Das Thema des Empfangens und Analysierens von ultralangen Wellen ist sehr interessant, wird aber bei Habré selten erwähnt. Versuchen wir, die Lücke zu schließen und zu sehen, wie es funktioniert.
VLF-Sender in Japan (c) en.wikipedia.org/wiki/Very_low_frequency
VLF
Ultra-niedrige Frequenzen gelten als Frequenzen des Funkbereichs mit einer Frequenz von weniger als 30 kHz. Das Interesse des Militärs an ihnen trat vor langer Zeit auf, als klar wurde, dass Funkwellen mit einer so langen Wellenlänge (Wellenlänge bis zu 100 km!) Wasser durchdringen können und zur Kommunikation mit U-Booten verwendet werden können. Es ist schwer zu sagen, wer auf diese Methode gekommen ist, aber bereits 1943 wurde der Goliath- Sender in Deutschland eingeführt , der Daten mit Frequenzen von 15 bis 25 kHz an U-Boote überträgt. Nach dem Krieg wurde der Sender zerlegt, in die UdSSR transportiert und neu gestartet. Laut Wikipedia funktioniert er immer noch.
Der Wirkungsgrad einer Antenne hängt von der Wellenlänge ab, und bei sehr langen Wellenlängen ist der Wirkungsgrad der Antenne ebenfalls sehr niedrig - bei Megawatt beträgt die Strahlungsleistung (EIRP) nur 30-50 kW. Die Möglichkeit der verdeckten Übertragung von Signalen an U-Boote ist jedoch sehr attraktiv, so dass niemand aufgehalten wurde - solche Systeme funktionieren natürlich noch heute. Es ist sehr schwierig, VLF-Signale zu senden, aber jeder kann sie empfangen. Sie benötigen dafür nicht einmal einen Funkempfänger, Frequenzen von 20-30 KHz sind für eine normale PC-Soundkarte durchaus zugänglich. Wir müssen ein längeres Kabel nehmen, es an den Eingang der Soundkarte anschließen und mit einem Laptop irgendwo im Wald oder auf dem Feld arbeiten, wo keine industriellen Störungen auftreten. Obwohl moderne Technologien eine viel bequemere Art des Empfangens bieten - online mit SDR.Sie können beispielsweise das Panorama des Empfängers der niederländischen Universität sehenTwente :
Alle vertikalen Linien sind aktuelle Systeme. Das Ergebnis ist erstaunlich, das VLF-Spektrum ist nicht weniger "gestaut" als die abendliche Sendung im FM-Rundfunkband. Mal sehen, was wir hier sehen können.
Bei Frequenzen von 12-15 KHz sehen wir Markierungen im Zusammenhang mit dem russischen Funknavigationssystem Alpha (vollständiger Name RSDN-20 - Radio Technical System of Long-Range Navigation). Laut Wikipedia arbeiten Alpha-Sender mit 11,9, 12,6 und 14,8 kHz, und das System bietet eine Positionierungsgenauigkeit von bis zu 1,5 km. Im Panorama sind jedoch keine Impulse sichtbar, möglicherweise
Rezeption
Wie Ultrahochfrequenzsignale empfangen werden, ist nicht weniger interessant. Aus offensichtlichen Gründen gibt es jedoch praktisch keine detaillierten Informationen zu Kommunikationsgeräten mit U-Booten in offenen Quellen. Die allgemeine Idee kann aus dem Bild verstanden werden:
Signalausbreitung über den Horizont © IEEE Communications Magazine 1981
Wie Sie sehen können, wird ein langer Draht als Antenne verwendet, der sich entweder einfach hinter dem Boot erstreckt oder von einer speziellen Boje in einer bestimmten Tiefe gehalten wird. Die Antennen selbst sind natürlich nicht geheim, PDF mit einer Beschreibung ist bei Google recht leicht zu finden:
Die Kabellänge von 700 m ist beeindruckend, aber zum Glück für uns ist "an Land" alles viel einfacher, und solche Riesenantennen sind nicht erforderlich, man kann sogar VLF-Signale empfangen tragbare Antenne MiniWhip befindet sich auf dem Balkon.
Aufzeichnung und Analyse
Lassen Sie uns nun die Struktur des übertragenen Funksignals sehen. Zum Beispiel habe ich ein zufälliges DHO38- Signal genommen, das mit 23,4 kHz aus Deutschland gesendet wurde. Für die Aufnahme wählen wir die Frequenz und Modulation wie in der Abbildung gezeigt aus und klicken auf die Schaltfläche Audioaufnahme.
Die resultierende Datei kann im kostenlosen Programm Signals Analyzer geöffnet werden . Aus dem Bild ist ersichtlich, dass das Signal Frequenzmodulation (FSK) verwendet:
Wenden wir den FSK-Demodulator an, wir erhalten eine Folge von Bits:
Übrigens beträgt die Übertragungsrate 200 Bit pro Sekunde - um Youtube zu sehen, ist es definitiv nicht genug, aber für ein U-Boot in einer Tiefe von 30 m trotzdem und das ist nicht schlecht Und wie Sie vielleicht erraten haben, ist die VLF-Kommunikation eine Einbahnstraße - die Besatzung des Bootes kann unter Wasser nicht antworten.
Betrachten wir das Signal genauer. Speichern wir die nach dem FSK-Decoder erhaltene Datei in WAV. Natürlich können wir den Inhalt der Übertragung nicht empfangen - das Signal ist höchstwahrscheinlich verschlüsselt. Sie können die Struktur eines Bitstroms jedoch sehen, indem Sie ihn mit Python in ein 2D-Bild "erweitern". Wenn die Daten sich wiederholende Fragmente enthalten (z. B. wird der Stream in Pakete einer bestimmten Länge aufgeteilt), ist dies auf dem Bild deutlich sichtbar.
Quelle
from scipy.io import wavfile
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
_, data = wavfile.read('websdr_recording_2020-11-06T15_00_00Z_23.4kHz_.wav')
print("WAV: %d samples" % data.shape[0])
for iw in range(400, 1024, 2):
print("Saving: {} of {}...".format(iw, 1024))
w, h = iw, 800
image = Image.new('RGB', (w, h))
px, py = 0, 0
for p in range(data.shape[0]):
image.putpixel((px, py), (0, data[p]//16, 0))
px += 1
if px >= w:
px = 0
py += 1
if py >= h:
break
image.save("image-%d.png" % iw)Wir kennen die Parameter der Übertragung nicht, daher gehen wir einfach alle Ausgabeoptionen durch. Das Ergebnis ist eine Reihe von Dateien, die ungefähr so aussehen:
Es ist leicht zu erkennen, dass bei einer bestimmten Bildbreite einige Muster leicht zu erraten sind. Bitstream vergrößert:
Interessenten können selbst mit der Breite des Bildes experimentieren, das Prinzip ist hoffentlich klar. Die Steigung der Linien ist darauf zurückzuführen, dass die Frequenzen von Sender und Empfänger nicht übereinstimmen. Um einen vollwertigen Bitstream zu erhalten, reichen 20 Codezeilen natürlich nicht aus, und das Schreiben eines digitalen Demodulators mit PLL geht eindeutig über den Rahmen dieses Artikels hinaus. Und im Großen und Ganzen macht das nicht viel Sinn - das Signal ist sowieso verschlüsselt, und selbst mit Bitdaten werden wir nichts anderes tun. Obwohl diejenigen, die es wünschen, versuchen können, selbst nach Mustern zu suchen.
Fazit
Wie Sie sehen, ist das Studium solcher Kommunikationssysteme nicht nur von technischem, sondern auch von historischem Interesse. Und bei extrem niedrigen Frequenzen gibt es immer noch viele interessante Signale, einschließlich solcher natürlichen Ursprungs, zum Beispiel Schumann-Resonanzen bei Frequenzen von 10 bis 20 Hertz.
Als Bonus für diejenigen, die bisher gelesen haben: Wer "live" sehen möchte, wie Senden und Empfangen auf solchen Frequenzen funktionieren, kann versuchen, den deutschen Sender Pinneberg zu empfangen , der Wetterberichte in offener Form mit 147,3 kHz sendet. Sie können das Signal mit verschiedenen Programmen, z. B. MultiPSK, decodieren. Sie können auch die Dekodierung mit Python in Betracht ziehen, wenn Sie möchten, schreiben Sie in die Kommentare.
Wie immer viel Glück an alle.