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【火腿专题】流星爆发电离余迹和现代技术结合 | 在30-100MHz提供远距离双向通信

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远距离通信 (DX) 在电离大气中蓬勃发展。它导致不同高度的边界层起到反射面的作用,从而促进无线电波从天空“反弹”,使它们围绕地球的曲率弯曲。早期的探空火箭实验证实,大气电离层确实存在怀疑基于与观测到的太阳耀斑活动相关的时期的极光活动理论。强烈的太阳耀斑时期与大量的太阳黑子有关,因为日冕物质抛射 (CME) 的产生提供了大量向地球高速传播的电子。CME当然会向各个方向发射,但只有那些朝着地球方向移动的对我们来说才重要。 业余和专业无线电爱好者以及军事和学术交流从业人员不仅学会了利用高层大气相当规律的昼夜电离进行DX操作,也学会了利用流星划过留下的不可预测的天空路径电离轨迹临时远距离通信预测。 事实上,许多比赛都是基于幸运的流星“爆裂”而赢得的,它打开了一个通信渠道,时间刚好足以与遥远土地上的另一个无线电爱好者进行正式通联。在今天,您可以通过标准电话或使用 VoIP 的互联网与世界上任何地方的人交谈,这听起来可能没什么大不了的,但曾经有一段时间它很神奇。对许多火腿来说,它仍然是魔术。今天和电台小叔BG5WKP一起走近这个早期神奇的研究项目。

  通过流星爆发进行通信

  流星和现代技术相结合,可在 30-100 MHz频段提供更远距离的双向通信

  文:G.富兰克林蒙哥马利

  

  图 1 - 典型流星暴信号的草图显示了接收信息的幅度和持续时间。

  在 40 年代初期,当 FM 广播节目在 42 到 50 MHz的旧频段中运行时,联邦通信委员会的监控工程师发现了一种奇怪的效果。有时会从 1370 英里外的调频电台接收到短脉冲信号。这个距离远大于100 英里左右的最大传输距离。信号突发很短暂,通常持续不到一秒钟。它们没有显示出与已知异常传播相关的任何特征,例如电离层零星E传输或大气弯曲。

  经过仔细研究,E. W. Allen, Jr.1 确定了单个流星的爆发,即每天有数十亿颗流星坠入大气层的外太空小粒子。这种在中间距离上的间歇性甚高频传播导致了一些不寻常的发展。

  流星爆发是这些高速粒子产生的大气电离的信号反射。流星的大小从几乎微观的颗粒到偶尔重达几吨的岩石或铁块,以高达每秒 40 英里的速度进入大气层。在大约 60 英里的高度,它们与稀薄大气的摩擦产生的温度足以使流星熔化蒸发,从而将空气分子分裂成离子和自由电子。

  在流星的尾流中,形成了一个细长的、缓慢膨胀的圆柱体形状的微型电离层,可能有几英里长。这个过程产生的离子和电子最终会重新结合形成中性气体分子,但它们可能需要几秒钟的时间才能完成。

  早期实验

  

  图 2 - 根据带宽或传输速度绘制的消息容量。

  战后,为了研究流星行为,许多实验者开始使用甚高频雷达设备测量流星轨迹的无线电反射。大约在 1950 年,几位工程师几乎同时想到流星可能提供从一个点到另一个点的有用无线电通信。此后不久,国防研究电信机构(加拿大)、国家标准局、斯坦福研究所和 RCA 实验室的小组开始通过这种方式开发定期通信。美国的业余爱好者也开始使用类似的技术。

  假设我们有两个站 A 和 B,相距大约 1000 英里。每个站都有一个发射器和接收器,天线向一片天空(大约 60 英里)发射,从两个站都可以看到。每个发射器连续发射载波。接收机 A 调谐到发射机 B,接收机 B 调谐到发射机 A。(发射机频率必须略有不同,因此发射机 A 不会干扰接收机 A,发射机 B 也不会干扰接收机 B。)通常,每个电台只接收非常微弱的信号或不接收信号根本。但有时,流星会穿过两个站的天线波束中包含的部分大气层。这样做时,它会产生电离轨迹。如果该轨迹相对于站点正确定向,则两者都将接收到持续不到 1/10 秒到数秒的信号突发,然后它会逐渐消失到背景噪声中。

  图 1 显示了单独流星爆发的典型变化类型。除了信号幅度的突然上升和缓慢衰减的主要轮廓之外,在一些突发中经常观察到辅助衰落。衰落归因于高空大气风使小径破裂。

  加速传输

  

  拖车内部。后面的两个机架包含接收和控制设备。两个中央机架是磁带存储、记录和播放。用于发送和接收的背面单元。胶带储存在垂直穿孔的金属罐中。最重要的机架包含监控设备。

  在这些短暂的时间间隔内,站 A 和 B 可以相互通信。然而,对于普通设备,信号持续时间如此短,很难或不可能进行通信。现代信息处理技术现在开始发挥作用。如果 A 要向 B 发送消息,则该消息可以以记录形式存储在 A 中 - 例如,存储在磁鼓或磁带上。当 A 处发生信号突发时,录制的消息会高速播放并调制 A 的发射机。B 接收器输出端的相同高速消息在 B 上记录。随后,当信号突发通过后,B 的记录以正常速度回放,以便可以理解该消息。

  这个通用程序是突发通信的基础。以正常速度存储信息、以高速播放和传输、以高速接收和记录以及以正常速度播放是目前所有正在开发的系统的共同点。电传打字机、语音甚至传真调制已成功用于流星爆发实验。通常目标是双向通信,两个站同时发送和接收不同的消息,使用相同的信号突发。这一目的已经通过电传打字机消息以每分钟 60 个字的正常速度的 40 倍发送来实现。

  除了记录设备外,每个站都需要控制电路来自动执行某些功能。当接收到突发时,必须有一个阈值装置来判断突发的信号幅度是否足以保证开始传输。如果是,则必须通知高速记录和回放单元开始。当接收到的突发幅度低于预设阈值时,必须停止这些单元,依此类推。在双向系统中,几乎可以肯定的是,两个站接收到的信号不会以完全相同的方式运行。校验信号的代码通常在从一个站到另一个站的环路周围发送,然后再从任一站开始传输。这个过程听起来像是浪费宝贵的传输时间,但它是在几毫秒内完成的,大大降低了传输错误的可能性。

  任何通信系统的基础是接收器在消息处理过程中的信噪比。如果消息的发送速度比正常情况快,则必须增加接收器带宽以避免消息失真。增加的接收器带宽允许更多的噪声,这本身可能使消息失真。在通信是连续的传统系统中,因此必须在传输速度和接收信噪比的劣化之间做出折衷。

  时间长还是短;通讯范围大还是小?

  在流星爆发系统中,通信是间歇性的,这种妥协会产生独特的后果。这种系统中的信号突发在幅度和持续时间上变化很大。一些突发具有非常大的峰值幅度;还有更多的振幅很小。任何幅度的特定突发可能很短,也可能持续相对较长的时间。爆发只能在统计上进行预测。下一次爆发是大还是小,以及它何时发生,都是偶然的问题。

  

  实验性流星爆发通信站。四根八木天线排列成双阵列,用于发射和接收。电台和终端设备安装在拖车后方。

  现在,在建立系统时,我们可能会选择仅以少量的大振幅突发进行操作并以高速传输。或者,我们可以使用许多幅度较小的突发和较大的突发,并缓慢传输。

  流星爆发统计的显着特征是仅使用大爆发是值得的。有效使用它们必须付出的代价是传输速度和带宽。此外,传输之间需要更长的等待时间,尽管该等待时间在某些应用中可能并不重要。

  我们准备在突发期间传输和记录的速度越快,使用的突发越少,系统的消息容量就越大。(消息容量的一个方便度量是在足够长的时间段内可以通过系统发送的消息的总长度,以包括大量突发。)图 2 说明了这种依赖性。使用对数标度绘制相对消息容量和相对带宽或传输速度。容量与带宽不成正比,但增加得更慢。在典型情况下,它与带宽或速度成正比,增加到大约 0.4 次方。

  由于流星暴的不稳定性质,流星暴系统的操作参数的选择变得更加困难。如果我们可以依赖已知的平均出现率和平均幅度,它们的随机出现和幅度就不会特别麻烦。但我们不能。

  我们确实知道,中等功率的典型系统平均每分钟可能会以 4 或 5 次 1 秒的脉冲串运行。然而,在一天中,每分钟的实际爆发次数从黎明前的高频率变为日落时的低频率。爆发的总数每天都在变化。

  在任何给定的时间,天线波束都应指向天空的最佳部分,以拦截最多数量的有用轨迹。这个最佳部分的位置也会全天变化,可能会随着季节而变化。所有这些流星暴特征都经过广泛测量,但必须更准确地了解它们才能实现最佳通信性能。

  前向散射竞争

  从某种意义上说,流星爆发系统 4 是电离层前向散射系统的竞争对手。两者都在 VHF频谱的同一部分提供相同距离的通信,大约 30-100 MHz。然而,流星爆发系统可能能够使用比电离层散射有利的频率更高的频率。

  

  宾夕法尼亚州哈弗福德哈弗福德学院的 Thomas A. Benham 教授

  卫星之声被认为是唯一商用的人造卫星 I 和 II 以及探索者 I、II 和 III 无线电信号的录音,是宾夕法尼亚州哈弗福德哈弗福德学院的 Thomas A. Benham 教授的作品。这些信号是用一个特制的转换器放大器记录的。完全失明的 Benham 教授还制作了一本非营利性的科学磁带杂志,Science for the Blind,每月发行 400 份录音。他的卫星录音有 5 英寸磁带盘或 10 英寸 LP 唱片,由 Taben Recordings, Box G-224, Ardmore, Pa 发行(3.95 美元)

  流星爆发的一个明显优势是所需的功率较低。大多数实验工作都是在 100 瓦到几千瓦的发射机功率下完成的。可操作的散射系统通常需要数十千瓦和高增益天线。虽然高增益天线对于流星爆发工作肯定有用,但使用中等增益的简单八木天线已经获得了令人满意的结果。当然,主要的缺点是终端需要复杂的消息处理设备。也许在对这些设备有更多的经验之后,这种缺点会显得不那么严重。

  卫星之声

  中长距离通信所依赖的高频(3 到 30 MHz)多年来一直非常拥挤。在电离层风暴期间,高频HF通信通常不可靠。即便如此,未来的技术改进将为所有希望使用这部分频谱的服务提供空间的希望不大。这种情况就像一辆拥挤的公共汽车,乘客多于座位。那些站着的人要么骑得不舒服,直到有人放弃座位,要么完全放弃骑车的想法。流星暴通信有望提供更大的总线。希望是足够光明的,人们正在为它的发展付出很多努力。

  参考资料

  1 E. W. Allen, Jr.,“来自流星电离的甚高频无线电波的反射”,IRE 会议录,卷。36, No.3, pages 346-352; 1948 年 3 月。

  2 Meteor-burst Communication Papers, Proceedings of the pages IRE, Vol. 45,第12页,1642-1736;1957 年 12 月。

  3 “1955 年 ARRL 优异奖授予 W4HHK 和 W2UK”,QST,卷。40,第 10 期,第 62 页;1956 年 10 月。

  4 Scatter Propagation Issue,IRE 会议录,卷。43,第 10 期,第 1173-1526 页;1955 年 10 月。

  小叔来啦:

  我们几乎都遇到过这样的现象,只是有人没发现罢了!

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