一些业余无线电爱好者搭建的软件无线电前端外形尺寸如同USB记忆棒，因此可以从这些USB插座取电。 对于更加倾向于经典模拟无线电设计的人来说，OpenQRP是一个让人感兴趣的项目。“QRP”是低功耗发射机的业余无线电产品缩写(图6)。这个组织的创建者、呼号为K1EL的Steve Elliott为简单的低功耗连续波收发机开发了一种开源的软硬件设计。他将流行的Arduino原型平台中的Atmel微处理器用于人机界面和各种控制功能，并提供PCB和整个器件套件。Elliott还记录了开发过程中的反复试验内容，他的博客可以作为无线电设计的优秀教程(参考文献4)。 图6：这种低成本低功耗的连续波收发机使用经典的具有灵活可编程控制接口的模拟无线电部件。 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 先进性 一些具体的业余无线电爱好可以让你的工程朋友甚至非工程朋友留下深刻印象。当你告诉人家你喜欢业余无线电时，他们经常会问，“你的无线电信号能传多远？”回答有些复杂，你也许能够给他们提供一些令人印象深刻的答案。对于非技术人员来说，我喜欢给出的一个答案是，从我在新英格兰的家开始，这么多年来我最长的联系距离是美国德州——这可是绕了很长的路哦。 大约20年前的一个上午，我正在15米、21MHz频段操作，并将我的方向束天线对准了欧洲。这时一位德州的朋友呼入，并说他只有将天线指向太平洋时才能听到我讲话。我们尝试了很多方法，最后得出结论，我们事实上彼此隔着很远的距离在讲话。高频传播在一天的不同时段和不同季节能展示出令人感到有趣的不同行为，而长距离联系相对很普遍。 一些业余爱好者还在微波频段试验其它让人感兴趣和非同寻常的地面传播模式。2010年，一群法国和瑞士的业余爱好者利用蒸气管道——在海平面上方大约10米至20米的低空中的一个水平层传导无线电信号，他们体验到比其它传播路径更低的衰耗。这些爱好者使用这个管道以5.7GHz和10GHz的频率在佛得角和葡萄牙之间建立了双向的单边带话音联系，这个距离长达2700公里或接近1700英里。发射机的功率是15W至25W，天线是直径大约为1米的小型碟形天线。 多年前，诺贝尔奖获得者、天体物理学家Joe Taylor(呼号为K1JT)为各种VHF/UHF通信开发了称为WSJF(弱信号Joe Taylor)的协议与调制方案套件。在正常环境下，VHF和UHF信号的传播距离只有几十或几百英里，具体取决于地形、天线增益和功率。WSJT改变了这种情形。 有个版本的协议主要在电离流星余迹的射频反射路径中使用，这种路径的持续时间不到1秒。它能以速度大约相当于每分钟100字或441波特的速度发送一个30秒长的4音FSK序列，可以在生存期极短的路径上获得足够的比特来交换呼号和信号报告。无线电台轮流发送和接收，交换某些细节以验证路径的每端成功地完成了信号的检测和译码。虽然很多年来美国军方一直使用流星散射通信，但这种模式通常要求大型天线和高功率才能成功。Taylor系统让较小台的台主也能成功实现流星散射通信。 另外一种WSJT模式是从地球到月亮再到地球或“月亮反弹式”通信，它使用月亮作为被动且不很高效的反射器。从月亮反弹回来的144MHz信号大约2.5秒后返回地球，功率比离开地球时减弱了近250dB(图7)。这个数据不是错的，路径损耗就有250dB。 图7：月亮反弹式双向通信使用WSJT免费软件。 几十年来业余无线电爱好者一直在从月亮反弹信号，但只有拥有大功率发射机、非常灵敏的接收机和巨大天线的爱好者才能使用传统的连续波或单边带话音模式实现通信。假设发射机的功率为1000W或60dBm，发射机和接收机的天线增益都是20dBi，接收到的信号将是-150dBm。高性能接收机可以检测到这个窄带宽的微弱信号。一些业余无线电爱好者有时候使用架设在Arecibo、Puerto Rico的著名1000英尺射频天文碟形天线做月亮反弹试验。在432MHz的业余频段，这种碟形天线具有约60dB的增益，可以用单边带和连续波模式实现与简单基站的双向联系。 Taylor的WSJT月亮反弹系统使用了一种近1分钟长的65音FSK调制序列和相当强的内置编码和纠错功能。幸运的是，现代PC机完全能够胜任编码和解码任务，它可以解码2.4kHz带宽内电平低于噪声24至28dB的信号。现在拥有简单的100W发射机和天线尺寸不大于电视天线的电台在正常情况下就可以与远在数千英里之外的电台进行通信，只要双方都能“见到”月亮。 业余无线电爱好者还使用除了月亮之外的其它卫星进行通信。经过多年的努力，业余爱好者设计、建造和发射了100多颗人造卫星，这些卫星通常携带一个或多个信标；用于各种内部管理功能和学生实验负载的遥感勘测信道；一个或多个异步雷达收发机，它们将一个业余频段用于上行链路，另一个频段用于下行链路。ARISSat(国际空间站卫星上的业余无线电台)－1是在两位宇航员太空行走期间发射升空的。 许多太空人和宇航员拥有业余无线电执照。美国无线电传播联盟(ARRL)的ARISS计划经常安排国际空间站上的宇航员和学校小组进行演示交流。对业余无线电爱好者来说ARRL作为国家性联盟已近100年了。它出版的许多书籍涉及业务无线电爱好的方方面面，并且还有学习指南和手册。 呼号为KB6NU的Dan Romanchik是一位具有40年经验的资深业余无线电爱好者，也是一位经验丰富的电子工程师。他经常在销售套件的许多公司分享他的资源。这些套件不仅搭建时很有趣，而且是对 这个关联博客 贴子中的业余爱好者接收机的有用补充。 业余无线电可以丰富你的已有爱好。一些爱好者在“猎狐行动”中将徒步横渡旷野竞赛与无线电定向结合在一起。组织者将一系列小型无线电发射机藏匿在覆盖数平方英里的指定区域内，竞赛者必须使用便携式无线电设备和定向天线去定位每只“狐狸”。这种竞赛运动不仅要求技术技能，还要有奔走能力。另外一种活动则将爬山与业余无线电爱好结合在一起。登山者携带轻型电池供电的无线电台和便携式天线，可以充分利用由于高海拔可能带来的优秀信号传播性能。那些从许多山峰开始广播的操作者以及与他们取得联系的人可以在这种体育赛事中获奖。另外，许多海员也申请了业余无线电执照，并在他们的船只上安装了业余无线电设备。除了用于娱乐消遣外，还可在船上所有其它无线电系统发生故障时用作紧急备用设备。 当所有其它通信设备发生故障时，那些在社区中表现活跃的业余无线电爱好者经常组织出面与当地和区域性公用安全机构协调提供紧急通信。虽然大多数有线和无线通信系统依赖于在自然或人为灾难下基本不能幸存的基础设施，但业余无线电爱好者只需要一个无线电台、一个电池和一段导线就能开始广播。 参考文献 1. Part 97, Title 47, Federal Communications Commission, Sept 7, 2006, pg 587. 2. "Das DereLicht" 3. Kitchin, Charles, "A Short Wave Regenerative Receiver Project." 4. OpenQRP 原文作者：Doug Grant(呼号K1DG) 【 分页导航 】 第1页：执照 第2页：21世纪设备 第3页：先进性 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载