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永不消逝的电波(一):无线电安全入门篇

无线电发展简史

· 1837 年,摩斯发明了电报,创造了摩斯密码(Morse code),开始了通信的新纪元。
· 1865 年,英国的麦克斯韦总结了前人的科学成果,提出电磁波学说。 
· 1876 年,贝尔发明了电话,能够直接将语言信号变为电能沿导线传送。 
· 1887 年,德国科学家赫兹(Hertz)用一个振荡偶子产生了电磁波,在历史上第一次直接验证了电磁波的存在。 
· 1897 年,意大利科学家马可尼(Marconi)在赫兹实验的基础上,实现了远距离无线电信号的传送,这个距离在当时不过一百码,但一年后他就实现了船只与海岸的通信。 
· 1901 年 12 月 12 日,马可尼做了跨越大西洋传送无线电信号的表演。这一次他把信号从英国的 Cornwall 发送到加拿大的 Newfoundland。 马可尼因此获得 1909 年度诺贝尔奖。与他分享这一年度诺贝尔奖的是布劳恩(Braun),因为布氏发现金属硫化物具有单向导电性,这一成果可用于无线电接收装置。 
· 1904 年,英国科学家弗莱明(Fleming)获得了一项专利,在专利说明书中描述了一个高频交变电流整流用的两极真空管,标志着进入无线电电子学时代。  
· 1906 年,美国科学家弗雷斯特(Forest)发明了真空三极管,是电子技术发展史上第一个重要里程碑。同年,美国科学家费森登(Fessenden)在 Massachusetts 领导了第一次广播。 
· 1912 年,英国科学家埃克尔斯(Eccles)提出了无线电波通过电离层传播的理论,这一理论使得一群业余爱好者在 1921 年实现了短波试验性广播; 同年,美国的费森登(Fessenden)和阿姆斯特朗(Armstrong)改进了接收机的工作方式,发明了外差式接受系统,这种形式仍是目前许多无线电接收机的主要工作方式。

在新中国成立后相当长的一个时期内,由于考虑国家安全等问题,国家对无线电台实行“少设严管”的政策,无线电台成为军队、邮电、广播、公安和交通等国家要害部门进行信息通信的重要工具。改革开放以后,各种无线电新技术、新业务在国民经济和社会生活的各个领域得到了越来越广泛的应用,我国逐步成为全球无线电应用大国。

近年来,国际电联划分的 43 多种无线电业务,已在我国通信、广电、铁路、交通、航空、航天、气象、渔业、科研等行业和领域得到广泛应用,有力地推动了经济和社会发展的进程。

0×01 电磁波与无线电

1. 混为一谈 OR 完全割裂

有人会把电磁波、光、无线电波混为一谈,也有人会把它们完全割裂开来,这些都是不正确的。

在快速变化的电流周围会产生电磁波,为了描述电磁波的特征,科学家们引入了频率、波长、波速三个物理参数:

物理量       概念                          单位
频率(f)    电磁波 1s 振荡的次数             赫兹(Hz)
波长(λ)    电磁波每振荡一次向前传播的距离  米(m)
波速(c)    电磁波每 1s 向前传播的距离       米 / 秒(m/s)

公式    C=λf(波速=波长×频率)

2. 电磁波波段划分:

L 波段、S 波段、C 波段、X 波段、Ku 波段、K 波段、Ka 波段。

这种划分方式是雷达业内的通俗叫法,没有一个严格、统一的标准。通常的划分是:

L 波段 1~2GHz;
S 波段 2~4GHz;
C 波段 4~8GHz;
X 波段 8~12GHz;
Ku 波段 12~18GHz;
K 波段 18~27GHz;
Ka 波段 27~40GHz;
U 波段 40~60GHz;
V 波段 60~80GHz;
W 波段 80~100GHz.

3. 电磁波的速度&分类:

电磁波产生之后,传播时不需要任何介质,在真空中也能传播,其在真空中传播速度为固定值,是宇宙中物质运动的最快速度,与光速相同,数值为 3×10^8 (3 乘 10 的八次方) m/s;

电磁波根据波长的大小,分为短波、中波、长波、微波、红外线、可见光、紫外线、Χ射线、γ射线等。

4. 无线电波传播途径:

无线电波广泛地应用于无线电通讯、广播、电视等方面,无线电波的发射和接受通过天线实现,其传播分为三种途径:天波、地波、微波。

地波:沿地球表面空间传播的无线电波叫做地波。由于地球是一个大导体,地球表面会因地波的传播引起感应电流,因此地波在传播过程中要损失能量,频率越高损失的能量也越多,所以地波主要适用于长波、中波和中短波。
天波:依靠电离层的反射来传播的无线电波叫做天波。电离层对于不同波长的电磁波的反射和吸收表现不同的特性,波长越长,吸收越强反射越弱,因此短波最适宜以天波的形式传播。
微波:微波是由于频率高、波长短,它既不能以地波的形式传播,又不能依靠天波的形式传播,和光一样,沿直线传播。

5. 无线电与电磁波

频率在数百千赫兹到数百兆赫兹之间的电磁波叫做无线电波,它包括短波、中波、长波、微波,无线电波也仅仅是电磁波的一部分,但电磁波不仅仅只有无线电波,仅仅只有频率相对较低的一部分电磁波才叫无线电波。

0×02 无线电信号调制

1. 什么叫调制,为什么要调制?

声音的频率是 20HZ-20KHZ,转变成电磁波后也是这个频率,属于低频。电磁波的频率越高越容易传送得更远。所以音频需搭载在高频信号上才能传输得更远,音频搭载上高频信号的过程就叫调制。

调频波波形

无线电信号是原始信号和已调振荡信号的总称。声音、图像、文字、电码等欲传送的信息,通过转换设备后,转变成为相应变化的电压或电流,这种变化的电压或电流称为原始信号。在发射机中原始信号是用来调制高频振荡的,或者说是用来控制高频振荡的某一参数的,因此又称为调制信号或控制信号。经过调制的高频振荡,或者说参数按调制信号规律变化的高频振荡,称为已调振荡(已调波)。

调制的目的是为了把音频传送到更远的地方。目前常用的方法有调幅(AM)和调频(FM)两种方法。

AM(Amplitude Modulation 调幅):调制幅度,高频信号的幅度随着音频信号幅度的改变而改变,当音频信号的幅度高时高频信号的幅度也跟着高,反之跟着变低,形成音频信号的幅度包络,但高频信号的频率保持不变;调幅的特点是频宽宽,距离短。频宽宽的意思是对阻碍物的穿透能力强,但是传输距离较短
FM(Frequency Modulation 调频):调制频率,高频信号的频率随着音频信号幅度的改变而改变,当音频信号的幅度高时高频信号的频率也跟着高,反之跟着变低,但高频信号的幅度保持不变。调频的特点是频宽窄,距离长。频宽窄的意思是对阻碍物的穿透能力弱,但是传输距离长。

注:

频率:波在一定时间内震动次数
幅度:波在震动时候上下的幅度大小
调制器:    用于实现调制信号对高频载波信号的调制,产生已调波输出。
高频放大器:    对产生的已调波进行功率及幅度的放大后送至天线发射出去。
电源:    为电路各个部分提供电源。

数字信号波形

0×03 日常生活中的无线电

1. 收音机(无线广播)

在一般的收音机或收录音机上都有 AM 及 FM 波段,这两个波段是用于收听国内广播的,若收音机上还有 SW 波段时,那么除了国内短波电台之外,还可以收听到世界各国的广播电台节目。

一般中波广播(MW: Medium Wave)采用了调幅(AM)的方式,在不知不觉中,MW 及 AM 之间就划上了等号。实际上 MW 只是诸多利用 AM 调制方式的一种广播,像在高频(3-30MHz)中的国际短波广播所使用的调制方式也是 AM,甚至比调频广播更高频率的航空导航通讯(116-136MHz)也是采用 AM 的方式,只是我们日常所说的 AM 波段指的就是中波广播(MW)。

2. 遥控器

3. 路由器

频率:2.4GHz、5GHz    

双频路由:2.4G&5GHz





4. 卫星天线

目前,卫星电视广播采用了三种方式:

一、通过普通的通信卫星将模拟或数字电视信号转发到本地电视台、有线电视网或集体接收站进入千家万户;
二、采用模拟技术,使用大功率电视直播卫星直接向家庭广播电视信号,由于这种电视信号未经数字压缩处理,每个转发器只能直播一路电视节目信号,每颗卫星一般只能直播几路电视节目;
三、采用 Ku 频段数字视频压缩卫星电视直播。每个卫星转发器可向装有约为 0.5~0.8m 左右的小口径卫星接收天线的家庭直播 5~8 路电视节目,一颗卫星可以直播 100 多路电视信号。这种业务亦称卫星数字电视直播(DVB-S);
随着航天技术、数字电视技术、微电子技术、码率压缩技术的突破性进展,使卫星电视由原来的 C 频段转播进入了数字 Ku 频段的直播卫星阶段。卫星数字电视直播的发展已成为全球热点。

C 波段天线&Ku 波段天线

c 波段卫星 机顶盒的大锅 直径 1.2 米





户户通(村村通)直播星小锅 直径 0.3 米

卫星天线的一些小知识:

· 在卫星通信中,要先从地面站向卫星上发送通信信号,叫上行,经过卫星上的星载设备进行放大,再发送回地面的另一个接收站接收,叫下行。
· 为防止上行和下行频率重叠干扰,系统中上行和下行各采用一个频率进行发送,从地面向卫星发送上行信号的频率叫上行频率,从卫星向地面发送下行信号的频率叫下行频率。

卫星天线调试参数:本振频率、下行频率、符号率、极化方式,不过目前大多数机顶盒自带自动搜索功能,所以这些参数无需牢记。

亚洲七号卫星部分节目参数近期 FreeBuf 报道也曾报道过,APT 组织 Turla 使用基于卫星的通信实现 C&C。

5. 机场塔台与飞机

一般来说,降落的灰机高度在 6K 的时候会通过无线电与机场塔台联系,首次联系时会向机场塔台报告本次航班的编号、已经收到的机场通播编号等(起飞的时候灰机和塔台之间也会有通信联系)。

然后机场塔台会回复该航班,是否已经从雷达上看到该航班、该航班应继续进行的操作(例如保持目前航向等),然后该航班会重复一次机场塔台刚刚发布的指挥信息。这就完成了一次联系。

机场塔台&飞机

我国民航使用的无线电频率:1090MHz

民用对讲机使用的无线电频率:408-409MHz

警用频率:350-390MHz

0×04 使用软件无线电接收飞机信号

1. 接收飞机信号的常用设备

电视棒

优势:廉价(四五十元) 接地气

不足:只能接收、不能发射信号

HackRf

优势:开源、可以接收、发射信号

不足:USB2.0 传输速率低于接收速率

其它设备:bladeRF 

优势:USB3.0;支持 300MHz 到 3.8GHz 

缺陷:最高只能支持 3.8GHz,不可能用 bladeRF 来实现 5GHz 频段的 802.11n

电视棒的核心芯片:

淘宝搜索”电视棒”一词是被屏蔽的,想买的同学可以搜电视棒的芯片名:“RTL2832U”。

USB DVB-T & RTL-SDR Realtek RTL2832U & R820T,这是螃蟹( Realtek)的一个芯片型号,原本是做电视棒芯片的。

后来被人发现这个芯片具有非常广的频率接收范围,然后就被用来做 sdr 应用了,rtl 的 sdr 应用。

其实,某宝两三百的无线电接收器也是根据电视棒芯片改装的。

(都是用的 RTL2832U。左边价格三百,右边四十多,知道真相的我曾经哭晕在厕所)

2. 电视棒使用的一些软件

硬件有了,那么软件呢?

Linux:(Ubuntu)环境搭建

硬件驱动:rtl-sdr  

接收信号&解码:dump 1090

sudo apt-get install git
sudo apt-get install cmake
git clone https://github.com/pinkavaj/rtl-sdr.git
cd rtl-sdr/ 
mkdir build 
cd build
cmake ../
make 
sudo make install 
sudo ldconfig

编译安装 dump 1090:

git clone https://github.com/antirez/dump1090.git 
cd dump1090/ 
make

软件启动:

cd /home/$user/dump1090 #转到 dump 1090 的主目录
sudo ./ dump1090 --interactive --net

软件截图:

软件界面参数:

HEX:16 进制数据
Flight:航班号
Altitude:灰行高度(海拔)
Speed:灰行速度
Lat/Lon:地理坐标(经纬度数)

dump 启动时会开启自带的 WEB 服务器,并且 WEB 调用了谷歌地图的 API 接收到飞机的一些信息后 会在页面地图上描绘出飞机的轨迹(谷歌地图目前需要翻墙):

Windows:

驱动 -zadig:类似于驱动精灵。可以在 win 上安装电视棒、HackRf 的驱动;

sdrsharp:可以用来听广播&录制无线电信号 并把信号保存为音频文件;

HDSDR:把音频转化为信号,可配合 HackRF 使用进行信号输出;

rtl1090:可以接收灰机信号;

Audacity:音频分析(信号分析);

另外,之前在网上查阅资料的时候看到一张图片,思路很 Nice:(原文 :使用 HACKRF 巡视钓鱼岛(HACKRF ADS-B out) )

理论上来说,这种思路是可以实现的,但是法律上不可能允许民众私自占用无线频段,(一定要遵守无线电管理法规!一定要遵守无线电管理法规!一定要遵守无线电管理法规!重要的事情要说三遍),PS:通过无线电信号的“伪造”灰机,那么雷达那边如何才能瞒天过海?

第一篇先到这里,接下来的文章中我们将通过 windows 上一些软件(sdrsharp、HDSDR、Audacity)进行信号分析并使用 HackRF 进行简单的遥控信号重放。

安阳对讲机

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