【火腿DIY】聆听遥远的声音｜用长线天线搭建一款接收短波信号的SDR电台系统
绘图：Emily Cooper
通过软件定义无线电应用感受远方的频率
用一块上变频器板+简易长线天线进行远距离通信系统搭建
传统接收机都是以滤波器，混频器，放大器等形式硬件组成的，但软件定义无线电SDR是硬件和软件的混合体。SDR设备看起来像一个简单的硬件，上面仅有天线端口，数据端口，并且上面有某种LED指示灯可以让您知道设备何时运行。在某些型号的SDR设备上有一个单独的电源端口，额外的天线连接，电源开关，以及可能的一些其他功能；然而，“黑盒子”SDR通常看起来像一个不起眼的便携式计算机硬件， 就像我们的移动硬盘一样。
如何设计用于接收数字电视广播的廉价USB加密狗可以充当软件定义的无线电设备一直是个有意思的项目。有了加密狗和电视天线，我可以解码一系列令人印象深刻的模拟和数字无线电传输的信号，从大约50兆赫到2千兆赫。
照片：Nicholas Eveleigh
但我想要更多。我希望将频率范围扩大到50 MHz以下，进入短波频段，接收商业广播和业余电台的信号，这些信号可以在全球范围内通过电离层远距离传输。
这需要在原始设置中添加两个组件：上变频器和更好的天线。上变频器将无线电信号转换到更高的频率，因此合适的上变频器甚至可以将最低频率的信号置于加密狗的调谐范围内。（也可以打开加密狗并将天线直接焊接到RTL2832U解调器芯片上，这样可以在没有上变频器的情况下在更宽的频率范围内工作。但这可能会使芯片面临静电放电损坏的风险，我想保留加密狗的外形，以方便旅行。）
对于上变频器，我以43美元的价格从NooElec购买了Ham It Up v1.2（大约是电视调谐器本身成本的两倍）。Ham It Up将低于50 MHz的传输速率提升至125 MHz。Ham It Up是一款由微型USB连接器供电的裸机电路板，技术上是一种套件。但是组装只需要能够以正确的方式将4针振荡器晶体推入插座。该板使用SMA连接器连接连接到加密狗的电缆和您正在使用的任何天线。我没有合适的电缆，所以我使用了一些Frankensteinian适配器和电缆线。
举个例子，苹果在2010年6月发布iPhone 4之后不久，不少用户就开始反映手机在信号接收方面存在问题，尤其在用户手握iPhone 4左下角时，就会出现信号减弱或通话中断的情况。这次被称为“天线门”的事件导致苹果公司iPhone 4的天线设计付出了高昂的成本，因此天线往往是任何无线电系统成功的决定因素：世界上所有的数字设计都无法从物理学中抽象出去。在尝试接收50 MHz以下发射的信号时，各种波段的波长可以在10到160米之间变化，我需要一根比我一直使用的电视兔耳长得多的天线。
新旧产品对比：使用我的软件定义无线电在长波段调谐意味着挖掘出随机长线天线和匹配网络的旧计划。我将天线导线穿过我建筑物的屋顶平台顶部并将其连接到我的上变频器板（左下方）的自制匹配网络（右下方）。在将信号传输到笔记本电脑之前，电路板将波长移动到我的USB调谐器加密狗可以接受和数字化的范围内。
如果预算充足，用于这些频段的市售天线很容易就能达到数百美元。这对我的预算来说有点超支了，无论如何我没有任何地方可以放一个这样的庞然大物，就像我在三楼租房一样生活。
所以我选择了“随机长线天线”，这意味着可以尽可能高地通过最长的导线接收信号，无论什么方向，怎么弯曲都可以。我的邻居不介意我在房子外面布天线，所以我的天线穿过房子上的一个方形的屋顶甲板的周边围栏，直到我的工作室，穿过的单股铜线约20米。
随机线天线（Random Wire Antenna）由一段非特定长度的简单线组成。很多人认为它是一种单极天线；然而，它与任何特定频率不一致，这是单极天线的定义方面之一。随机线天线通常可用于不适合搭建天线、不实用或预算有限的天线架设。
当天线遇到电磁场时，它会产生共振，从而产生与场频成正比的电信号。这就是天线接收无线电信号的方式。类似地，当天线发射时，向其发送电信号使其谐振，产生与电信号成正比的电磁场。天线的物理长度决定了谐振的频率。
调谐天线的动作是调整天线的物理长度，使其在特定频率下谐振，使其能够以该频率有效地发送或接收信号。随机线天线不是任何特定长度；因此，它们与任何特定频率都不一致。结果，它们往往功能不良并且在接收或发送信号时仅转换少量可用功率。
但我不能将这根导线插入上变频器，并期望得到很好的结果：天线的阻抗必须与接收电路相匹配，无论我试图接收什么频段。根据1986年7月QST杂志的介绍，我搭建了一个非常简单的自制“匹配网络”，包括一个感应线圈和一个我躺在周围的可变气隙电容器。我通过在圆柱形水瓶周围缠绕约30圈电线并刮掉每个环顶部的绝缘层来制作感应线圈，以便为鳄鱼夹创建一个分接点。我取下瓶子后，用胶水和一条木条将线圈固定到位。然后我将这些部件安装在电路板上，并将电容器接地到散热器管道。
我将上变频器连接到我插入MacBook Pro的加密狗，然后启动了相同的图形SDR接口-Gqrx-I。调谐到频段只需要一点点补充：例如，对于80米频段（3.5到4.0 MHz），我将Gqrx设置为3.5 + 125 = 128.5 MHz。我可以立即在显示屏上看到一些微弱的尖峰，表明传输。当我沿着匹配网络的感应线圈将鳄鱼夹从一头移动到另一头时，我看到尖峰从背景噪声上升，直到我尽可能地匹配天线。我预计必须转动可变电容进行微调，但这些调整似乎没有太大区别。
25 MHz以下的许多短波无线电台证明了确保系统正确调谐的方便性。我还能够从北美及其他地区的业余无线电爱好者那里获取语音和莫尔斯电码。波段长距离传输信号的程度取决于电离层如何受到诸如一天中的时间和太阳黑子活动量等因素的影响。到目前为止，我已经拥有80米和40米波段的最佳成绩。
对于莫尔斯电码传输，仍然受到无线电爱好者尝试远距离通信的欢迎，我买了一个解码器应用程序（HotPaw的莫尔斯电码解码器，10美元；可用于iOS和Android设备）。使用该应用程序，将我的智能手机放在扬声器上，将可听见的点和划转换为用hamspeak自动编写的消息。例如，该软件将一个莫尔斯代码传输转换为“cq dx de ik2cio”，这意味着“呼叫者IK2CIO希望与远处的任何人交谈。”我很高兴地发现那个呼号的无线电爱好者位于意大利。
当然，我无法回话，因为我现在的SDR装备无法传输。但是，从空中接收这些低功率，长距离的声音和信息仍然是令人兴奋的事情。互联网使国际通讯变得微不足道，但是通过软件定义无线电，即使没有庞大的无线电设施，依然能接受到来自远方的信号，你和DIY的小电子产品在不断的搜寻远距离信号，接收到来自地球另一端拥有电台设备的业余无线电爱好者的对话，感受生命的律动和地球的脉动。
这一切真的很美！