中文互联网上关于这个波段的介绍太少了,四处搜集翻译了一些资料,以便给从未了解这一频段的ham朋友抛砖引玉,希望更多的人活跃于这个频段。由于时间有限,目前还在不断撰写完善,如有错误欢迎指出交流。
历史与来源
136kHz很可能是业余无线电爱好者最早操作使用的频段。早在无线电发展的蛮荒时代,在法律还没有对空中的电波做出任何限制时,早期的无线电爱好者就已经用线圈、莱顿瓶和类似今天白金机那样的变压器,在小屋里滋滋的操作电火花,少部分能量进入耦合的天线里,进入无垠的天空中。
但是实际上,136kHz是一个相当年轻的业余频段。法律真正许可136kHz给业余频段始于2007年11月9日。当天,在日内瓦举行的国际电信联盟 2007 年世界无线电通信大会 (WRC-07) 同意将 135.7–137.8 kHz 以次要业务划分给业余业务。虽然早在ITU分配前,一些国家就已经基于CEPT / ERC Recommendation 62-01 E ("Use of the band 135.7–137.8 kHz by the Amateur Service", Mainz 1997)
将这一频段许可给业余业务。该建议书建议将135.7-137.8kHz以次要业务划分给业余频段,最大功率为E.I.R.P. 1W。在这之前,130–148.5 kHz的频段的主要业务是水上移动业务和固定业务。主要用户是海军潜艇的单向传输和无线电定位系统。
此外,ITU 2区的一些国家还许可了LowFER频段,比如美国和加拿大允许任何人(不需要无线电操作证明,只需要提交申请)在160-190kHz之间进行无线电通讯实验。但是要求:
- 最终射频阶段的总输入功率(不包括灯丝或加热器功率)不得超过1瓦。
- 传输线、天线和接地线(如使用)总长度不得超过15米。
- 所有160 kHz以下或190 kHz以上的杂散发射应至少低于未调制载波-20dB。是否符合20dB衰减要求的判定可以基于对电台天线输出端的测量。如果电台使用永久性附加的天线,此时应通过测量辐射电磁场来验证合规性。
我国的法规现状
我国的135.7-137.8kHz业余频段起源于2010年12月1日起施行的 《中华人民共和国无线电频率划分规定》(工业和信息化部令 第16号)
为适应无线电业务和无线电技术的发展,满足我国各行业、各部门对无线电频率资源的需求,并与《无线电规则》中国际频率划分保持一致,根据《中华人民共和国无线电管理条例》的相关规定,工业和信息化部于2008年决定对2006年颁布实施的《中华人民共和国无线电频率划分规定》进行修订。
目前该频段业余业务频率划分状况为:次要业务
135.7—137.8 固定 水上移动 无线电导航 [业余]
5.64 固定业务电台在划分给该业务的90 kHz与160 kHz(在第一区为148.5 kHz)之间频带内和水上移动业务电台在划分给该业务的110 kHz与160 kHz(在第一区为148.5 kHz)之间频带内,只准使用A1A或F1B、A2C、A3C、F1C或F3C类发射。水上移动业务电台在110 kHz与160 kHz(第一区为148.5 kHz)之间频带内,例外地也可准予使用J2B或J7B类发射。
5.67 附加划分:在蒙古国、吉尔吉斯斯坦和土库曼斯坦,130-148.5kHz频段亦划分给作为次要业务的无线电导航业务。在这些国家内和国家间,此项业务具有平等运行权。(WRC-07)
5.67A 使用135.7-137.8 kHz频段内频率的业余业务台站,其最大辐射功率不得超过1瓦(e.i.r.p.),且不应对在第5.67款所列国家内运行的无线电导航业务台站造成有害干扰。(WRC-07)
5.67B 在阿尔及利亚、埃及、伊朗伊斯兰共和国、伊拉克、黎巴嫩、阿拉伯叙利亚共和国、苏丹、南苏丹和突尼斯,135.7-137.8 kHz频段的使用限于固定和水上移动业务。在上述国家,业余业务不得使用135.7-137.8 kHz频段,授权此类使用的国家应将此考虑在内。(WRC-12)
天馈系统
136kHz几乎所有的天线都是缩短的天线,效率几乎都小于1%。意味着要满足法律规定的E.I.R.P. 1W 往往需要几百上千瓦的功率。
该波段最常见的天线是垂直辐射天线(又叫马可尼天线)
图为WD2XNS的T型天线 WD2XNS的网站
图为泰坦尼克号的T型天线
图为典型的T型天线形制
这种天线从上到下可以概括为:
与地面作用构成加载电容的水平导线
主要辐射能量的垂直引下线
负责匹配的电感。
顶部水平部分和地面形成电容,辐射能量几乎可以忽略不计。为了增加电容值,可以使用多个平行导线并排,以提高辐射效率。
垂直部分是几乎唯一能有效辐射的部分。由于136khz的波段极长,即便水平架设高度几十米,地面效应依旧很严重,此时只有垂直部分能有效辐射能量,因而设计上应该使垂直部分尽可能的高。理想的马可尼天线应当高达1/4波长,即500米以上。这个高度对于业余爱好者来说几乎不可能。故天线设计一般要向实际架设情况妥协,发挥ham的主观能动性充分利用周围环境设计。
对于这样的短天线,理论上应该有很小的实部电阻(一般几欧姆)和庞大的负电抗。为了抵消大把的电抗,在底部用电感来抵消使天线谐振。为了尽可能提高辐射效率,追求高Q值,一般使用自行DIY绕制的庞大的空心电感。高Q值的另一个影响是极窄的天线带宽,为了天线能在135.7-137.8khz上都能谐振,还需要留有可调电感的设计。
WD2XNS的可变电感,使用内部反方向绕制的电感和减速电机来微调感值。
W5JGV的电感,设计了一系列的抽头以便调节。
类似这样的铁氧体电感同样是可行的,但是铁氧体电感的Q值相对空气电感较低,一般只有几十。图中的电感使用PC95材质绕制,感值6mH。
由于电感体积相当庞大,中部加载电感并不常见,但还是有ham实践过。
ON7YD的垂直天线,带感应式顶部负载 将原本的L1线圈分成 L1 = 2.3mH 和 L2 = 1.9mH 两部分,PA0SE 和 DK8KW 的测量显示天线场强增加了约 4dB。
此时若电感完全抵消电抗,天线阻抗不一定在50Ω,还需要配合变压器(也就是ham常说的巴伦)或者其他匹配电路来进一步变换阻抗。
图为WD2XNS的变压器,使用FT240-77材质的磁环。77材质是常见的用于1MHz以下的锰锌铁氧体材料,可以用国产的MXO-2000平替。
下面是一些很有用的参考网站:
ON7YD,长波136kHz天线介绍(十分推荐阅读)
短天线调谐
此外还有其他类型的天线
G3YMC的环形天线
@BH6BEZ 在2200m实践中使用了80米长线+终端负载的行波天线,使用10瓦功率在110公里外获得了FST4W-120 -11db的强度。
常用的模式
CW
最基本最普适的模式,但是在长波段并不常见,原因是CW需要的信噪比远比其他模式要高。
QRSS和DFCW
QRSS 是一种 非常慢的CW模式,名字来源于“QRS”,意思是请降低拍发速度。这种模式下,接收器带宽急剧减少,WPM速率减慢到超过通常人耳可读的速度,通常的速度小于2-3wpm。
一般我们改用点时间dot time,即发送一个点需要的秒数来量化QRSS速度,3s dot就是每个“Di”发送3秒,等于0.4wpm。60s dot就是0.022wpm,按照60s dot发送我的呼号“BH3PTS”就需要足足1小时3分钟。
由于接收噪声与接收器带宽成正比,因此在 QRSS 中使用小于 1Hz 的带宽是很常见的。这样,接收端选用很慢的频谱速度,可以设计出平均每秒音频进入每个像素点的频谱图。通过这种方式对音频进行平均,噪声电平(随机且平均为零)会低于信号电平,从而可以在频谱图上让低于环境底噪的信号显现出来,人眼就能在频谱上辨别出原本低于底噪且无法被听到的的QRSS信号。但同时由于使用的带宽较窄,频率稳定性对于接收器和发射器都至关重要。
DFCW与QRSS相似,不同的地方是DFCW使用微小的频率偏移(甚至可以只偏移0.1Hz)来表示点和划而不是长度。这样的优点是可以减少发送时间,代价是需要更宽的带宽,更稳定的晶振或者DDS。由于使用两个频率,因此每点频率都会受到噪声和干扰的影响。
目前常用的QRSS接收软件FSKview ,Spectrum Lab、Argo、LOPORA 和 QRSSpig
PSK31
PSK31 由英国业余无线电操作员 Peter Martinez G3PLX开发并命名,并于 1998 年 12 月被引入业余无线电。PSK31 在保留相位的传播路径上工作良好,并且抗衰落 (QSB) 性好。然而,它可能会受到传播模式(例如跨极路径)的不利影响,其中极光“颤振”或多路径会破坏信号相位的连续性。
根据经验,psk31解码所需的信噪比往往比人耳能识别CW的最低信噪比要低6dB。但是psk31缺点也很明显,需要线性的发射设备和功放,因此不能由便宜、高效的D类发射机或功放发送。随着各种FSK模式兴起,PSK31逐渐沉寂。
JASON
JASON 起源于 2005年,基于 Steve Olney (VK2ZTO) 开发的 IFK(增量频移键控) 技术。该技术可以有效避免由于电台接收器失谐和频率漂移引起的误码,同时增强对多径传播和码间干扰的抵抗力。具体而言,信息通过发送的两个频率之间的差值的绝对值进行编码。这种方法的优势在于,它不要求精确的初始调谐,几赫兹的调谐误差完全可以接受。保守估计,JASON 在 136 kHz 频率下只需要 ±31 ppm 的频率稳定性。另外,由于频率是逐一发送的,即采用了 FSK 模式,因此不需要线性放大器,一个 D 类 MOSFET 发射机即可满足需求。尽管 JASON 每分钟的传输字符数较低(大约 2.5 个字符),但相比 QRSS,它仍具有一定的优势。
JASON 设计的频率差值共有 16 个不同的值。发送一个音调后,接下来的音调会根据需要向上或向下调整适当的频率差值,这取决于 USB/LSB 开关的设置。由于有 16 种可能的频率差值,系统需要 17 个音调槽(即音符),任何溢出都会导致音调回绕。
每个波特(波特是指信号中的变化,这里特指频率变化)编码 4 位(即一个半字节,或称为 nibble)。但由于 4 位无法满足完整字母表的需求,因此我们使用两个半字节来表示一个字符。
JASON实现实现字符同步,即如何确定高位半字节和低位半字节,是通过每个半字节的最高位来编码此信息。高位半字节采用 ‘1xxx’(二进制)表示,低位半字节则采用 ‘0xxx’(二进制),其中 xxx
代表实际传输的数据。
这样,6 位信息就足以表示一个字符,能编码最多 64 个符号。我选择了 ASCII 码中从 x'20'(空格)到 x'5f'(下划线)之间的字符集。这使得我们可以传输所有的大写字母、10 个数字和常用的标点符号。
JASON标准速度(Normal)设置参数如下:
默认的接收机(Rx)和发射机(Tx)中心频率为 800 Hz。
每组 17 个音调之间的间隔为 3 个 FFT bin,以保证正交性。
对于标准速度设置,每个 FFT bin 大约是 0.084 Hz,因此音调槽之间的距离大约为 0.252 Hz,总带宽占用约为 4.038 Hz。
每个波特(即每个发送的音调)大约持续 11.89 秒(即 FFT bin 宽度的倒数)。
因此,在标准速度设置下,JASON 的吞吐量约为每分钟 2.5 个字符,虽然速度较慢,但相比 QRSS,仍有一定优势。
以下是 JASON 三种模式下的参数:
速度 | 音调持续时间 (秒) | 音调间隔 (Hz) | 带宽 (Hz) | 每分钟字符数 (Turbo 关闭) | 每分钟字符数 (Turbo 打开) |
Slow | 95.2 | 0.03 | 0.5 | 0.3 | 0.6 |
Normal | 11.9 | 0.25 | 4 | 2.5 | 5 |
Fast | 1.5 | 2 | 32 | 20 | 40 |
JASON 能在 -25 dB 的信噪比下进行有效通信。
JASON的网站:Jason官网
WSPR
WSPR(发音为“whisper”)是 Weak Signal Propagation Reporter 的首字母缩写。它是一种计算机程序实现的协议,专门用于在业余无线电操作员之间进行弱信号无线电通信。该协议由 Joe Taylor(K1JT)设计并在 2008 年编写了一个程序,用于在中频(MF)和高频(HF)频段上进行低功率传输实验,测试无线电波传播路径的性能。由于其高灵敏度,WSPR 很快在 136 kHz 等较低频段的弱信号通信中得到了广泛应用。
WSPR 的工作原理类似于信标(Beacon)发送模式,每次发射都会发送操作员的呼号、地理网格定位(Grid Locator)和发射功率(以 dBm 为单位)。
WSPR 的一个关键特性是其能够使用非常低的发射功率进行长距离通信,这使得它成为测试无线电波传播、进行远程信号监测和收集大规模传播数据的理想工具。其灵敏度可达到 Bw 2500 Hz -28 dB。
WSQ2
简介
WSQ是一种为LF(低频)和MF(中频)波段设计的弱信号QSO模式,旨在提供与WSPR类似的灵敏度,同时比JASON等模式更快,适用于在极弱信号下进行实时通信。WSQ由Con ZL2AFP和Murray ZL1BPU在2013年共同开发,使用了全新的增量频率调制(IFK)设计,并结合文本压缩技术,使其能够在低于-27dB信噪比(SNR)下进行有效通讯。ZL2AFP 希望有一种模式能够达到WSPR的灵敏度,同时比当时流行的JASON更快的发射速度以适应QSO的双向通信。于2013年底编写了 WSQ2 的原始版本。WSQ相比于当时常见的数字模式,提供了更高的信号接收灵敏度和较快的通讯速度。特别是与JASON(-25db)和DominoEX(-16db)相比,WSQ在符号传输效率上有显著优势,可以在极弱的信号条件下实现较快的信息交换。
不像WSPR那样需要复杂的错误纠正,WSQ通过使用IFK 增量频率键控避免了电台接收器的失谐和频率漂移导致的误码,更能抵抗多径传播引起的多径干扰和码间干扰。通过长时间积分,WSQ能够有效抑制冲击噪声,并在-27dB SNR下可靠接收信号。采用变长编码(Varicode),频繁使用的字符通过更少的符号发送,大大提高了发射速度。
WSQ使用33个频率,频率间隔为1.953125Hz,采用相位一致的MFSK调制方式,每个符号持续2.048秒。每个符号承载更多信息,因此尽管符号速率较低(0.512波特),但发射速度可达到每分钟5至7个字母,显著高于JASON等其他模式。WSQ的设计使其在噪声较大的环境中能够高效工作,尤其适合在LF/MF波段中进行弱信号通讯。 WSQ主要设计用于实时QSO(交流通信),并不适合用作信号探测或信标。它适合在160米、630米、2200米等长中波段进行弱信号通信,尤其适用于较深的衰退和较慢的信号衰落环境。
WSQ2 的原始版本ZL2AFP WSQ
DL4YHF的改进版本DL4YHF's extended variant of WSQ / WSQCall
JT9
JT65虽然很适合用于长波段上极弱但变化缓慢的传播特性,但由于它最开始设计用于EME和对流层散射,它占用的频率非常宽,不适合在狭窄的136kHz段发射。于是Joe K1JT使用与 JT65 相同的逻辑编码,针对 MF 和 HF 频段进行了优化设计了9-FSK编码的JT9,当然也可以用在136kHz。JT9 比 JT65A 灵敏度高大约2dB,最低可以在-27dB(2500Hz带宽)下解码,同时占用小于16Hz的带宽。
FST4和FST4W
FST4 和 FST4W 是两种特别设计用于长波和中波的两种现代数字通信协议。在这些频段上,该协议的基础灵敏度比其他使用相同序列长度的 WSJT-X 模式更好,接近其信息吞吐率的理论极限。FST4 主要优化用于双向通讯(QSOs),而 FST4W 适用于类似 WSPR 的准信标消息传输。与像 EbNaut 这类模式需要严格独立的时间同步和相位锁定不同,FST4 和 FST4W 不要求这些条件。
这两种新模式采用 4-GFSK 调制方式。FST4 提供 15、30、60、120、300、900 和 1800 秒的 T/R 序列长度,而 FST4W 则省略了 120 秒以下的长度。各子模式的名称为 FST4-60、FST4W-300 等,数字表示序列长度(单位:秒)。消息有效载荷与 FT4、FT8 和 MSK144 相同,包含 77 位数据,FST4W 的 WSPR 风格消息则包含 50 位数据。与其他 77 位和 50 位模式类似,WSJT-X 显示的消息格式也相同。前向错误校正使用低密度奇偶校验(LDPC)码,包含 240 个信息和奇偶校验位。传输由 160 个符号组成:120 个承载信息的符号,每个符号包含两个比特,间隔着五组预定的 8 个同步符号。
FST4 和 FST4W 各子模式的基本参数如表格所示。阈值灵敏度(即在 2500 Hz 带宽下,解码成功概率为 50% 时的信噪比)是通过在加性白高斯噪声(AWGN)通道中进行仿真测量的。
发射时间(s) | Symbol Length (s) | 音调间隔 (Hz) | 占用带宽 (Hz) | FST4 信噪比(dB) | FST4W 信噪比 (dB) |
15 | 0.060 | 16.67 | 67.7 | 20.7 | |
30 | 0.140 | 7.14 | 28.6 | 24.2 | |
60 | 0.324 | 3.09 | 12.4 | 28.1 | |
120 | 0.683 | 1.46 | 5.9 | 31.3 | 32.8 |
300 | 1.792 | 0.56 | 2.2 | 35.3 | 36.8 |
900 | 5.547 | 0.180 | 0.72 | 40.2 | 41.7 |
1800 | 11.200 | 0.089 | 0.36 | 43.2 | 44.8 |
FST4-60 比 JT9 灵敏度高约 1.7 dB,主要因为它在适当的情况下使用了多符号块检测。使用 FST4 的 AP 解码时,这个差异可以达到 4.7 dB。FST4-120 及更长序列长度的模式灵敏度相对更高。FST4W-120 比标准 WSPR 灵敏度高约 1.4 dB,而使用 30 分钟序列的 FST4W-1800,其阈值 SNR 可接近 -45 dB。我们强烈建议在 LF 和 MF 频段使用 JT9 和 WSPR 的用户转而使用 FST4 和 FST4W。
你可能会想到这些新模式的其他应用,除了这里讨论的应用之外。请记住,这些模式带宽非常窄;要实现表中列出的灵敏度,需要振荡器漂移和路径引起的多普勒频移必须小于音调间隔,并且要保持在整个序列长度内。例如,短序列子模式 FST4-15 在 50 MHz 电离层散射路径上表现非常有效。在传输时长的极端应用上,VK7MO 和 VK7ZBX 使用 FST4W-1800 成功地进行非视距光学散射通信,跨越了长达 153 公里的阻挡路径,采用了 LED 阵列、菲涅耳透镜和光电探测器。
其他模式