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短波世界:掌握相位與衰落現象

追逐遠距離微弱訊號的最省力氣辦法

No.43   1996 Aug.   p110~112,   by 編輯部



    今日無線電頻譜內不只電台訊號擁擠,而且相互干擾情形相當嚴重,因此,追逐遠距離的微弱訊號也就變成相當於對抗雜訊及干擾的一場遊戲。對於影響接收遠距離微弱訊號的干擾而言,「微弱訊號」就像是過街老鼠一樣受到欺凌。造成雜訊的源頭有天然的,也有人為的,如打雷的壞天氣、可調燈光裝置、高壓電源線、馬達、及許多家用電器等。有一項技藝可以有效地對付干擾,那就是「相位」技巧,這種利用把來自不同天線訊號組合起來,以去除其他方式所不能去除的雜訊或干擾,非常管用。


什麼是訊號的相位

Fig 01 圖 1:兩相位相同的訊號,當其中一訊號振幅最大時,另一訊號的振幅也最大,如果這兩個訊號碰在一起會產生相加的作用。
 
Fig 02 圖 2:兩個訊號的相位只有些微的差別。
 
Fig 03 圖 3:所示訊號相位完全相反,相加時互相互抵銷。

    短波訊號在傳遞過程中,有可能會被各種電離層折射,甚至是同一電離層但不同高度的地點折射,這也就是一個訊號源從天線發射之後,有可能會經過不同的幾個路徑到達接收機天線,但是這些路徑總長不同的同源訊號,抵達的時間當然會有前後之分,也就是這「前後之分」造就了短波許多有趣的衰落現象。

    相位技巧就是利用把來自不同組別天線的訊號組合起來送給同一接收機,經過調整相位,有時就可以去除其他方式所不能去除的雜訊或干擾。電子學則是用「相位」這一名詞來比較兩訊號在時間上的差異,參看圖 1、2、3。

    當電台發射天線輻射出的訊號被不同高度電離層折射,回到地球表面之後,不同路徑抵達的同源訊號會有程度不同的相位差異,可以說每一路徑的訊號相位不可能會完全相同。這些電波抵達的時間差可能介於幾毫秒到幾微秒之間,但是這些有相位差的訊號在接收機內就會起作用,如果收聽一強度很棒的訊號,突然覺得語音不清晰,可能持續幾秒鐘,這期間甚至也有可能聲音完全消失,然後又恢復正常,那麼這樣的經歷很可能就是一場因為相位差異所引起的衰落現象。

    對於 AM 訊號而言,也有可能上邊帶、載波、及下邊帶訊號所產生的相位差異程度各有不同所引起的衰落現象,如果 AM 中的載波因為折射點不同,以致接收時的相位完全相反,這會使載波完全相互抵銷而只剩上下邊帶的調制波,使得 AM 解調出聲音聽起來像是鴨子叫聲,根本無法理解內容,這就像是以 AM 接收機去收聽單邊帶訊號一樣。

    這類衰落現象很容易發生在一般 AM 廣播,夜間收聽時,如果這電台距離 500~1000 公里,就很容易察覺載波衰落現象,此時可能同時收到 AM 電台訊號分別經由天波及地波不同路徑抵達,這兩相位相反的電波就有可能促成接收訊號衰落現象。

    以相位技巧來去除干擾的重點,在於調整兩天線之間的相位關係,這種調整不僅僅是技巧,可以說是相當接近藝術,因為相位天線的位置相隔不遠,因此每只天線都可以感應到幾乎相同的訊號,包括干擾訊號、雜訊、及想要接收的訊號等,但這兩組訊號之間的相位互異,兩組天線在同一時間下的訊號位準並不一樣,甚至是某些訊號只存在其中的一只天線,例如一道很強的近距離干擾源訊號,可能同時一樣存在這兩只天線,而遠距離的微弱訊號卻只由其中一只天線感應到。一般情況下,這近距離的強干擾源可以把遠距離的微弱訊號掩蓋掉 ,但是運用相位技巧,可能像上面情況一樣,近距離強干擾訊號因為相位相同而彼此抵銷,使得原本會被掩蓋起來的遠距離微弱訊號可以收聽到,這也就是相位技巧的工作原理。


使用環狀天線的相位技巧

    如果對於接收遠距離無線電訊號有興趣,那麼最簡便的體驗方式,就是試著去接收 AM 廣播訊號,因為不論身處何處,總是有許許多多的 AM 廣播電台圍繞著;同時,AM 廣播使用的頻率範圍也隨時存在有各式各樣的雜訊,這使得很容易以 AM 來體會相位技巧,也因為可以收立竿見影之效,而有更大的樂趣。

    生活地附近的 AM 電台,以及遠距離的 AM 電台,可能使用相同的頻率,卻因為被近距離電台的訊號所掩蓋,使你始終無法接收到遠距離同一頻率的 AM 電台訊號,除非深夜本地的 AM 電台收播。利用相位技巧,假如電台的方位不同,就算是正常情況下,有可能把近距離的訊號抵銷掉,而接收到遠距離的 AM 訊號。

    如何以相位技巧接收 AM 遠距離無線電訊號呢?最方便的莫過於使用兩只簡便的環狀天線,所謂的環狀天線,就是以一導線空心地繞成一個大電感,或者說是繞成一個環型,再利用調諧線路,例如可變電容,來調整環狀天線的共振頻率。要利用環狀天線做 AM 的相位技巧接收,必須使用一只大型的環狀天線,另外一只纏繞在磁蕊上的桿狀天線,許多小型 AM 收音機內就是使用這種天線,因此使用內附鐵粉蕊 AM 天線的收音機,只要外加一只環狀天線,就可以做相位技巧的各種接收實驗。

    以一只邊長 60 公分的方形環狀天線,以及一只 20 公分左右的鐵粉蕊桿狀天線,每只天線都附有天線放大器,但是做相位調整時,只把其中的一只放大器打開。把鐵粉蕊桿狀天線接到接收機,並且把這天線的放大器打開,而大型的環狀天線並沒有接到接收機,也沒有與鐵粉蕊桿狀天線相連,而是藉著彼此靠近做感應,其中保持的距離大約在 30-100 公分左右。然後不只調整兩天線的間距,而且要調整大型環狀天線的共振頻率。最後要旋轉天線或是使天線傾斜以調整相位關係。

    剛剛說過,這兩只天線並沒有銜接,而是藉著感應「接合」在一起的,其實這兩只天線就像是變壓器,調整環狀天線的共振頻率及位置,也就改變了與鐵粉蕊桿狀天線之間的相位關係。這樣的相位技巧天線,便可以接收到未曾接收到的 AM 訊號,在傳播狀況好的時候,就算是本地的 AM 電台廣播中,可以接收到遠從日本及韓國或是菲律賓及中南半島來的訊號,雖然有時根本很難把本地 AM 電台訊號完全去除。而以環狀天線所構成的相位技巧,也可以有效去除街燈或其他電器所發出的雜訊干擾。

    當然這系統並不會像是變魔術般那麼神奇,而且因為使用的天線與波長比較,相對的短小,因此有必要加裝放大器,以增加訊號強度。同時因為電離層變化的關係,也相對地影響到相位,使得調整好的環狀天線,必須重新調整,以保持最佳狀態。


相位技巧用在短波

    在業餘無線電領域裡,通常是採用相距一段距離排開的四分之一波長垂直天線,然後採用與工作頻率有關的特殊長度的饋送線,或者是相位網路控制器,接到收發機上頭。

    一般的相位網路控制器,包括有兩組天線輸入端子,然後經過出電阻、電容、及電感串連起來的網路。路過這個串連網路之後,再由電阻網路或其他匹配網路把訊號組合起來,調整在每個串連線路上的電容及電感,都可以改變訊號的相位,也就是把訊號能量轉為電場或是磁場,也就可以使訊號通過時,引起不同的時間延遲。通常串連網路上的電阻也是可變電容,這可以控制串連路徑上的電感及電容總量,也就是控制總延遲時間。

    當然以業餘無線電的發射天線來說,利用相位技巧是很不容易取得印證的,因為這印證在對方,而不是掌握在自己。如果把相位技巧只用在接收,那就容易多了。任何不同的短波天線,都可以組合起來,透過相位技巧來去除雜訊。

    在短波領域裡,相位技巧的作用遠比不上 AM 廣播,那是因為短波的傳導特性很複雜的緣故,通常來自同一訊號源的短波,可能因為經過的路徑不同而從不同的方向抵達同一接收天線。雖說如此,在短波上要應付區域性的強干擾源,或是來自天波的干擾,相位技巧依然很有效。遺憾的是,短波訊號做相位技巧遠比 AM 複雜得多,除了聳立的天線外,還必須取得相位網路控制器,但以業餘的角度來看,除了自製,根本無法取得所需的相位網路控制器。

    我們所面對的相位技巧,依然是嬰兒期,所以在此方面的應用還有很多空間可以做各種研究及實驗。


如何對抗衰落現象

    短波的衰落現象確實很難完全消除,當然並非得忍氣吞聲遭受衰落現象的凌孽不可,因為有許多要領可以協助減輕受衰落現象干擾的氣,這包括有:縮小接收機的頻寬、調整自動增益控制功能、以及調整射頻增益控制等:

 縮小接收機的頻寬

可以這樣說:頻寬越大,受到衰落現象的影響就更嚴重。這並不需要深入說明,馬上就可以親身體會,比如 CW 通訊就很少受到衰落現象的干擾,即使有的話也極輕微,那是因為 CW 通常使用 500Hz 頻寬做通訊,有時更可以窄到 200Hz 或更小的頻寬做通訊,而一般 SSB 使用 2.7KHz 頻寬,或是 AM 佔有 10KHz 頻寬,當然就更容易受到衰落現象的侵襲。如果因為散亂 E 層傳導而有機會收聽到日本 FM 廣播訊號時,那種受到衰落現象欺凌的窘狀,足以令人刻骨銘心,苦不堪言,那就是因為 FM 廣播的頻寬達到 75KHz 之譜的關係。

解決辦法就是當面臨嚴重的衰落現象侵襲時,盡可能把接收機的頻寬縮小,如果要收聽 AM 訊號時,不妨以 USB 或 LSB 來選台,就把 AM 訊號當成單邊帶訊號來接收,這不但有縮小頻寬的好處,更可以利用接收機產生的拍頻振盪訊號,來保住 AM 的載波,這樣就可以免受因為衰落現象而失去載波所發生的干擾。

 調整自動增益控制功能

另一項要領就是求助於接收機上的自動增益控制功能,現行接收機的自動增益控制都有快、慢的選擇,有些甚至可以把自動增益控制功能關掉,試看看這些功能,也許對於這突如其來的衰落現象有很好的療效。例如自動增益控制選定的反應時間遠比衰落現象還慢,也就是自動增益控制跟不上衰落現象腳步,這會使衰落現象造成的壞影響雪上加霜。類似的情況,自動增益控制腳步快過衰落現象也不好,因此可以切換各種自動增益控制反應速度,看看衰落現象的情況,如果都沒有任何改善,或許乾脆就把自動增益控制功能關掉。

 射頻增益控制

最後還可以調整一下接收機的射頻增益,有時這也可以紓緩衰落現象所產生的不良作用,早期接收機沒有自動增益控制功能時,都是利用降低射頻增益,提高聲頻增益來對抗衰落現象,也就是把音量調到最大,利用射頻增益來調整音量大小,這種對抗衰落現象的技巧有時也很管用。

 接受衰落現象

很不幸地,衰落現象是短波迷無法逃避的痛,不過我倒是發現有時苦中作樂也不錯,我總把那短波特有衰落現象所造成的海潮起落般的聲音顫動,想像成有如婆娑起舞的羅曼史。如果你不能接受這種變通的辦法,那麼要拒絕衰落現象的唯一方法就是拒絕短波,此時所有的問題就都迎刃而解,不藥而癒了。 END



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