Aktualizacja: 2010-08-08

VLF - Odbiór niskich częstotliwości

Fale radiowe używane przez człowieka zajmują szerokie pasmo częstotliwości. Są to fale długie, średnie, aż do bardzo wysokich (rzędu GHz). Fale długie to zwykle tylko telegrafia, natomiast wysokie częstotliwości pozwalają nie tylko na transmisje obrazu, dźwięku, ale i na osiąganie wysokich prędkości transferu danych cyfrowych.

Częstotliwości bardzo niskie, nazywane są VLF. Skrót ten pochodzi od angielskich słów "Very Low Frequency" oznaczających "bardzo niskie częstotliwości", polski odpowiednik tej nazwy to „fale myriametrowe”. Ich częstotliwość zawiera się w przedziale 3-30kHz, co daje długość fali aż 10-100 km! Jest również możliwe słuchanie fal o jeszcze niższych częstotliwościach, nawet kilku herców, a ich długość to tysiące kilometrów !

Niskie częstotliwości radiowe wykorzystywane są przez ludzi, mimo swojej małej przepustowości danych służą komunikacji. By efektywnie wypromieniować falę radiową należy wybudować antenę o długości równej długości fali, jeśli jednak nie jest to możliwe (np. VLF) trzeba dostarczyć dużą moc. Głównym nadawcą transmisji w paśmie niskich częstotliwości jest wojsko.

(Źródło zdjęcia: Michael Kleiman, US Air Force)

Fale VLF bardzo dobrze propagują się jako fala przyziemna. W praktyce oznacza to, ze antena nie musi znajdować się na maszcie, można ja instalować przy ziemi. Zastosowanie: okręty, łodzie podwodne. W przypadku instalacji naziemnych oznacza to bardziej wytrzymały system antenowy. Atutem jest brak występowania zaników oraz stref martwych. Kolejnym powodem używania tak drogich systemów jest fakt, że stacje nadawczą można zlokalizować z dokładnością rzędu długości fali.

stacja projektu HAARP

(Źródło zdjęcia: United States Federal Government)

Długość fali VLF wynosi kilka tysięcy kilometrów. Namierzenie stacji nadawczej z taką dokładnością mija się z celem. Można, co najwyżej określić kontynent, z jakiego stacja nadaje. Nie trzeba chyba przekonywać o wartości militarnej tego prawa fizycznego! Okręty podwodne (używają do komunikacji również tego zakresu fal) są, zatem niewykrywalne z tego punktu widzenia. Fal VLF używa się też do transmisji światowych wzorców czasowych. Wiele radio-budzików, zegarów, ma wbudowane synchronizatory czasu ze wzorcem światowym. Odbiór jest znacznie prostszy od nadawania. Odbiorniki nie wymagają podłączania ogromnych systemów antenowych oraz nie trzeba dostarczać olbrzymich mocy zasilających. To umożliwia miniaturyzacje całego urządzenia. Można wyróżnić dwa rodzaje anten odbiorczych. Pierwszym typem są anteny elektryczne, odbierają one składową elektryczną z fali elektromagnetycznej (radiowej). Budowa tego typu  anten sprowadza się jedynie do rozciągnięcia jak najdłuższego odcinka przewodnika - są to tak zwane anteny dipolowe. W dipolu indukuje się napięcie, jakie dostarcza się do odbiornika. Drugim typem są anteny wyczulone na składową magnetyczną. Pole elektromagnetyczne indukuje zmienne napięcie w cewce. Anteny te są zbudowane ze zwojów (cewka) nawiniętych na średnicy kilkunastu centymetrów. Dla VLF opór takiej anteny powinien być jak najmniejszy, buduje się je z materiałów nadprzewodzących, to jednak w wielu przypadkach jest trudne do osiągnięcia, ponieważ większość przewodników osiąga nadprzewodnictwo w temperaturze bliskiej zera Kelwinów ( minus dwieście siedemdziesiąt trzy stopnie Celsjusza). W warunkach amatorskich jedyne, co można zrobić to nawinąć cewkę (antenę) grubym drutem, najlepiej miedzianym (lub drutem srebrnym albo złotym). Powstały sygnał doprowadzany zostaje do konwertera prąd-napięcie, jaki można zbudować  tylko z jednego wzmacniacza operacyjnego.

Co można usłyszeć? Istnieje wiele sztucznych źródeł VLF. Jednym z nich jest Amerykański system komunikacyjny 76 Hz, natomiast rosyjski odpowiednik pracuje na częstotliwości 82 Hz. W systemach nawigacji naziemnej Rosjanie używają nadajników „Alfa”, oraz nadają wzorce czasowe nadajnikami „Beta”. Oczywiście należy się spodziewać bardzo silnego sygnału o częstotliwości 50Hz, to sygnał wytworzony przez sieć elektryczną. Można zaobserwować wiele harmonicznych na 100Hz, 150Hz i dalej. W obszarach zurbanizowanych istnieje też szereg innych sygnałów, jednym z ciekawszych jest obserwacja częstotliwości 15.625kHz. Siła tego sygnału może dostarczyć informacji o liczbie pracujących w okolicy telewizorów (jest to częstotliwość odchylania w kineskopie). Poza źródłami sztucznymi, trzeba przede wszystkim wymienić źródła naturalne. To właśnie one stanowią szerokie pole badań, gdyż wiele z nich w dalszym ciągu oczekuje na klasyfikacje oraz odkrycie! Fale te rodzą się dzięki zjawisku występującemu w ziemskiej magnetosferze, jonosferze jak i również skorupie ziemskiej. Dużym procentem obserwowanych fal są sygnały powstałe w atmosferze. Często można usłyszeć charakterystyczne odgłosy wytwarzane przez wyładowania elektryczne (burze) z odległości tysięcy kilometrów! Dobrze znane są też tak zwane rezonanse Shumana. Pierwszy z nich można odnotować na częstotliwości 7.8 Hz. Powstają one dzięki stworzeniu między ziemią a jonosferą przerwy rezonansowej dla fal elektromagnetycznych.

Budując odbiornik niskich częstotliwości można wybrać jeden z dwóch sposobów, albo zaprojektować go od podstaw, albo wykorzystać od razu do tego celu komputer i specjalne oprogramowanie. Myślę, że w początkowej fazie badań najlepszą drogą jest ta druga. Jeśli w przyszłości zajdzie potrzeba rozbudowy stacji odbiorczej, zawsze będzie można to zrobić. Praca z komputerem raczej nikogo nie ominie. Odbiór VLF polega nie tyle na słuchaniu, co na analizie widma. Ucho człowieka okazuje się niewystarczającym instrumentem do detekcji tego, co się aktualnie dzieje „na antenie”. Opłaca się, co prawda słuchać tego, co analizujemy, czasami można nazwać to śpiewem kosmosu; trzaski daleko przechodzących burz, gwizdy, ćwierkania, wysokoenergetyczne cząsteczki wysyłane przez słońce, zorze polarne, to wszystko daje wrażenie przepięknej muzyki. Częstotliwość sieci energetycznej po odebraniu i przeniesieniu 50Hz na głośnik to basowe buczenie. Podstawowym elementem jest karta dźwiękowa - pozwala ona na próbkowanie z maksymalną częstotliwością 44.1kHz, lub w lepszych kartach, 48kHz, co pozwala uzyskać pasmo odbieranych sygnałów od 0 do 22.05kHz (odpowiednio od 0 do 24kHz przy próbkowaniu 48kHz). Pozostaje jedynie podłączyć do karty dźwiękowej jakąś antenę.

Jeśli chodzi o oprogramowanie i analizę to polecam program SpectrumLab autorstwa Wolfgang’a Buescher’a. Jest to bardzo intuicyjne i przejrzyste oprogramowanie na licencji freeware, (czyli zupełnie za darmo). Zostało ono stworzone właśnie z myślą o analizie VLF w czasie realnym. Na ekranie głównym programu widać „wymaz” częstotliwości dokonywany za pomocą szybkiej transformaty Fouriera. Zachęcam do wcześniejszego podłączenia mikrofonu do karty dźwiękowej zamiast anteny, w celu zapoznania się z działaniem programu.

Transmisje muszą być zapisywane bezstratnie, zatem nie można użyć koderów mp3 i tym podobnych, ponieważ podczas kompresji dochodzi do obcięcia częstotliwości, co w tym przypadku jest niepożądane. Można zapisywać dane w formacie wav, należy pamiętać o objętości tego formatu pliku (ponad 4 MB za minutę). Może warto pomyśleć o zapisie na starych taśmach magnetofonowych.

odbiornik VLF


Linki

Wyślij komentarz