Прием сверхдлинных радиоволн в домашних условиях12.11.2017 12:36

Сверхдлинные радиоволны — это целый мир, наполненный множеством сигналов — сфериками и свистами, генерируемыми молниями, возможно, за тысячи километров от места приема, привычными «точками» и «тире» морзянки, сигналами точного времени и цифровой передачи данных:

Сверхдлинные волны (СДВ) (ранее применялся термин «ультрадлинные волны» (УДВ)) — сигналы с частотой менее 30 кГц (по отечественной классификации). За рубежом для этого диапазона часто используются аббревиатуры VLF (very low frequency) и ELF (extremely low frequency), причем в разных источниках конкретные полосы частот для этих диапазонов различаются.

Немножко истории

Первый мощный СДВ-передатчик был введен в эксплуатацию в 1943 году в Германии, а «пользователями» были безбашенные (вряд ли в той войне был еще один род войск с таким процентным уровнем потерь) ребята из подводного флота Кригсмарине. Вот так выглядела СДВ-антенна на рубке U-Boot:

Порог вхождения в этот мир совсем невысокий — требуется антенна, усилитель и ноутбук с соответствующим программным обеспечением. Далее я расскажу о своей немудреной снасти для приема на СДВ.
Антенна
Для приема сигналов в диапазоне единиц — десятков килогерц я использую рамочную антенну в виде квадрата с длиной стороны 26 см, намотанную 50 витками эмалированного медного провода радиусом 0,1 мм с омическим сопротивлением обмотки 45 Ом):

Диаграмма направленности рамочной антенны в горизонтальной плоскости (при расположении плоскости витков вертикально) имеет вид «восьмерки»:

Если плоскость рамки параллельна направлению на радиостанцию (рамка «стоит боком»), то уровень принимаемого рамочной антенной сигнала максимален. Если же плоскость рамки перпендикулярна направлению на радиостанцию, то уровень принимаемого сигнала минимален. Это позволяет применить для определения направления на передатчик амплитудный метод с пеленгацией по минимуму (более точный, чем по максимуму). Минимум принимаемого сигнала имеет место в направлении, перпендикулярном к плоскости витков рамки. Антенна при пеленгации поворачивается до положения нулевого приема.

Усилитель
Для усиления сигнала с антенны я использую двухкаскадный усилитель (схема с общим эмиттером) на биполярных транзисторах. Вот модель этого усилителя в LTspice:

Фотографию усилителя публиковать не буду, чтобы никому не причинить моральных страданий (он собран моим любимым методом приклеивания деталей на картон :-)).
Антенна подключена к входу усилителя коаксиальным кабелем для снижения помех.

Ноутбук/нетбук
Выход усилителя подключается к аудиовходу (микрофонному либо линейному) ноутбука или нетбука. Я использую для оцифровки входного сигнала режим с частотой дискретизации 96 кГц разрядностью 16 бит.

Программное обеспечение
Для мониторинга эфира в режиме реального времени я использую программу Spectrum Lab (скачать можно здесь) версии V2.90 b14 немецкого радиолюбителя Wolfgang Büscher с позывным DL4YHF:

При первоначальной настройке я задал частоту оцифровки 96 кГц:

и расширил отображаемое окно частот на весь диапазон от 0 до 48 = 96/2 кГц:

Важную роль при настройке играет размер окна быстрого преобразования Фурье:

Ширина окна влияет на частотное и временное разрешение сигнала — при увеличении ширины окна повышается частотное разрешение, но уменьшается временное разрешение и увеличиваются вычислительные затраты на выполнение быстрого преобразования Фурье.

На приведенном ниже рисунке приведены спектрограммы сигнала при ширине окна 1024 и 8192 отсчета:

Как видно, при ширине окна 1024 отсчета отчетливо различимы границы импульсов, но частота импульсов размыта. При ширине окна 8192 отсчета четко отслеживаются центральная частота и две крайние частоты (верхняя и нижняя), но границы импульсов совершенно не различимы.
Также я баловался в MATLAB, пытаясь создать анализатор для слабых сигналов:

(GitHub — https://github.com/Dreamy16101976/VLF_MATLAB).

Примеры принятых мной сигналов

Частота 25 кГц (позывной радиостанции RJH69)
позывной:

сигналы точного времени:

1 — 1/10 сек, 2 — 1 сек, 3 — 10 сек, 4 — 60 сек

Частота 18,1 кГц (позывной радиостанции RDL)
типы сигналов:

1 — немодулированная несущая
2 — синхросигнал (длительность периода около 60 мс)
3 — синхросигнал (длительность периода около 40 мс)
4 — цифровые данные
5 — азбука Морзе (длительность одного элемента составляет 1/15 с, т.е. скорость передачи равна 18 wpm)

позывной и начало радиограммы:

Помехи
При СДВ-приеме крайне желательно использовать батарейное питание ноутбука для снижения помех:

1 — питание ноутбука от батареи
2 — питание ноутбука от батареи, но блок питания включен в сеть;
3 — питание ноутбука от сети
Очень заметны помехи от работы электронного балласта компактных люминесцентных ламп на частоте около 40 кГц:

Такие дела :-) Естественно, я охватил только малую часть мира СДВ.