微弱信号远距离通信发展及通联实测

梅 林，陶建胜

（国家无线电监测中心上海监测站，上海 201419）

0 引言

1837年，莫尔斯发明了电报，创造了莫尔斯码，开创了通信的新纪元。60年后，马可尼发明了第一套成品无线电发射、接收机，首次实现了“远距离”通信。在这些伟大的基础上，1920年CW通信模式诞生，至此才真正意义上实现了微弱信号远距离通信。随着技术进步，CW 的编码和调制变得落后，不再是最佳的弱信号通信方式。为了满足月面反射（EME）以及流星余迹（MS）等通信，近几年多种数字模式被创造以实现这类超远距离通信。部分数字制式如表1所示。

表1 部分数字通信制式参数

微弱信号远距离通信的发展归功于Dr. Joe Taylor呼号（K1JT），其不仅在天文物理学领域有巨大的成就，曾凭借对脉冲星的研究获得诺贝尔物理学奖；更是一位业余无线电爱好者，专注于微弱信号的研究。其研发的WSJT（Weak Signal Communication by K1JT）软件支持上述各类数字模式的编码、解码并用于业余无线电弱信号通信中。

1 几种典型的数字制式

1.1 JT65

JT65最初设计用于VHF波段的EME通联，其调制方式为65个频率音的FSK，65个频率音中，一个用于信号同步，占发射功率的一半，其他64个用于传输信息。JT65一直是EME通信的最佳选择，直到2016年QRA64模式开发，其对微弱信号的解析能力高于JT65，旨在EME通信中替换JT65。JT65共有三种子模式JT65A、JT65B、JT65C，它们的主要区别在于65个频率音频移间隔，分别为2.7Hz、5.4Hz、10.8Hz，因此三种子模式的带宽也不相同。JT65A是三个子模式中最流行的，相比起EME通联，将JT65应用到短波通联上效果显著，而JT65A正是因此诞生。

1.2 FT8

FT8模式由Joe Taylor （K1JT） 和 Steve Franke（K9AN）共同开发，设计用于 6 米波段的突发电离层 E层通联，然后被引入短波，其部分参数可见表1。

与JT65相比，FT8的优势在于其发射效率。也因此FT8迅速崛起，并在短波通联上逐渐取代了JT65A。而FT4模式比FT8在通联上更加效率（T/R时间7.5s），但是接收信噪比较高。JS8CALL更像是FT8的一个子模式，它是由Jordan Sherer创造的 8-FSK 调制（与FT8完全相同）并附加了一个“定向调用”协议以实现自由形式的信息交互，因此被命名为JS8CALL。图1为FT8时域图。

图1 FT8信号时域图

1.3 MSK144

WSJT软件支持三种“快速模式”，用于“一闪即逝”下的信息交换需求——流星余迹（MS）通联。这三种模式分别是FSK411、ISCAT以及MSK144。2001年，WSJT推出的第一个公开版本正是支持FSK411模式用于VHF波段的流星余迹通信。MSK144 是最新推出的用于MS通信的数字协议，相比FSK411，它具有更强的解码纠错，1.7倍的传输速度以及更高的灵敏度。

2 通联实测

上述几种数字制式主要依靠WSJT等软件实现通信，其通联原理、操作和语句相近，区别主要在于T/R时间、收发信噪比和解调带宽等参数。本文以FT8为例，实际演示数字模式通联过程。

2.1 硬件设备

FT8的通联原理是将文字信息通过WSJT等软件编码后转换为音频信号，然后通过电台发射，再由接收电台将音频信号接收后通过软件解码为文字信息。笔者使用的是YAESU FT-818小型电台，通过数据盒子实现音频信号传输，该电台的输出功率为三挡，最低2.5W，最高仅6W。

2.2 梅登黑德网格定位系统（Maidenhead Locator Grid）

一种业余无线电网格定位系统，该系统将地球表面分为长方形区块，长边与纬度平行，短边与经度平行；利用4或者6个字符即可报告电台精确位置，坐标6位字符长格式精度可达经度5分、纬度2.5分，4位字符短格式精度可达经度2度、纬度1度。这样避免了通过经纬度来报送位置时产生的一长串数字。

2.3 软件设置

本文使用的是JTDX软件，其解码模式虽不如WSJT全，但在FT8模式下的其解码效率要高于WSJT，且JTDX支持简体中文。软件操作界面如图2所示，右侧窗口蓝色区域为接收信息框，仅显示通联目标（选定50Hz信道）的解码信息及笔者发射的信息内容，相当于过滤之后的有用信息；右下黑色区域是自动生成的通联语句。

图2 JTDX软件界面

2.4 通联语句

WSJT协议下的数字制式都使用结构化信息，将联络过程中所需要的基本信息编码为精确的72bits位长的消息体，数据包含两个28bits位长的字段，用于呼号，15bits位长的字段用于网格信息，信号报告以及“73”等，另有1bit用于附加呼号前缀，后缀等。FT8的标准的通联语句为7句，详见表2，这里假设与呼号为BH4DML的主呼电台1进行通联，应答电台2的呼号为JA8DKD。

表2 FT8通联标准语句及注释

如表2所示，作为主呼电台1完成一次完整通联（QSO），其发射序列为1，3，5，7；而应答电台，电台2的发射序列为2，4，6。FT8一次发射时间为15s，因此一次完整的QSO需要105s。由于网格信息并非通联所需的必要因素，因此通联语句可进行简化。

2.5 通联结果

笔者使用YAESU FT-818电台，发射功率设为6W，与日本、印尼、泰国、俄罗斯等周边国家实现QSO。由于发射功率偏低，虽然能接收到欧洲各地远距离电台发送的CQ请求，但是对方电台难以接收到我方发送的信息（信噪比过低），未能成功通联。图3为一款网格追踪软件，它根据JTDX解码结果，显示当前波段活跃电台的位置以及通联情况。蓝色点为呼叫电台的位置，虚线表示该两电台正在尝试通联。

图3 网格追踪示意图

图3 智能语音合成报警流程图

3 结束语

2001年以来，Dr. Joe Taylor等人一直在不断完善这款软件，他们使用不同的编码和调制方案，以优化特定类型传播路径上的弱信号通信，并不断开发新的微弱信号通信模式。这些模式的优点显而易见，接收信噪比低，以相对较小的功率实现超远距离通信。但这种通信的信息交互有限，仅限于网格坐标和信号质量报告。近几年推出的JS8CALL模式试图解决这一缺陷，它是基于FT8的数字制式，实现相对自由长度的信息交互。相信随着微弱信号通信模式的发展，新的模式会不断推出，以更加稳定、高效、多样的方式通联全球，甚至更远。