在VLF頻段觀察頻譜圖無疑是項非常有趣且神秘的活動，至少在活動的最初幾天，即使在晚上，也都會讓你沉浸在PC上。經驗可以提高我們識別各種電信號和自然信號的敏感性。這個極低的頻帶中有許多信號在傳播，這也說明了地面波如何能夠長距離傳輸信息。
本設計實例打算“收聽”位于0到22kHz之間的頻段。從下方頻帶范圍可以看出，這些頻率非常之低，與人類可以聽到的音頻頻率相對應，但也與電磁波發射有關。如果生成這些頻率的信號非常簡單，那么構造調諧天線就不那么容易，因為相應的波長等于幾百公里。例如，若要將半波偶極子調諧到1,500Hz頻率，其范圍應約為50km，這樣做就不切實際。對于這樣的低頻信號，市場上沒有令人滿意的接收器，因此就必須精心準備天線。我們計算機聲卡的行為就像個出色的接收器，但必須連接到合適的天線。除聲卡外，還需要有軟件對所接收信號進行查看、記錄和分析。VLF頻帶僅占整個無線電頻譜的一小部分，許多動物和人類也可以接收這種信號中的一部分，而我們的大腦對ULF頻段更敏感。
頻段頻率
ELF（極低頻）：3Hz至30Hz
SLF（超低頻）：30Hz至300Hz
ULF（特低頻）：300Hz至3kHz
VLF（甚低頻）：3kHz至30kHz
LF（低頻）：30kHz至300kHz
聽還是讀？
在這些低頻頻段，揚聲器或耳機聽不到信號，或者相反，聲音可以發出，但不是主要活動，通常在其他頻率上的情況也是如此。相反，各種發射可以通過解碼和對頻譜圖進行適當解釋來“收聽”（參見圖1）。使用軟件或硬件分析頻譜非常有用，并且是分析和記錄這一頻段信號的主要手段。從時域記錄可以看出，X軸表示經過的秒數，Y軸表示所記錄信號的頻率。圖形的著色或強度（Z軸）不同說明了其功率大小。
圖1：0至24kHz頻帶的典型單色頻譜圖。
如今，接收低頻無線電信號非常容易，并且不必擁有昂貴的接收器。配備一臺裝有聲卡和軟件的個人計算機就足以對觀察到的頻段進行分析。在這些頻率的頻譜圖中，可以觀察到各種自然信號和人為信號。后者總是以編碼和數字形式存在，因此它們的解釋通常很復雜。0至22kHz頻段至今還是一個神秘而探索不足的領域。其中存在著各種由地球產生的內外部自然信號，以及各種人類電臺所傳輸的脈沖。不幸的是，頻譜圖中存在市電頻率（50Hz或60Hz），由此產生的干擾和噪聲，通常會構成一個需要克服的小障礙。正是因此，這類研究傾向于在遠離人居中心、電氣干擾強度較小的空曠鄉村進行。在獲得一些經驗后，就可以創建一個豐富的WAV格式的接收信號數據庫，還可以標記進行錄制的日期和無線電頻率。例如，可以將音頻資料存儲在CD-ROM或DVD上而進行長期存檔。
小電臺
如上所述，建立自己的VLF頻段收聽臺非常簡單。如圖2所示，所需的環境以及要使用的主要元器件如下：
- 沒有電氣干擾的地方
- 天線
- 前置放大器
- 聲卡
- 個人電腦
- 軟件
請注意，大部分工作是由軟件完成的。有些程序（甚至是免費軟件版本）的質量也很高，它們也可以執行放大器和濾波器的功能。對于初始測試，可以省略前置放大器和濾波器。
圖2：任何人都可以做的典型的低成本收聽臺。
天線
天線是任何無線電臺、發射機或接收機中的主要元件。從理論上講，考慮到所用的低頻以及相關的巨大波長，需要一個巨大的天線，甚至達數百公里。對于天線，根據要執行工作的難度、要獲得的結果以及房屋中可用的空間，至少可以采用三種解決方案（請參見圖3）：
- 隨機電線天線
- 環形天線
- 鐵氧體天線
- 地球偶極子（聽地球內部的聲音）
圖3：不同類型的天線。
天線可以通過多種方式構建。電線必須使用塑料套絕緣，也可以使用漆包線。隨機線天線是一種由懸掛在地面上方的電纜所組成的天線，其長度與所需的波長無關，而是根據可用空間進行調整。由于其電氣特性，這種類型的天線會收集很多噪聲。環形天線由一個或多個線圈組成，在受影響的頻段內非常“安靜”。它必須構成一個諧振電路，因此需要一個可變電容器與之并聯。在本例中，其匝數必須非常高。匝數、導線直徑和線圈面積決定了其電感和電阻。與隨機天線不同，環形或框形天線不需要接地。對于鐵氧體天線，必須將大量漆包線纏繞在鐵氧體磁芯周圍。天線的尺寸必須足夠大。有些人使用了14km的漆包線。最后，地球偶極子用于收聽直接來自我們星球的電信號。它由兩個打入到地下的木樁組成并從中心饋電，電線的長度約為數百米。現在給出有關靜電放電和高壓的一些建議。如果用長導線（例如，長于100至200m）制作天線，則存在危險靜電的可能性會增加。建議使用Pi-Greco天線調諧器降低阻抗。電線必須直接或間接連接到計算機聲卡的麥克風插孔。如果靜電水平很高，這種連接可能會對聲卡芯片造成風險。實際上，除了阻抗外，對于那根導線，還有必要考慮靜態電壓。危險不僅表現為附近或天線遭到雷擊，而且表現為較次的靜電場強度，而干燥的空氣則對此有利。靜電電壓會存儲在天線上，而與地面一起形成一個“電容器”。因此，建議創建一個可以將這些電場釋放到大地的系統。這些方法之一是通過高阻值電阻（例如大約5到10MΩ）將天線接地（見圖4）。或者也可以將兩個二極管反并聯連接到線路輸入上。
圖4：隨機天線及其近似阻抗示例。
前置放大器
對天線信號放大通常很有用，尤其是在露天地區進行“收聽”測試時，那里的信號確實很“安靜”，即實際上收到的是有效消息，而沒有企業或家庭干擾需要降低。適用于VLF天線的音頻易于構建。大約+15dB的增益有助于讓信號以稍強的方式從天線發出。由于天線阻抗很高，因此建議使用FET前置放大器。如果使用BJT的話，鑒于其輸入阻抗僅有大約1,000至4,000Ω，則會使信號大大降低。另一方面，FET的輸入阻抗為8到10MΩ，內部噪聲幾乎為零。基本但工作良好的接線圖如圖5所示。它是由FET 2N3819（J1）所制成，后者可以在任何電子產品商店中輕松購買到。R1和R2電阻用于使晶體管極化，從而使漏極電壓可以自由振蕩而沒有任何失真。22kΩ R5微調器用于確定電路的放大倍數，后者在1.5倍至4.5倍之間。
圖5：天線前置放大器的接線圖。
放大器的電路工作在低頻，即音頻部分。構建起來并不困難，可以輕松完成。圖6中的曲線圖顯示了最大放大倍數下的輸入與輸出信號及其頻率響應。輸出信號的相位與輸入相反。放大器的功耗非常低，所需電流僅約為2.7mA，因此在使用9V電池的情況下，可以獨立工作約100個小時。
圖6：放大器的輸入信號（黃色跡線）與輸出信號（綠色跡線）及其頻率響應。
聲卡
聲卡設備用于在0到22kHz的頻帶范圍替代無線電接收機。24kHz的限制取決于PC聲卡的帶寬和采樣率。如果該聲卡可實現高達192,000Sa/s的采樣率，則可以觀察到高達96kHz的信號。使用它時，必須仔細確定其放大倍數，而避免可能的互調。本文使用Tascam 2×2 USB外置聲卡（如圖7所示）進行實驗，采樣頻率為96kHz。其前面板上有個開關，以供選擇兩種不同的輸入阻抗：10kΩ和1MΩ。
圖7：Tascam 2×2外置聲卡。
個人電腦
PC方面沒有什么特別建議：可以使用臺式PC或筆記本電腦。電池電源有助于將系統與50Hz或60Hz交流電源隔離。建議安裝一個非常大的硬盤，以便裝下將要錄制的許多WAV記錄。
軟件
軟件的任務是錄制信號，而在監視器上呈現出來并在硬盤上生成錄音文件。此收聽活動有許多專用的程序，但用于本文的程序（參見圖8）如下：
- HDSDR
- WASP
- SoX
圖8：HDSDR、WASP和SoX軟件。
簡而言之，HDSDR是一款面向Microsoft Windows的免費軟件（SDR）程序，其典型應用是無線電收聽、SWL、射電天文學和頻譜分析。WASP是一款用于記錄、查看和分析音軌的免費程序，也可以使用它查看頻譜圖。 SoX則可以讀寫最常見的音頻文件，并可以在此過程中加入一些聲音效果。所有功能只能通過SoX命令使用。它是一款非常強大的命令行音頻處理工具，特別適合于快速、輕松地進行編輯以及進行批處理。它還允許以非常高的分辨率查看頻譜圖。
現在，我們來聽聽……
在該頻帶中，許多信號都是由位于無線電臺附近的電子設備所發射。接收到由電視、收音機、燈、繼電器、電動機、洗衣機、電梯等引起的干擾是正常的。在探測軟件中正確配置好音頻輸入后，就可以立即觀察到最初的信號。必須非常注意正確選擇左右音頻通道（參見圖9）。實際上，所使用的電纜通常是單聲道的，只有一條軌道處于活動狀態。
圖9：要執行的第一個操作是選擇音頻信號通道。
許多信號仍將保持神秘，而其他信號則也可能在互聯網的幫助下發現。例如，圖10顯示了建筑物電梯所產生的電信號，其在8kHz頻段上很容易被識別。頻譜圖顯示有五次電梯活動：
- 第一次持續15.4s
- 第二次持續15.4s
- 第三次持續19.5s
- 第四次持續7s
- 第五次持續11s
圖10：頻率為8kHz的電梯信號的頻譜圖。
可以在整個頻譜上進行其他觀察。當然，許多信號都是人為產生，例如霓虹燈、電視、無線電遙控器、開關、開關電源和電燈，如圖11所示。
圖11：頻譜圖中記錄的一些電信號。
地球和大氣層也會發出聲音，幸運的是，可以看到一些有趣的現象：
- 天電干擾（sferics）
- 大氣干擾（tweeks）
- 靜電干擾（static）
- 哨聲（whistlers）
- 等等
地震前兆
還可以對地震前兆進行有趣的實驗。雖然仍然沒有確定的科學數據，但是在這種情況下，最好創建一個“地球偶極子”，這就對監測土壤表面電流很有用。目前，一些研究指出，可以在幾小時前預測到強烈地震，但接收站必須距震中不到100km。此外，聽音和錄音不能在城市的家中進行，而必須在鄉村進行，傳感器要直接接地。
總結
在VLF頻段觀察頻譜圖無疑是項非常有趣且神秘的活動，至少在活動的最初幾天，即使在晚上，也都會讓你沉浸在PC上。經驗可以提高我們識別各種電信號和自然信號的敏感性。這個極低的頻帶中有許多信號在傳播，這也說明了地面波如何能夠長距離傳輸信息。收聽和觀察信號的活動還應旨在研究和發現信號所產生的來源。如果有雷雨和閃電（參見圖12），請務必記住將天線與聲卡間的連接斷開。
圖12：雷雨和閃電。
（本文授權編譯自EDN姐妹網站EEWeb，原文參考鏈接：Reception of Radio Waves Below 22 kHz，由趙明燦編譯）
本文為《電子技術設計》2020年12月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
責編：Gavin
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