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莫耳斯碼通訊新技術

No.10   1993 July   p109~113,   by 林茂榮 Paul Lin / BV5OC 彰化郵箱575號



    莫耳斯碼通訊是一項傳統的通訊技術,從早期的有線通訊到現在的無線電通訊,莫耳斯 碼都可以算是道道地地的傳統技藝。如果莫耳斯碼可以歸入數據通訊之列,那麼莫耳斯 碼就是最早的數據通訊模式了。雖然調制技藝日新月異,無線電各方面技術也有長足的 進步,可是莫耳斯碼通訊依然屹立不搖,這自然有它的特點存在。最近的兩項技藝,對 莫耳斯碼通訊可能產生革命性的變化,那就是:頻率式加閘接收機及同調莫耳斯碼通訊 系統。影響程度如何,且讓我們拭目以待。


頻率式加閘接收機

    德國南方一個小鎮的研究機構,最近發表了一部利用嶄新技術原理所製造的莫耳斯碼訊 號接收機,此技術的主要零件名稱為頻率式加閘 (FREQUENCY SENSITIVE AND GATE; 簡 稱 FSAG)。未進入這種全新技術之下所產生的莫耳斯碼訊號接收機的主題之前,首先說 明什麼是頻率式加閘 -- FSAG,而這又要牽扯到一些數位電子的基本常識,為了要能透 徹了解頻率式加闡的妙處,我們先從基本的數位電子談起。

AND 閘

Fig 1
圖 1:AND 閘原理
    基本的數位電子線路是由閘電路開始的,由此以邏輯運算開始,作各式各樣的線路組合 ,而構成複雜的數位線路。 AND 閘如圖 1 所示,兩輸入訊號 A 及 B,分別利用 "1" 及 "0" 來代表邏輯電位,其結果是:當 A 及 B 都是 "1" 時,才能得 "1"。注意這裡 的輸入訊號是以電位大小為關鍵因素。傳統上,若輸入訊號的電位超過供電電壓的 67% 會被視為 "1",若低於 33% 則被認為是 "0"。

頻率式加閘

Fig 2
圖 2:傳統的直接轉換式接收機
    頻率式加閘與上述傳統的加 (AND) 閘類似,只不過它把輸入訊號 A、B 從振幅的大小 ,改變到頻率值上頭。原本加閘是,當 A、B 都是邏輯 "1" 時,輸出才是 "1"。而頻 率式加閘則是當 A、B 輸入的頻率相同時,輸出才是 "1"。例如頻率是 3.550MHz 的莫 耳斯碼訊號為輸入 A,而一穩定的 3.550MHz 參考頻率是輸入 B,那麼經過頻率式加閘 後,輸出端會是高電位 "1",如果輸入 A 是我們想接收的莫耳斯碼訊號,那麼頻率式 加閘的輸出端便會隨著輸入 A 的莫耳斯碼訊號產生直流脈衝,此輸出訊號經過濾波器 之後,用來控制一聲頻振盪器,如此一來就可以像是接收 3.550MHz 莫耳斯碼訊號一樣 ,聽到接近完美的莫耳斯碼音調。

    基本上,頻率式加閘接收機可以看做是傳統的直接轉換式接收機的延伸。直接轉換式莫 耳斯碼訊號接收機的方塊結構如圖 2 所示。

頻率式加閘技藝

    參看圖 3,它是利用頻率式加閘技藝的一種嶄新型接收機方塊圖,若非親臨其境,簡直 不敢相信,由頻率式加閘的莫耳斯碼訊號接收機所發出來的聲音,那種幾乎稱得上完美 無缺的音響:它有完全相同的音調、相同的音量、及絕佳的訊號 / 雜音比。至於常成 為傳統接收機「心頭之痛」的超外差音調,儘管利用了波陷濾波器 (NOTCH FILTER) 等 方法來消除,超外差音調的呼嘯聲,仍然不時隱隱約約作痛,而要是在頻率式加閘接收 機,超外差音調將成為「絕響」,你再也不可能聽到它。問題是,再怎麼說,你發射的 訊號頻率也不可能十拿九穩地保持在相同的頻率,頻率一定會有稍許的晃動。這又是另 一項問題。

掃描本地振盪器,解決頻率晃動問題

Fig 3a
Fig 3b
圖 3:利用 FSAG 技藝的嶄新型接收機
    解決上述問題的辦法是,讓參考頻率振盪器以中央頻率為中心做掃描,掃描的偏擺大小 ,可以由操作者去控制,但是這偏擺不會太大,通常只有幾個 Hz,而此種接收機的頻 寬就是偏擺頻率的兩倍。實際上,偏擺太大太小都不行,太小的話,選台太尖銳,可能 因為發射訊號頻率偏移太利害,而使接收機捕捉不到訊號。偏擺太大的話,又可能受緊 鄰頻率訊號的干擾,會造成接收機的聲頻訊號從喇叭發出,響個不停。但是只要適當地 調整參考頻率及掃描大小,這些問題都可一併解決。當然這類的通訊系統,無論是發射 台或接收台,都不容許有頻率漂移的情事發生。

    另一接踵而至的問題,就是零拍頻 (ZERO-BEAT FREQUENCY) 訊號的干擾,也就是當標 準頻率與接收訊號頻率相同時,該如何解決?

解決零拍頻的問題

    對於因為零拍頻所造成的干擾問題,仍然在研究階段,可喜的是,此一問題已經快接近 尾聲。利用所謂「同相加閘」 (PHASE ANDING) 觀念,可望對此一問題做個功德圓滿的 解決,也就是上述除了頻率相同外,相位也要一致。原型機已經可以辨認 90 度的相位 。這意謂著同一頻率可以有 4 個莫耳斯碼訊號共享,也不會互相干擾。現在有很多專 案仍在進行當中,尤其是如何再提高相位解析度方面。

    同相加閘的觀念很重要,因為這已經從頻率再往更深一層進入到相位,也就是說相同頻 率所產生的拍頻干擾再也不是問題,因為除了頻率一致外,更要求相位也要同步才行。

工作頻率跨入光譜

    頻率式加閘原理看似簡單,不過要它動起來可真不容易,目前頻率式加閘的內部作業訊 號是使用 521THz,它相當於波長 0.576 微米的黃色光,而且最後一級還利用了黃色光 的極化濾波器 (使光的極化呈現一致的濾波器)。可惜的是,頻率式加閘元件目前還未 上市,最早也要等到 1994 年 2 月以後。到時後,自製高性能莫耳斯碼訊號接收機將 會是輕而易舉的事,若配合同調莫耳斯碼系統的繁榮,相信莫耳斯碼通訊的世界裡,會 是一種絕然不同的全新氣像。

    下面我們來探討一項歷史悠久,卻幾乎快被遺忘的同調莫耳斯碼通訊系統。


同調莫耳斯碼通訊技術

    每次有關國際無線電會議,頻譜的分配及如何有效利用它們,總是大家討論的焦點。爭 用有限的頻譜是一回事,如何有效利用頻譜更是重要,絕不能用駝鳥心態來對應。所以 像是「每 KHz 能容納多少通訊?」的這類問題和答案,一直也是某些文獻上的討論主 題。近年來對此類問題的注意,比起半世紀前,感覺來得更實際、迫切些。

半世紀前就有的同步觀念

    已故的佛雷德君 (Frederick Emmons Terman, 6FT) 在他的一篇論文中,已經初探窄波 段頻寬通訊的雛型,此篇名為:「在有限頻寬下,探討利用精巧發射之可能性」 (註) 的論文於 1930 年 1 月發表。實際上,就在前三年,也就是 1927 年,貝爾電話公司 就發表了一項類似的成就報告,該公司利用海底電纜,在引用同步的技巧下,只使用 50Hz 頻寬,便成功地進行 200WPM 傳速的電傳打字通訊。可惜在往後的 45 年當中, 對此類技術是一片空白,直到 1975 年,雷蒙君 (Raymond Petit, W6GHM) 在九月份的 QST 雜誌上,發表了他稱之為「同調莫耳斯碼」 (COHERENT CW) 通訊系統試驗,奇怪 的是,雷蒙君事先的確不知道 45 年前佛雷德君的論文報告,但他們卻不約而同地使用 了同步的觀念,來做起窄頻寬約有效率通訊。

    註:"Some possibilities of intelligence transnission when using a limited band of frequencies."
    Proceedings of the institude of radio engineers, January l930.

同調莫耳斯碼系統基礎

    同調莫耳斯碼系統的構想基礎是,希望能夠把發射訊號與接收時的雜訊完全分隔開來。 因此發射訊號裡就必須含有三項主要而明顯的特性:

1. 頻率精確
2. 有精確的脈衝長度
3. 有預設的脈衝程序(脈衝相位)

同調莫耳斯碼通訊系統

    請參看圖 4,同調莫耳斯碼通訊系統方塊。不論發射台或接收台都需要一精確的標準頻 率,此系統中,就利用很容易在高頻波段內取得的標準時間標準頻率發播台 (簡稱標時 台) 訊號,這些標時台訊號也就成為同調莫耳斯碼系統中所謂的同調源。同調莫耳斯碼 通訊系統中所需要的一些時序訊號,就是利用標時台為參考頻率,並經由數位線路而取 得,這樣便可以使發射台及接收台都有精確的參考頻率,也可以定出很精確的脈衝長度 ,及拿捏到脈衝開始與結束的同相控制。發射台從參考頻率取得時序,來產生一個與主 標準頻率同步的脈衝長度及脈衝相位,而接收台也是根據參考頻率來取樣,用同步方式 可以很精確地取得這些脈衝訊號。如此一來,發射台及接收台都與相同的標準頻率 (標 時台訊號) 保持同步,這樣的工作方式,我們稱之為「同調」。

Fig 4

    同調莫耳斯碼通訊系統內的接收機,要用很窄的濾波器,才能發揮效果。至於濾波器的 頻寬要多大,這與莫耳斯碼鍵速有關。例如 12WPM 的傳速下,脈衝長度為 0.1 秒,但 是點到之間需要空隔,因此 12WPM 傳速,需要 5Hz 的方波脈衝,為了讓 5Hz 的方波 不致有嚴重的失真,至少也要有 15Hz 的頻寬。早在佛雷德君的論文內便指出,利用同 步技巧來傳送的話,所需的頻寬大約是莫耳斯碼鍵速的 2/3 到 1/2。在實際試驗中, 利用數位線路及類比技巧所做的同調莫耳斯碼通訊系統內,使用了 -3dB 點頻寬是 9Hz 的濾波器,這與佛雷德君所預測的相吻合。

同調莫耳斯碼通訊系統的利益與問題

    在同調莫耳斯碼通訊系統中,很強的脈衝雜訊或很強的鄰台干擾,會造成多出 " 點「 碼」,或使「劃」碼加長。利用 12WPM 傳速的同調莫耳斯碼通訊與傳統的莫耳斯碼通 訊相比較,大約改善了 20dB。莫耳斯碼鍵速愈快,須要更大的頻寬,但是頻寬一大, 訊號 / 雜音比就不好了。

如何操作同調莫耳斯碼通訊系統

    要利用同調莫耳斯碼系統做通訊,開始前必須打一些「點」做為前導,好讓對方調整接 收機,尤其是濾波器的調整,以取得同步。在試驗階段的操作經驗裡,只要調好同步, 一般可維持好幾個小時,不用再去調整。

如何組成同調莫耳斯碼通訊系統

    早期都是使用小功率 (QRP) 方式進行試驗,一方面容易展現出叫人折服的效果來,另 一方面也強調所須的技術並不難。只要在原先的系統內,設法使振盪器訊號能夠很穩定 就可以了。新興的收發機則更容易改裝成同調莫耳斯碼通訊系統,只要把內部的參考頻 率振盪器換新或改善就可以了。同調莫耳斯碼系統的按鍵與傳統所使用的,也大不相同 。所謂不同,是指需要一個同步的手續,同調莫耳斯碼系統中使用的按鍵,需要由來自 主標準頻率的時序所控制。要隨著同調莫耳斯碼系統的節奏來敲鍵,也是一種全新的經 驗,不過很快就可以適應。但是最理想的同調莫耳斯碼按鍵,應該改用附有記憶或緩衝 裝置的電子鍵為宜。這樣就可以跟傳統的敲法一樣來操作按鍵。


結語

    突破了零件的限制,FSAG 技術已經快達到實用階段,這會使自製收發機的愛好者又多 了一種選擇,尤其是 QRPer 那一群人,想必雀躍不已。日後若能夠有更多的同調莫耳 斯碼通訊系統設立,這種通訊方式很適合做為緊急通訊用,因為優於一般通訊系統 20dB 的性能,很適合小功率使用。另一種可能的用途是月球表面反射通訊,因為這 20dB 所得,可以使月球表面反射通訊系統大大地改善。 END



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