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《跟着题库认识业余无线电》系列文章第三十七篇:指标是账本——从假负载、效率到月面与流星余迹

自制设备调测先接假负载,是合规的起点;效率把射频功率换算成电流与电能;灵敏度在微伏、dBμV、dBm 三种写法之间差一个因子二,也就是 6dB。走出电离层,卫星、月面反射与流星余迹把链路预算推到极限,时机、波段与模式样样都要争分贝。

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手里的设备刚攒起来,最先想做的事多半是按下发射键,看功率表的指针动一动,或者听听扬声器里有没有动静。

指针会动,可动到哪里、耗掉多少电、账面上划不划算,是另外几个问题。发射机把电源里的能量搬上射频载波,中间要经过调制、放大、滤波好几道关口,每一道都留下一部分能量做买路钱;那些没能送到天线上的功率,绝大多数变成了机箱里的热。

接收端考的是另一套功夫。同一副天线、同一个微弱信号,两台机器守听的结果可能一台清晰、一台断续,差别藏在噪声、增益、失真和抗干扰这几组指标里。再往外走,通信对象可以挂到三十几万千米外的月亮上,也可以只靠一颗流星划过天空时留下的几十毫秒余迹。从调测的第一步走到卫星与流星余迹,二十八道题正好串成一条线。

一、调测与合规:发射前接假负载

设备装好、还没通过检测拿到电台执照的那段时间,最容易出的事不是电路冒烟,而是无意中把信号发上了天。天线端口空着,或者随手接一根鞭状天线,按下发射键那一瞬,几十瓦就出去了。

假负载就是替天线挨打的那只电阻。

一只五十欧姆的无感电阻,配上够大的散热片,讲究些的整个泡在变压器油里,发射功率喂进去全换成热散掉,端口上的驻波接近一比一,又不对外辐射半个毫瓦。调测时把它接在天线端口,或者在它前面串上功率计、衰减器,读数和保护都不耽误。

【MC1-0819】自制业余无线电发射设备,在经无线电检测机构检验合格并取得电台执照之前,应在调测时在设备的天线端口连接(或在串联必要的仪表之后连接): 正确答案:A(假负载)

另外三个选项都是天线。驻波比严格等于一的驻波天线也好,行波天线也好,标准环形天线也好,共同点是把能量辐射出去,而这正是调测阶段要避开的事:设备未检测、电台未设台,任何一次发射都不合规,还可能压住别人的信号。

挑假负载也不是随手抓一只就行。功率表的取样口、衰减器的承受功率都要跟发射功率对上号;一只标称一百瓦的假负载连续吃几百瓦,电阻会漂、油会冒烟,驻波读数跟着失真,连功率都测不准。

调测的流程也顺着这个思路安排:先用假负载测激励级的输出,再接上末级看功率,随后用频谱仪查谐波与杂散。全程都让功率落在仪器的吸收能力之内,发射机一次都没往空中送过信号。

量功率为什么非要接假负载,而不干脆接天线?因为天线的阻抗随频率、架设高度和周围物体变化,驻波比一高,功率表读到的就是入射与反射叠加之后的数,参考价值打折;更麻烦的是谐波与杂散会跟着主信号一起辐射出去,落在别人的频率上。假负载把这两个问题一起收进机箱。

法规上的道理同样直接。设置业余无线电台要经过无线电管理机构批准,取得执照之后才能在核准的频率和功率范围内发射。设备还没检测、执照还没到手就接上天线开机,哪怕只按了一秒钟,也属于擅自发射;假负载把这个风险挡在了机箱里面。

浸油假负载还有个附带的好处:油既是绝缘介质又是散热介质,热量靠对流带到外壳上,连续工作的温升比干式电阻平缓。缺点是沉,搬动不方便,于是野外架台多用铝壳的干式电阻,标称功率按连续值的一半来用比较放心。它的驻波比也要看一眼,一个在三十兆赫上还保持一比一的假负载,才配得上宽频段的调试。

验收假负载也有土办法:用万用表量一下直流电阻应该落在五十欧姆附近,再用驻波表测一遍各频段,回波越小越好。发热之后电阻值会漂,连续工作一阵再复测一次,读数稳定才算过关。

每次调测把频率、功率、电流和杂散读数记在本子上,遇到异常时不至于凭印象找原因。这份记录还有个用处:设备改动过之后拿新数据跟旧数据对照,变化出在哪一级一目了然。

二、调制与解调:从载波到音频

射频载波本身不带信息,它只是一段稳定的正弦波。要让对方听见声音或者读出报文,得用原始调制信号去改变这段载波的某个参数。

【MC1-0820】在无线电发射机中,调制器的作用是: 正确答案:A(以原始调制信号控制射频载波的幅度、频率和相位参数)

幅度、频率、相位这三个参数,恰好对应三大类调制方式:调幅把信息写进包络,调频写进瞬时频率,调相写进相位。一台机器可以只动其中一个,也可以同时动两个,正交调制就是同时控制幅度与相位。另外几个选项各有归属:线性放大器的工作点属于偏置与效率的范畴,天馈匹配属于匹配网络,把发射频谱压在核准带宽以内,则是输出滤波器与功率限制电路的任务。

把信息刻上载波的方式,还可以按调制信号的类型分成两拨。调制信号是声音时得到模拟调制,调幅广播与单边带话音都属于这一类;调制信号是数据码流时得到数字调制,FSK 用两个频率表示零和一,PSK 用相位的变化表示,包络依然由射频载波承载。平时说的“模式”其实压着两层意思,一层是调制方式,一层是编码与协议,把它们分开看,很多疑问会自动消失。

发射端把信息刻上载波,接收端就得把整条链路上每一分微弱信号都处理好。机器好不好用,指标摊开来看是一组互相牵制的东西。

【MC4-0821】保证业余无线电通信接收机优良接收能力的主要因素是: 正确答案:ABCD(良好的抗干扰能力;足够高的整机增益;尽量低的本机噪声;尽量小的信号失真)

四项都成立,而且分属不同环节。抗干扰能力管的是想听的留得住、不想听的挡得掉,靠的是前端线性、滤波器的矩形系数和镜像抑制;整机增益保证微弱信号被放大到检波器能处理的电平,增益不够,后面的解调器手里就没有东西可用;本机噪声决定灵敏度的下限,前端第一级的噪声系数几乎单独决定了整机噪声系数;信号失真关系到解调输出能不能忠实地还原语音。四项里少一项,机器都会在某个场景下掉链子:增益够而噪声大,弱信号听不见;噪声低而前端容易过载,强台一来就互调;什么都好而失真大,声音能听见却难抄收。

城市里强信号密集,接收机的抗干扰与动态范围先受考验;野外电磁环境干净,限制因素换成了本机噪声与增益;比赛台上几十千瓦的设备挤在一起,前端线性又成了主角。挑机器之前先想清楚自己常在哪种环境里开机,答案往往就浮出来了。

这四组指标彼此拉扯,设计上没法同时拉满。前端增益做得高,噪声系数好看,可强信号一来就过载;滤波器做得窄,抗干扰能力强,通带内的群时延失真却会让数字信号变形;音频放得响,失真跟着上去。真正好用的机器是在目标场景里把这些取舍摆平,而不是在某一项上刷出漂亮的数字,这也是为什么同样标称灵敏度的一台机器,在比赛现场和野外架台时表现可能完全不同。

信号从天线进来,经过放大、变频、滤波,交到解调器手里。

【MC1-0822】接收机解调器的作用是: 正确答案:A(从接收到的已调射频信号中分离出原始调制信号)

待解调的是已经带上信息的射频信号,解调器要做的是把原始调制信号从里面分离出来。宽带线性放大是射频放大器的活,与必要带宽匹配的选频放大是中频滤波器的活,提取载波分量则是另一件事,比如用于同步检波或者信标识别。三个干扰项各自描述了链路里真实存在的一级,只是位置都不在解调。

不同调制方式对应不同的解调电路。调幅可以用二极管包络检波,电路简单,也可以用乘积检波把载波乘回去,失真更小;调频用鉴频器,常见做法是先把频偏变成幅度变化再检波;调相用鉴相器;报务则靠拍频振荡器(BFO,Beat Frequency Oscillator)把等幅报变成能听见的音频。名字各不相同,任务只有一个:从已调波里把原始调制信号取回来。

音频被解出来之后,机器还要判断这段音频该不该放出去,这就是静噪的由来。

【MC1-0824】亚音频静噪系统(CTCSS)所用的声调大体位于音频中的什么范围? 正确答案:A(67-250.3Hz)

亚音频静噪系统(CTCSS,Continuous Tone-Coded Squelch System)在话音上叠加一个低于话音频段的单音,接收端只有检测到这个单音才打开音频。这个单音的频率范围是 67 到 250.3 赫兹,落在次声到低频的区间里,人耳几乎听不见,所以叫亚音频。十六赫兹到二十千赫是人耳可闻的整个音频范围,十六千赫到二十千赫已经进了超声,二百二十赫兹到二千五百零三赫兹则是把小数点挪了一位的结果。

数字编码静噪(DCS,Digital Coded Squelch)是另一套做法,用一串二进制码代替单音,可选的编码更多,被杂音误触发的概率更低。两者的用途相同:在共用的频率上把同一台中继台的用户分开,也让中继台在收到干扰时不至于一直转发。

各地的中继台会公布自己的亚音值,常见的有 88.5、100.0、123.0、127.3、151.4 赫兹这几个数字。设错的表现是能听到中继台的回铃音却打不开,或者干脆毫无反应;出门前把常用频率与亚音存进信道,到现场按信道切换,比临时翻菜单可靠得多。

静噪之后,链路里还有一环容易被误解,就是天线后面那一级放大。

【MC1-0827】接收机前置放大器的主要作用是: 正确答案:A(降低接收机内部噪声的影响)

前置放大器放在接收机最前端,作用是压低整机噪声的影响,让微弱信号在混频之前就获得足够的电平。这里有个前提常被忽略:前置放大器自身的噪声系数要足够低,否则它把信号和噪声一起放大,后面的电路反而更难受。音频输出功率属于低频功放,保真度属于音频通道,动态范围更是会被前置放大器削掉:前端增益越高,强信号越容易让混频器过载。

噪声的账可以算得更细。多级放大器的整机噪声系数由第一级主导:第一级的增益越高、自身噪声越低,后面几级的噪声就被压得越扁。这条规律解释了前置放大器为什么必须放在最前面,也解释了它为什么可能帮倒忙:如果机器本身增益已经够用,再加一级只会把强信号推得更近饱和,动态范围变小,互调产物变多。

从天线到解调器,增益并不是一个固定值。

【MC2-0836】关于收发信机的 AGC 功能,以下说法正确的有: 正确答案:AB(AGC 实现收信机自动增益控制,对中频信号进行检测并反馈控制,防止电路过载;进行基于 FSK 或 PSK 的数据通信时,关闭 AGC 功能有可能提高弱信号的解码效果)

选项 A 是对的:自动增益控制(AGC,Automatic Gain Control)从中频级取出信号电平,反馈回去调整放大器增益,信号强时把增益压下来,避免后级过载。选项 B 同样成立:FSK、PSK 这类数据模式靠频率或者相位携带信息,AGC 在衰落信道上不停调整增益,解调器看到的幅度忽大忽小,弱信号的信噪比反而被拖下来,改用固定增益常能改善解码。选项 D 把它说成自动音量控制,那是音频侧的另一套电路,检测点与作用点都在低频,跟中频增益控制不是一回事。选项 C 的毛病是把话说绝了,太阳噪声测试关心的是读数可重复,用慢速 AGC 或者固定增益都能做,并不存在非关不可的硬性要求。

AGC 还会影响读数。S 表的刻度建立在受控的中频增益之上,AGC 一介入,表针反映的就不再是天线上的真实场强。做信号对比实验时把 AGC 固定或者关闭,两次读数才有可比性,这也是不少机器给 S 表单独标定、或者干脆提供射频增益手动档的原因。

太阳噪声测试本身就是一套评估接收系统的办法:太阳是一个稳定的宽带噪声源,把天线对准太阳再偏开,比较前后噪声底的差值,就能推算出天线增益与系统噪声温度的合账。测试时最要紧的是让增益状态可重复,读数才有意义。

时间常数这件事也值得说一句。AGC 有快慢两档:快档跟得上信号的起落,报务与流星余迹这类短促信号不吃亏;慢档让增益变化平缓,话音听起来更自然。数据模式下干脆锁定增益,把幅度这个变量从解调器眼前拿开,解调器只需要盯住频率或者相位。

频率的搬运发生在混频器里,所谓上下变频,说的就是中频取在输入的哪一侧。

【MC1-0839】在超外差式收发信机中,混频器的工作方式可分为“上变频”和“下变频”两种,具体指: 正确答案:A(中频频率高于输入频率的为上变频方式,中频频率低于输入频率的为下变频方式)

换个参照点看会更清楚。输入十四兆赫、中频取四十六兆赫的机器,中频高于输入,走的是上变频;输入一百四十五兆赫、中频十点七兆赫的机器,中频低于输入,走的是下变频。上变频把中频抬到远高于输入的位置,镜像频率被推得很远,前端滤波器容易把它挡掉,代价是本振频率高、对滤波器的要求也高;下变频的中频低,选频容易做,镜频却离得近,需要前端预先滤一遍。选项里拿本振频率或者输入频率的高低去定义,都换错了参照物:决定上下变频的是中频相对输入的位置。

混频器除了搬运频率,还会带来变频损耗,输入信号的能量有一部分没有变成中频输出。平衡混频器用两只或者四只二极管配对工作,能把本振泄漏和偶次产物压下去,代价是电路复杂、对配对精度要求高。业余设备里常见的环形混频器就是这一类。

中频的位置还牵扯到镜像频率。混频器给出的是输入与本振的和与差,两个结果都在,靠后面的滤波器取舍;被舍掉的那一个如果落回接收频段附近,就会以镜像的身份混进来。上变频把中频抬得高,镜像离得远,前端用一个宽带带通就能挡住;中频低的机器,镜像落在通带附近,必须在混频之前先把镜频滤掉,这也是老式机器前端调谐电路做得那么复杂的原因。

三、效率与功率的账

信号怎么刻上去讲完了,接下来看账本。

发射机把电源功率换成射频功率,换得不干净,中间总要漏掉一部分。

【MC1-0846】业余无线电发射机的效率是指: 正确答案:A(输出到天线系统的信号功率与发射机所消耗的电源功率之比)

效率的定义是输出到天线系统的信号功率,除以发射机消耗的电源功率。分子是真正送到馈线上的射频功率,分母是直流或者交流侧的输入功率。选项 B 把分子换成了对方天线收到的功率,那里面还叠着馈线损耗、路径损耗和对方天线的效率,已经不是发射机自己的事了;选项 C 是两端功率之比,连口径都不是同一个;选项 D 说的其实是有用信号与杂散之比,那是频谱纯度,不是效率。

工程上常提的一档数字是:恒包络的调频机整机效率可以做到六七成,而线性放大的单边带机往往只有三四成,剩下的全部交给散热。这也解释了为什么同样标称一百瓦,调频台需要风扇而单边带台只需要一块厚铝板。

功放的工作类别直接决定效率高低。甲类放大器线性最好,效率却上不去,一半以上的电源功率直接变成热;甲乙类把静态工作点压低,效率往前挪一步;丙类导通角更小,效率最高,代价是只能放大恒包络信号,调频与报务合用;丁类让管子工作在开关状态,损耗更小。单边带因为有包络起伏,必须用线性放大器,整机效率自然比调频机低一截,同一档次的两台机器,标称功率一样,电源需求可能差出不少。

损耗的去向也值得记一笔。

【MC1-0847】业余无线电发射机的效率总是明显低于 1。所损耗的那部分能量: 正确答案:A(绝大部分转化为热量,极小一部分转化为杂散等无用信号)

绝大部分损耗变成了热,极小一部分变成了杂散等无用信号。功放管的集电极损耗、变压器与滤波器的磁损铜损、馈线上的电阻损耗,都以热的形式散出去,机箱发烫正是这件事的直观表现。杂散确实存在,但它在总损耗里的份额很小。选项 C 说的是失配反射,那部分能量回到功放输出端之后同样变成热,并没有回到电源里去;选项 D 把电容、电感说成能量消失的地方,更是混淆了储能与耗能。

热量从管芯传出去要经过好几道关口:管壳到散热器,散热器到空气,每一道都有热阻。连续发射的调频机散热片做得厚实,短时工作的单边带机可以薄一些,因为语音的占空比低,平均功率远小于峰包功率。按占空比配散热,是设备设计里很常见的一招。

效率这个数字最实用的地方,是能把工作电流估出来。

【MC1-0848】若一部业余无线电台的工作电压为直流 13.8 伏,FM 方式的射频输出功率为 N 瓦,电源效率约为 80%,则发射时的工作电流约为: 正确答案:A(0.091×N(安))

按效率口径,电源要提供的功率是射频输出除以效率:输入功率等于 N 除以零点八,也就是一点二五 N 瓦。再除以电压 13.8 伏,电流约为 1.25N/13.8 = N/11.04,约等于零点零九一 N 安。取一百瓦的话,发射时电流约 9.1 安,这就是车载电台要配粗电源线和足够容量蓄电池的原因。

电流估出来之后,导线就有得挑了。九安培的电流在细电源线上会产生可观的压降,线越长、线径越细,末端的电压越低,功放能输出的功率也跟着缩水,甚至会出现一按发射键屏幕就闪的情况。车载安装时把电源线直接接到电瓶桩头、线径按电流留足余量,比换一根更粗的天线立竿见影。

把公式倒过来用,还能估算输入侧的器件规格。电源的额定电流、保险丝的容量、插头的接触电阻,都要按输入功率而不是输出功率来选;用输出功率去配保险丝,一发射就断,原因往往就在这里。

换个电压等级,算式一样。

【MC1-0849】若一部业余无线电台的工作电压为交流 220 伏,FM 方式的射频输出功率为 N 瓦,电源效率约为 80%,则发射时的工作电流约为: 正确答案:A(0.0057×N(安))

交流 220 伏供电时,电流约等于 1.25N/220 = N/176,约零点零零五七 N 安,一百瓦对应大约 0.57 安。这里的 220 伏被当作有功电压来用,实际还要考虑功率因数,真实电流会比估算值略大一些,做电源选型时留出余量更稳妥。

直流与交流两种算法的结果差着数量级,原因只在电压高低。同一个一百瓦的功率,电压从 13.8 伏提到 220 伏,电流就降到十七分之一左右。估算之前先分清分母上是直流电压还是交流有效值,再动笔,否则算出来的数字会差得离谱。

再往下算一步是电能。

【MC1-0850】若一部业余无线电台以 FM 方式发射时的射频输出功率为 N 瓦,电源效率约为 80%,则每发射 10 秒钟所消耗的电能约为: 正确答案:A(0.0000035×N(千瓦小时))

输入功率一点二五 N 瓦,持续十秒,电能就是十二点五 N 焦耳。换算成千瓦小时要除以三千六百万:12.5N/3.6×10⁶,约等于零点零零零零零三五 N 千瓦小时。一百瓦发射十秒只消耗万分之三点五度电,折合零点三五瓦时、一千二百五十焦耳上下。这笔账说明发射本身并不费电,让电瓶吃不消的是长时间守听与待机。

焦耳与千瓦小时之间隔着三千六百万这个常数,换算时容易错位。心里记一个锚点就够:一千瓦的电器工作一小时是一度电。把一千二百五十焦耳换成瓦时是零点三五,再除以一千就是零点零零零三五度。小数点后面那一串零不必背,知道量级即可。

守听与待机的账反倒更值得算。接收状态的电流通常在零点几安到一两安之间,看似不多,可野外架台一守就是一整天。一只一百安时的电瓶供接收用,理论上能撑两百小时左右,加上发射与照明,实际能用的时间要打个折。按这个思路配电池,比事后抱怨电不够用划算。

账本上还要分清说的是哪一个功率。

【MC1-0851】无线电发信机在无调制情况下,在一个射频周期内供给天线馈线的平均功率称为: 正确答案:A(载波功率)

无调制情况下,一个射频周期内供给天线馈线的平均功率叫载波功率。这个定义的关键词是"无调制"和"平均",它描述的是稳态情况下的功率水平。峰包功率(PEP,Peak Envelope Power)取的是调制包络峰值处的射频功率,比载波功率高出一截;平均功率则把调制过程一起平均进去,数值随语音内容起伏。三个概念各有各的用处,报功率时要说清是哪一个。

峰包功率不好直接读,需要用跟得上包络峰值的功率表,或者用示波器看射频包络的峰值电压再折算。多数业余功率表读的是平均功率,话音一停指针就往下掉,拿这个数去跟别人报的峰包功率比较,会觉得自己的机器虚标。把口径说清楚,误会就少一半。

三种调制方式在“没有语音输入”这个状态下的表现,最能说明它们之间的差别。

【MC1-0852】如果某话音发射机在不同调制方式下的峰值输出功率相同,则在无语音输入时,实际射频输出功率由大到小可以排序为: 正确答案:A(FM,AM,SSB)

FM 是恒包络调制,无论有没有话音,载波都照发,输出功率接近峰值;AM 在无话音时只剩一个载波,若把峰包功率定得一样,载波功率只有峰包功率的几分之一;SSB 抑制载波,没有话音几乎没有输出。三条排下来,从大到小就是 FM、AM、SSB。

这个排序还有一层实际意义:同样的峰包功率,调频机对电源和散热的要求最高,因为它几乎一直在满功率输出;单边带机的平均功率只有峰包功率的三分之一到四分之一,电源与散热都能按平均值设计。给设备留余量时按什么口径算,取决于你最常玩哪一种模式。

报功率也有一套约定俗成的说法。调频与报务报的是载波功率,单边带报的是峰包功率,两者不可直接比大小;同一台机器在两个口径下的数字能差好几倍,通联时报错了,对方对信号强弱的判断也会跟着偏。

四、带宽:给信号留多宽的路

频率是公共资源,管理它的办法之一是给每种业务划定必要带宽(necessary bandwidth)。

必要带宽说的是:在规定的发射类别下,刚好能保证信息以规定质量传输所需要的带宽,取到这个宽度就够用,再宽就是浪费,还会挤到邻频。

【MC1-0854】以 CW 方式进行速度为 25WPM 的摩尔斯电码通信,如果考虑传播衰落等因素,必要带宽通常不大于: 正确答案:A(200Hz)

二十五字每分钟的摩尔斯电码,点长按 1.2 除以速度估算,约 48 毫秒,键控的基本速率在每秒二十个码元上下,键控边带就按这个速率向两侧展开。考虑传播衰落带来的频率抖动与多径,必要带宽通常按不超过 200 赫兹来安排。备选里的 2700 赫兹是单边带话音的厚度,6.25 千赫与 12.5 千赫都是调频信道间隔,比报务需要的宽得多。

带宽窄的好处是噪声进得少。接收机把中频滤波器的通带压到几百赫兹,落进来的噪声功率随之下降,同一个信号的信噪比就上去了,报务在弱信号上占便宜正是这个道理。代价是频率稍有漂移信号就跑出通带,收发两端的频率必须稳,老机器要等晶体振荡器热透才好用。

收窄通带的办法有两种。模拟时代靠晶体滤波器,五百赫兹的窄带滤波器是报务机的标配;数字信号处理普及之后,通带宽度可以在菜单里选,窄到一百赫兹甚至几十赫兹,代价是必须配合频率稳定度,收发两端稍有偏差就会漏掉信息。

话音调频需要的地盘比报务大。

【MC1-0857】用通常的调频方式进行话音通信,必要带宽约为: 正确答案:A(12.5kHz)

调频信号的必要带宽可以按卡森公式粗略估:两倍的频偏加最高调制频率。业余窄带调频取 2.5 千赫频偏、3 千赫最高音频,算出来 11 千赫左右,工程上落在 12.5 千赫这个信道间隔上。把 12.5 千赫与报务的 200 赫兹放在一起看,就能明白为什么两米段要按信道划分频率。

占用带宽是另一个容易与必要带宽混淆的指标。它指的是发射总功率中规定比例(通常取百分之九十九)所落进的频带宽度,是用频谱仪实测出来的结果;必要带宽是应该占多宽的理论值。把两者对照,可以判断一台设备有没有超出核准的带宽。

发射类别在国际上有一套书写规则,由带宽码与类别符号拼成,等幅报写作 A1A,单边带话写作 J3E,调频话写作 F3E,前面再冠一个带宽数字:2K70 表示 2.7 千赫,200H 表示 200 赫兹。看懂这串字符,等于一眼读出对方占了多宽的路,也看得出为什么调频话与报务没法挤在同一个信道上。

带宽也能往宽了想,只是事情没那么简单。

【MC1-0858】商用业余单边带电台的语音信号通道为 300-3000Hz,高音频部分衰减很大。如果希望对设备进行改装,以将信号带宽扩展到 30-16000Hz,大大提升信号质量。可行的方案是: 正确答案:A(放弃该目标,不应超越业务性质所允许的必要带宽最低值)

把单边带话音通道从 300 到 3000 赫兹扩到 30 到 16000 赫兹,意味着占用几倍于必要带宽的频谱。业余业务对单边带话音的必要带宽有明确约定,超出去就是在邻频上制造干扰。听感上也划不来:短波信道的噪声与衰落决定了 3 千赫之外的音频成分大部分时间被噪声淹没,为了偶尔的好条件占用几倍的频谱并不值当。另外三个选项都在把信号弄宽上做文章,方向本身就错了。

五、灵敏度:三种写法,一笔对数

接收机指标里最容易看反的是灵敏度。

【MC1-0864】接收机灵敏度指标的数值大小具有什么意义? 正确答案:A(灵敏度指标的数值越小,接收微弱信号的能力越强)

灵敏度表达的是一台机器把微弱信号从噪声里拣出来的能力。用微伏表示时,数值越小越灵敏;用 dBm 表示时,数值越负越灵敏,两者说的是同一件事。所以看到零点几微伏这样的数字,说明这台机器在弱信号上有余力。

这条“越小越灵”的规则有个前提:两台机器的测试条件得一样。信噪比标准、中频带宽、有没有接匹配负载,任何一项变了,数字就没有可比性。有人把自家机器的灵敏度标到零点零几微伏,多半是换了很窄的带宽或者用了不同的判据,未必真的比别人的机器强。

一台机器的灵敏度不是孤零零一个数字,它必须跟质量标准绑在一起说。

【MC1-0866】用电压电平表示接收机的灵敏度具有什么意义?常用单位是什么? 正确答案:A(输出信号达到一定质量标准时输入信号的最小电动势。单位是μV、dBμV 或 dBmV)

这个指标的完整定义是:输出信号达到一定质量标准时,输入信号的最小电动势。注意这里用的是电动势(EMF,Electromotive Force),而不是端口上的电压;是“最小”而不是“最大”;单位是微伏、dBμV 或 dBmV,不是比值。选项 B 把电动势换成了电压,选项 C 换成了最大电动势且单位不全,选项 D 描述的是比值,那是增益或者信噪比的口径。

噪声系数与灵敏度说的其实是同一件事的两面。灵敏度是结果,噪声系数是原因;同一台机器换个更窄的中频带宽,灵敏度数字会变好,噪声系数却一点没动。城市里的电磁噪声往往比接收机本机噪声高出十几分贝,这种环境下继续追求零点零几微伏的灵敏度,收益还不如换一副架得更高的天线。

微伏这个单位在短波段很直观,到了甚高频与特高频段,数字小到零点几,念起来费劲,于是有了分贝形式:dBμV 以 1 微伏为基准,dBmV 以 1 毫伏为基准,两者之间差 60dB。写成对数之后,从零点二微伏到零点四微伏的变化就是 6dB,一眼能看出差距,也方便把几个指标放在一起比较。

到了五十欧姆的端口上,电动势与端子电压之间差一个因子二。

【MC1-0869】当输出信号满足规定质量标准时,在输入阻抗为 50 欧的某接收机天线输入端口处测得的输入信号最小电压为 1μV。如果用电压电平μV 表示该机的灵敏度,则为: 正确答案:A(2μV)

信号发生器有内阻,接收机输入端是匹配的五十欧姆负载,负载上量到的电压只是源电动势的一半。端口测得 1μV 时,对应的电动势是 2μV,这也是这道题把灵敏度写成 2μV 的道理。

同样口径再算一遍,把数字减半。

【MC1-0872】当输出信号满足规定质量标准时,在输入阻抗为 50 欧的某接收机天线输入端口处测得的输入信号最小电压为 0.5μV。如果用电压电平μV 表示该机的灵敏度,则为: 正确答案:A(1μV)

端口测得 0.5μV,电动势就是 1μV,所以按电压电平表示时写作 1μV。前一道题与这一道题其实共用一条规则:端口读数乘以二。

调频话音机的灵敏度常按信纳比(SINAD,Signal to Noise and Distortion)给出:输出端的信号加噪声加失真与噪声加失真之比达到 12dB 时,输入端的信号电平就是标称灵敏度。这个门限对应的是刚好能听懂的门槛,再弱下去语音就开始发碎,所以同一台机器按不同判据写出来的数字可以差好几倍。

换成功率电平,就轮到对数登场了。

【MC1-0873】当输出信号满足规定质量标准时,在输入阻抗为 50 欧的某接收机天线输入端口处测得的输入信号最小电压为 0.5μV。如果用功率电平 dBm 表示该机的灵敏度,则为: 正确答案:A(-113 dBm)

先把功率算出来。五十欧姆上的功率等于电压平方除以电阻:0.5μV 的平方是 2.5×10⁻¹³,除以 50 得 5×10⁻¹⁵ 瓦。以 1 毫瓦为基准取对数,10×lg(5×10⁻¹⁵/10⁻³) = 10×lg(5×10⁻¹²) = 10×(lg5 − 12) = 10×(0.699 − 12),约等于 −113 dBm。选项里那个 −107dBm 也有出处:1μV 端子电压的功率是 (10⁻⁶)²/50 = 2×10⁻¹⁴ 瓦,正好是 −107dBm,它对应比本题大一倍的信号,差 6dB。

把几组数字记成一条线,换算就快了。五十欧姆系统里,1 微伏的端子电压对应 −107dBm,也对应业余界常说的 S9;电压每差 6dB 就翻一倍或者减半,于是 0.5 微伏是 −113dBm,0.25 微伏是 −119dBm,而 50 微伏正好压在 −73dBm 上。选项里出现的 −73dBm 正是这条线的顶端,不是本题的答案。顺带提醒一句,S9 的基准在短波段定在 50 微伏,在甚高频段定在 5 微伏,两者差着 20dB,跨波段比较信号报告时要留个心眼。

同一个 0.5μV,换成电压电平又是另一个数。

【MC1-0874】当输出信号满足规定质量标准时,在输入阻抗为 50 欧的某接收机天线输入端口处测得的输入信号最小电压为 0.5μV。如果用电压电平 dBμV 表示该机的灵敏度,则为: 正确答案:A(0dBμV)

电压电平以 1μV 为基准取 20 倍对数。如果直接拿端口上的 0.5μV 去算,20×lg0.5 约等于 −6dBμV;考题沿用的口径把输入折成电动势,0.5μV 的端子电压对应 1μV 的电动势,20×lg1 = 0,所以答案是 0dBμV。−6 与 0 之间差的这 6dB,正是因子二在分贝上的体现。四个选项里没有 −6dBμV 这个数,也反过来印证了题目用的是电动势口径。

测量灵敏度需要一套标准配置:输出可精确读数的信号发生器、匹配的假负载或者等效信号源、接在音频输出端的毫伏表或者失真仪,再加上明确规定的判据。条件写不清,数字就没有意义;这也是设备说明书的灵敏度指标后面总要跟一串括号的原因。

挑机器时还有一个取舍:灵敏度与选择性通常不能同时讨好。把前端做得极灵敏,邻频强信号容易把弱信号压住;把滤波器做得极窄,噪声进得少,频率稳定性稍差就丢失信号。用户能做的,是把自己的常用场景摆在前面,让机器去适配场景。

短波段习惯用微伏,甚高频段常用 dBm,两套写法混着出现在同一份参数表里时,先看清楚基准与条件再比较。换算的常数只有几个,记住五十欧姆系统里那两条减法,剩下的事情就是按计算器。

把两种口径列成算式,就不容易混。以电动势为基准的电压电平记作 E,送到匹配负载的功率是电动势平方除以四倍电阻,于是 P 的分贝值等于 E 的分贝值减去 113;若改用端口上的端子电压 U,则 P 的分贝值等于 U 的分贝值减去 107。两把尺子的零点差 6dB,量出来的却是同一份功率,差的那 6dB 正好对应电动势与端子电压之间的因子二。

六、卫星、EME 与流星余迹

电离层能反射的频率有上限,越过这个上限,玩法就换成把信号打到天上再收回来。

【MC1-0908】在业余无线电领域中,缩写 AMSAT 是指: 正确答案:A(美国的业余无线电卫星公司,是一个专注于实验卫星的设计、制造、运行和推进空间教育的非营利性志愿者组织)

AMSAT 指的是美国的业余无线电卫星公司,一个专注于实验卫星的设计、制造、运行并推进空间教育的非营利性志愿者组织。它不是所有业余卫星的总称,也不是某一系列或者某一颗卫星的名字。这个称呼在业余卫星的文档里出现频率极高,看到它就知道接下来谈的是轨道、转发器还是遥测。

卫星上的转发器也分几种。线性转发器把一整段上行频率搬下来,带宽里能同时容纳报务、单边带和数据,用法灵活;调频中继只有一个信道,同一时刻只能一个人说话。无论哪一种,卫星都是稀缺资源,长时间占着不放会被频率上所有人听见,操作礼仪在这件事上格外具体。

业余卫星大多在低地球轨道上运行,绕地球一圈九十分钟上下,一次过境的可用窗口通常十几分钟,短的只有几分钟。轨道低,多普勒效应就明显:一百四十五兆赫上的偏移可达三千赫兹以上,四百三十五兆赫上能到一万赫兹,守听时要跟着频率走,否则一个窗口里得反复重调。上行与下行频率分开,有的还跨波段,收发异频操作在卫星上是常态。

卫星之外,还有一面远得多的镜子。

【MC1-0911】开展 EME 通信试验的最佳时机是: 正确答案:A(月亮处于近地点)

月面反射(EME,Earth-Moon-Earth)通信把月亮当反射体用,链路预算紧到每一分贝都要计较,最佳时机因此落在月亮处于近地点的时候。近地点到地面约三十六万千米,远地点约四十万千米,单程距离差约百分之十一,路径损耗差约 1dB,来回就是 2dB 上下,对一条本来就贴着噪声底的链路来说,这两个分贝可能直接决定通与不通。满月时月面被太阳照得更亮,射电噪声温度反而升高;两端天气对 1.3 千兆赫的影响有限;太阳黑子数主要左右短波电离层传播,跟地月链路没有关系。

频段越高,同样尺寸的天线增益越高,可前端噪声与指向精度的要求也跟着涨。多数人从两米或者七十厘米段入手,用数字模式补上功率和天线口径的不足;等到把跟踪、校准、噪声测量这些环节都摸熟了,再往更高的频段走。

地月链路的门槛也不低。天线要几十个单元的长八木或者一面大抛物面,前端要噪声系数极低的放大器,发射功率动辄几百瓦到一千瓦以上。模式上早年的随机报务已经让位给数字模式,如今 Q65 是主流,它能在信噪比低到耳朵听不见的程度把呼号与报告解出来,把这条最难的链路从少数大台手里放开了一些。

另一类反射体近得多,出现得也突然。

【MC1-0914】下列哪个业余波段最适合流星余迹散射通信? 正确答案:A(6 米)

流星在大约八十到一百千米的高度烧蚀,留下一道细长的电离余迹,存在时间从几十毫秒到几秒不等。频率太低时,电波先被下面的电离层反射和吸收,不容易打到余迹上;频率太高,余迹的散射截面又变小。五十兆赫附近兼顾了穿透与散射效率,六米波段因此成为业余流星余迹通信最常用的选择,两米波段也有实验,但余迹的触发条件更苛刻。

余迹还分两类。欠密余迹稀薄,反射弱,只能撑几十毫秒,靠它联络要碰运气;过密余迹电子密度高,能维持到几秒,一次反射就可能走完一个短回合。每年固定出现的流星雨会把小时流星数抬高几倍,一月的象限仪座、八月的英仙座、十二月的双子座都是热门的实验窗口,很多人提前把设备调好等这几天。

余迹存在的时间这么短,通信方式必须跟着变。

【MC1-0915】下列哪些通信方式可用于流星余迹和对流层散射通信实验? 正确答案:A(FT4)

几秒的时间窗容不下慢吞吞的对话,需要短周期、强纠错的数字模式。FT4 的收发周期是 7.5 秒,可以看作 FT8 的倍速版本,本来就是为快速衰落的路径设计的,流星余迹与对流层散射都合用。APRS 是靠分组无线电报位置和遥测的系统,与这种短窗口实验不是一路;QPSK31 不是标准模式名称;MT63 是短波上的键盘聊天模式,节奏太慢。对流星余迹这类转瞬即逝的通道,选模式的第一条标准就是快。

数字模式之所以合用,一是把信息压进几秒之内,二是靠纠错编码把微弱信号里残存的判决信息拼回完整报文。同样几秒钟,用耳朵抄报只能挤出几个字符,用解码软件却可能换来一次完整通联。这几年流星余迹实验的门槛明显下降,靠的正是这一层编码上的余量。

这套玩法还有一条物理上的限制:双方的天线要同时照到同一片天空。流星余迹出现在八九十千米高的稀薄大气里,扫过的区域有限,两端相距几百到两千千米时命中率最好,太近或者太远都会掉下来。挑时间、挑距离、挑波段,三件事凑齐了才谈得上成功。

结语

这一批题从假负载那一只电阻出发,走完了发射与接收两条链路上最常用的指标。调测阶段把功率喂给假负载,是合规的起点;调制器与解调器负责把信息刻上载波、再取下来;抗干扰、增益、噪声与失真四项撑起接收能力;效率的一笔账把射频功率换算成电流与电能,也把载波功率、峰包功率和平均功率三个概念分清;必要带宽决定了报务只要两百赫兹、调频话音要十二点五千赫,改装扩宽这条路走不通;灵敏度的三种写法背后是电动势、端子电压与功率之间的换算,差一个因子二就是 6dB。走出电离层,卫星、月面反射和流星余迹把链路预算推到极限,时机、波段与模式的选择全都围绕每一分贝都要争这件事。

把这几组指标连起来看,会发现它们指向同一件事:能量与频谱都有成本。假负载省下的是合规风险,效率账算的是电费与散热,带宽与灵敏度则是在有限的路宽里换信噪比。明白了成本在哪,调机器时就不容易做无用功。

下一批题回到工作台上,认一认元器件:电阻、电容、电感各自的脾气,二极管与三极管怎么区分,石英晶体为什么能稳住频率,集成电路与变压器又管什么。那是一片看起来零碎、实际上处处有规律的丛林。

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