微弱信號遠(yuǎn)距離通信發(fā)展及通聯(lián)實(shí)測

梅 林，陶建勝

（國家無線電監(jiān)測中心上海監(jiān)測站，上海 201419）

0 引言

1837年，莫爾斯發(fā)明了電報(bào)，創(chuàng)造了莫爾斯碼，開創(chuàng)了通信的新紀(jì)元。60年后，馬可尼發(fā)明了第一套成品無線電發(fā)射、接收機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)距離”通信。在這些偉大的基礎(chǔ)上，1920年CW通信模式誕生，至此才真正意義上實(shí)現(xiàn)了微弱信號遠(yuǎn)距離通信。隨著技術(shù)進(jìn)步，CW 的編碼和調(diào)制變得落后，不再是最佳的弱信號通信方式。為了滿足月面反射（EME）以及流星余跡（MS）等通信，近幾年多種數(shù)字模式被創(chuàng)造以實(shí)現(xiàn)這類超遠(yuǎn)距離通信。部分?jǐn)?shù)字制式如表1所示。

表1 部分?jǐn)?shù)字通信制式參數(shù)

微弱信號遠(yuǎn)距離通信的發(fā)展歸功于Dr. Joe Taylor呼號（K1JT），其不僅在天文物理學(xué)領(lǐng)域有巨大的成就，曾憑借對脈沖星的研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；更是一位業(yè)余無線電愛好者，專注于微弱信號的研究。其研發(fā)的WSJT（Weak Signal Communication by K1JT）軟件支持上述各類數(shù)字模式的編碼、解碼并用于業(yè)余無線電弱信號通信中。

1 幾種典型的數(shù)字制式

1.1 JT65

JT65最初設(shè)計(jì)用于VHF波段的EME通聯(lián)，其調(diào)制方式為65個(gè)頻率音的FSK，65個(gè)頻率音中，一個(gè)用于信號同步，占發(fā)射功率的一半，其他64個(gè)用于傳輸信息。JT65一直是EME通信的最佳選擇，直到2016年QRA64模式開發(fā)，其對微弱信號的解析能力高于JT65，旨在EME通信中替換JT65。JT65共有三種子模式JT65A、JT65B、JT65C，它們的主要區(qū)別在于65個(gè)頻率音頻移間隔，分別為2.7Hz、5.4Hz、10.8Hz，因此三種子模式的帶寬也不相同。JT65A是三個(gè)子模式中最流行的，相比起EME通聯(lián)，將JT65應(yīng)用到短波通聯(lián)上效果顯著，而JT65A正是因此誕生。

1.2 FT8

FT8模式由Joe Taylor （K1JT） 和 Steve Franke（K9AN）共同開發(fā)，設(shè)計(jì)用于 6 米波段的突發(fā)電離層 E層通聯(lián)，然后被引入短波，其部分參數(shù)可見表1。

與JT65相比，F(xiàn)T8的優(yōu)勢在于其發(fā)射效率。也因此FT8迅速崛起，并在短波通聯(lián)上逐漸取代了JT65A。而FT4模式比FT8在通聯(lián)上更加效率（T/R時(shí)間7.5s），但是接收信噪比較高。JS8CALL更像是FT8的一個(gè)子模式，它是由Jordan Sherer創(chuàng)造的 8-FSK 調(diào)制（與FT8完全相同）并附加了一個(gè)“定向調(diào)用”協(xié)議以實(shí)現(xiàn)自由形式的信息交互，因此被命名為JS8CALL。圖1為FT8時(shí)域圖。

圖1 FT8信號時(shí)域圖

1.3 MSK144

WSJT軟件支持三種“快速模式”，用于“一閃即逝”下的信息交換需求——流星余跡（MS）通聯(lián)。這三種模式分別是FSK411、ISCAT以及MSK144。2001年，WSJT推出的第一個(gè)公開版本正是支持FSK411模式用于VHF波段的流星余跡通信。MSK144 是最新推出的用于MS通信的數(shù)字協(xié)議，相比FSK411，它具有更強(qiáng)的解碼糾錯(cuò)，1.7倍的傳輸速度以及更高的靈敏度。

2 通聯(lián)實(shí)測

上述幾種數(shù)字制式主要依靠WSJT等軟件實(shí)現(xiàn)通信，其通聯(lián)原理、操作和語句相近，區(qū)別主要在于T/R時(shí)間、收發(fā)信噪比和解調(diào)帶寬等參數(shù)。本文以FT8為例，實(shí)際演示數(shù)字模式通聯(lián)過程。

2.1 硬件設(shè)備

FT8的通聯(lián)原理是將文字信息通過WSJT等軟件編碼后轉(zhuǎn)換為音頻信號，然后通過電臺發(fā)射，再由接收電臺將音頻信號接收后通過軟件解碼為文字信息。筆者使用的是YAESU FT-818小型電臺，通過數(shù)據(jù)盒子實(shí)現(xiàn)音頻信號傳輸，該電臺的輸出功率為三擋，最低2.5W，最高僅6W。

2.2 梅登黑德網(wǎng)格定位系統(tǒng)（Maidenhead Locator Grid）

一種業(yè)余無線電網(wǎng)格定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)將地球表面分為長方形區(qū)塊，長邊與緯度平行，短邊與經(jīng)度平行；利用4或者6個(gè)字符即可報(bào)告電臺精確位置，坐標(biāo)6位字符長格式精度可達(dá)經(jīng)度5分、緯度2.5分，4位字符短格式精度可達(dá)經(jīng)度2度、緯度1度。這樣避免了通過經(jīng)緯度來報(bào)送位置時(shí)產(chǎn)生的一長串?dāng)?shù)字。

2.3 軟件設(shè)置

本文使用的是JTDX軟件，其解碼模式雖不如WSJT全，但在FT8模式下的其解碼效率要高于WSJT，且JTDX支持簡體中文。軟件操作界面如圖2所示，右側(cè)窗口藍(lán)色區(qū)域?yàn)榻邮招畔⒖颍瑑H顯示通聯(lián)目標(biāo)（選定50Hz信道）的解碼信息及筆者發(fā)射的信息內(nèi)容，相當(dāng)于過濾之后的有用信息；右下黑色區(qū)域是自動(dòng)生成的通聯(lián)語句。

圖2 JTDX軟件界面

2.4 通聯(lián)語句

WSJT協(xié)議下的數(shù)字制式都使用結(jié)構(gòu)化信息，將聯(lián)絡(luò)過程中所需要的基本信息編碼為精確的72bits位長的消息體，數(shù)據(jù)包含兩個(gè)28bits位長的字段，用于呼號，15bits位長的字段用于網(wǎng)格信息，信號報(bào)告以及“73”等，另有1bit用于附加呼號前綴，后綴等。FT8的標(biāo)準(zhǔn)的通聯(lián)語句為7句，詳見表2，這里假設(shè)與呼號為BH4DML的主呼電臺1進(jìn)行通聯(lián)，應(yīng)答電臺2的呼號為JA8DKD。

表2 FT8通聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)語句及注釋

如表2所示，作為主呼電臺1完成一次完整通聯(lián)（QSO），其發(fā)射序列為1，3，5，7；而應(yīng)答電臺，電臺2的發(fā)射序列為2，4，6。FT8一次發(fā)射時(shí)間為15s，因此一次完整的QSO需要105s。由于網(wǎng)格信息并非通聯(lián)所需的必要因素，因此通聯(lián)語句可進(jìn)行簡化。

2.5 通聯(lián)結(jié)果

筆者使用YAESU FT-818電臺，發(fā)射功率設(shè)為6W，與日本、印尼、泰國、俄羅斯等周邊國家實(shí)現(xiàn)QSO。由于發(fā)射功率偏低，雖然能接收到歐洲各地遠(yuǎn)距離電臺發(fā)送的CQ請求，但是對方電臺難以接收到我方發(fā)送的信息（信噪比過低），未能成功通聯(lián)。圖3為一款網(wǎng)格追蹤軟件，它根據(jù)JTDX解碼結(jié)果，顯示當(dāng)前波段活躍電臺的位置以及通聯(lián)情況。藍(lán)色點(diǎn)為呼叫電臺的位置，虛線表示該兩電臺正在嘗試通聯(lián)。

圖3 網(wǎng)格追蹤示意圖

圖3 智能語音合成報(bào)警流程圖

3 結(jié)束語

2001年以來，Dr. Joe Taylor等人一直在不斷完善這款軟件，他們使用不同的編碼和調(diào)制方案，以優(yōu)化特定類型傳播路徑上的弱信號通信，并不斷開發(fā)新的微弱信號通信模式。這些模式的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，接收信噪比低，以相對較小的功率實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信。但這種通信的信息交互有限，僅限于網(wǎng)格坐標(biāo)和信號質(zhì)量報(bào)告。近幾年推出的JS8CALL模式試圖解決這一缺陷，它是基于FT8的數(shù)字制式，實(shí)現(xiàn)相對自由長度的信息交互。相信隨著微弱信號通信模式的發(fā)展，新的模式會(huì)不斷推出，以更加穩(wěn)定、高效、多樣的方式通聯(lián)全球，甚至更遠(yuǎn)。