本設(shè)計(jì)實(shí)例打算“收聽(tīng)”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(lèi)可以聽(tīng)到的音頻頻率相對(duì)應(yīng)，但也與電磁波發(fā)射有關(guān)。如果生成這些頻率的信號(hào)非常簡(jiǎn)單，那么構(gòu)造調(diào)諧天線就不那么容易，因?yàn)橄鄳?yīng)的波長(zhǎng)等于幾百公里。例如，若要將半波偶極子調(diào)諧到1,500Hz頻率，其范圍應(yīng)約為50km，這樣做就不切實(shí)際。對(duì)于這樣的低頻信號(hào)，市場(chǎng)上沒(méi)有令人滿(mǎn)意的接收器，因此就必須精心準(zhǔn)備天線。我們計(jì)算機(jī)聲卡的行為就像個(gè)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(duì)所接收信號(hào)進(jìn)行查看、記錄和分析。VLF頻帶僅占整個(gè)無(wú)線電頻譜的一小部分，許多動(dòng)物和人類(lèi)也可以接收這種信號(hào)中的一部分，而我們的大腦對(duì)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(tīng)還是讀？

在這些低頻頻段，揚(yáng)聲器或耳機(jī)聽(tīng)不到信號(hào)，或者相反，聲音可以發(fā)出，但不是主要活動(dòng)，通常在其他頻率上的情況也是如此。相反，各種發(fā)射可以通過(guò)解碼和對(duì)頻譜圖進(jìn)行適當(dāng)解釋來(lái)“收聽(tīng)”（參見(jiàn)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(hào)的主要手段。從時(shí)域記錄可以看出，X軸表示經(jīng)過(guò)的秒數(shù)，Y軸表示所記錄信號(hào)的頻率。圖形的著色或強(qiáng)度（Z軸）不同說(shuō)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(wú)線電信號(hào)非常容易，并且不必?fù)碛邪嘿F的接收器。配備一臺(tái)裝有聲卡和軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)就足以對(duì)觀察到的頻段進(jìn)行分析。在這些頻率的頻譜圖中，可以觀察到各種自然信號(hào)和人為信號(hào)。后者總是以編碼和數(shù)字形式存在，因此它們的解釋通常很復(fù)雜。0至22kHz頻段至今還是一個(gè)神秘而探索不足的領(lǐng)域。其中存在著各種由地球產(chǎn)生的內(nèi)外部自然信號(hào)，以及各種人類(lèi)電臺(tái)所傳輸?shù)拿}沖。不幸的是，頻譜圖中存在市電頻率（50Hz或60Hz），由此產(chǎn)生的干擾和噪聲，通常會(huì)構(gòu)成一個(gè)需要克服的小障礙。正是因此，這類(lèi)研究?jī)A向于在遠(yuǎn)離人居中心、電氣干擾強(qiáng)度較小的空曠鄉(xiāng)村進(jìn)行。在獲得一些經(jīng)驗(yàn)后，就可以創(chuàng)建一個(gè)豐富的WAV格式的接收信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，還可以標(biāo)記進(jìn)行錄制的日期和無(wú)線電頻率。例如，可以將音頻資料存儲(chǔ)在CD-ROM或DVD上而進(jìn)行長(zhǎng)期存檔。

小電臺(tái)

如上所述，建立自己的VLF頻段收聽(tīng)臺(tái)非常簡(jiǎn)單。如圖2所示，所需的環(huán)境以及要使用的主要元器件如下：

• 沒(méi)有電氣干擾的地方
• 天線
• 前置放大器
• 聲卡
• 個(gè)人電腦
• 軟件

請(qǐng)注意，大部分工作是由軟件完成的。有些程序（甚至是免費(fèi)軟件版本）的質(zhì)量也很高，它們也可以執(zhí)行放大器和濾波器的功能。對(duì)于初始測(cè)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(tīng)臺(tái)。

天線

天線是任何無(wú)線電臺(tái)、發(fā)射機(jī)或接收機(jī)中的主要元件。從理論上講，考慮到所用的低頻以及相關(guān)的巨大波長(zhǎng)，需要一個(gè)巨大的天線，甚至達(dá)數(shù)百公里。對(duì)于天線，根據(jù)要執(zhí)行工作的難度、要獲得的結(jié)果以及房屋中可用的空間，至少可以采用三種解決方案（請(qǐng)參見(jiàn)圖3）：

• 隨機(jī)電線天線
• 環(huán)形天線
• 鐵氧體天線
• 地球偶極子（聽(tīng)地球內(nèi)部的聲音）

圖3：不同類(lèi)型的天線。

天線可以通過(guò)多種方式構(gòu)建。電線必須使用塑料套絕緣，也可以使用漆包線。隨機(jī)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(zhǎng)度與所需的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而是根據(jù)可用空間進(jìn)行調(diào)整。由于其電氣特性，這種類(lèi)型的天線會(huì)收集很多噪聲。環(huán)形天線由一個(gè)或多個(gè)線圈組成，在受影響的頻段內(nèi)非?！鞍察o”。它必須構(gòu)成一個(gè)諧振電路，因此需要一個(gè)可變電容器與之并聯(lián)。在本例中，其匝數(shù)必須非常高。匝數(shù)、導(dǎo)線直徑和線圈面積決定了其電感和電阻。與隨機(jī)天線不同，環(huán)形或框形天線不需要接地。對(duì)于鐵氧體天線，必須將大量漆包線纏繞在鐵氧體磁芯周?chē)?。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(tīng)直接來(lái)自我們星球的電信號(hào)。它由兩個(gè)打入到地下的木樁組成并從中心饋電，電線的長(zhǎng)度約為數(shù)百米?，F(xiàn)在給出有關(guān)靜電放電和高壓的一些建議。如果用長(zhǎng)導(dǎo)線（例如，長(zhǎng)于100至200m）制作天線，則存在危險(xiǎn)靜電的可能性會(huì)增加。建議使用Pi-Greco天線調(diào)諧器降低阻抗。電線必須直接或間接連接到計(jì)算機(jī)聲卡的麥克風(fēng)插孔。如果靜電水平很高，這種連接可能會(huì)對(duì)聲卡芯片造成風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上，除了阻抗外，對(duì)于那根導(dǎo)線，還有必要考慮靜態(tài)電壓。危險(xiǎn)不僅表現(xiàn)為附近或天線遭到雷擊，而且表現(xiàn)為較次的靜電場(chǎng)強(qiáng)度，而干燥的空氣則對(duì)此有利。靜電電壓會(huì)存儲(chǔ)在天線上，而與地面一起形成一個(gè)“電容器”。因此，建議創(chuàng)建一個(gè)可以將這些電場(chǎng)釋放到大地的系統(tǒng)。這些方法之一是通過(guò)高阻值電阻（例如大約5到10MΩ）將天線接地（見(jiàn)圖4）?；蛘咭部梢詫蓚€(gè)二極管反并聯(lián)連接到線路輸入上。

圖4：隨機(jī)天線及其近似阻抗示例。

前置放大器

對(duì)天線信號(hào)放大通常很有用，尤其是在露天地區(qū)進(jìn)行“收聽(tīng)”測(cè)試時(shí)，那里的信號(hào)確實(shí)很“安靜”，即實(shí)際上收到的是有效消息，而沒(méi)有企業(yè)或家庭干擾需要降低。適用于VLF天線的音頻易于構(gòu)建。大約+15dB的增益有助于讓信號(hào)以稍強(qiáng)的方式從天線發(fā)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(huì)使信號(hào)大大降低。另一方面，F(xiàn)ET的輸入阻抗為8到10MΩ，內(nèi)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(chǎn)品商店中輕松購(gòu)買(mǎi)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(méi)有任何失真。22kΩ R5微調(diào)器用于確定電路的放大倍數(shù)，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(gòu)建起來(lái)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(shù)下的輸入與輸出信號(hào)及其頻率響應(yīng)。輸出信號(hào)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(dú)立工作約100個(gè)小時(shí)。

圖6：放大器的輸入信號(hào)（黃色跡線）與輸出信號(hào)（綠色跡線）及其頻率響應(yīng)。

聲卡

聲卡設(shè)備用于在0到22kHz的頻帶范圍替代無(wú)線電接收機(jī)。24kHz的限制取決于PC聲卡的帶寬和采樣率。如果該聲卡可實(shí)現(xiàn)高達(dá)192,000Sa/s的采樣率，則可以觀察到高達(dá)96kHz的信號(hào)。使用它時(shí)，必須仔細(xì)確定其放大倍數(shù)，而避免可能的互調(diào)。本文使用Tascam 2×2 USB外置聲卡（如圖7所示）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采樣頻率為96kHz。其前面板上有個(gè)開(kāi)關(guān)，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(gè)人電腦

PC方面沒(méi)有什么特別建議：可以使用臺(tái)式PC或筆記本電腦。電池電源有助于將系統(tǒng)與50Hz或60Hz交流電源隔離。建議安裝一個(gè)非常大的硬盤(pán)，以便裝下將要錄制的許多WAV記錄。

軟件

軟件的任務(wù)是錄制信號(hào)，而在監(jiān)視器上呈現(xiàn)出來(lái)并在硬盤(pán)上生成錄音文件。此收聽(tīng)活動(dòng)有許多專(zhuān)用的程序，但用于本文的程序（參見(jiàn)圖8）如下：

• HDSDR
• WASP
• SoX

圖8：HDSDR、WASP和SoX軟件。

簡(jiǎn)而言之，HDSDR是一款面向Microsoft Windows的免費(fèi)軟件（SDR）程序，其典型應(yīng)用是無(wú)線電收聽(tīng)、SWL、射電天文學(xué)和頻譜分析。WASP是一款用于記錄、查看和分析音軌的免費(fèi)程序，也可以使用它查看頻譜圖。 SoX則可以讀寫(xiě)最常見(jiàn)的音頻文件，并可以在此過(guò)程中加入一些聲音效果。所有功能只能通過(guò)SoX命令使用。它是一款非常強(qiáng)大的命令行音頻處理工具，特別適合于快速、輕松地進(jìn)行編輯以及進(jìn)行批處理。它還允許以非常高的分辨率查看頻譜圖。

現(xiàn)在，我們來(lái)聽(tīng)聽(tīng)……

在該頻帶中，許多信號(hào)都是由位于無(wú)線電臺(tái)附近的電子設(shè)備所發(fā)射。接收到由電視、收音機(jī)、燈、繼電器、電動(dòng)機(jī)、洗衣機(jī)、電梯等引起的干擾是正常的。在探測(cè)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(hào)。必須非常注意正確選擇左右音頻通道（參見(jiàn)圖9）。實(shí)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(dòng)狀態(tài)。

圖9：要執(zhí)行的第一個(gè)操作是選擇音頻信號(hào)通道。

許多信號(hào)仍將保持神秘，而其他信號(hào)則也可能在互聯(lián)網(wǎng)的幫助下發(fā)現(xiàn)。例如，圖10顯示了建筑物電梯所產(chǎn)生的電信號(hào)，其在8kHz頻段上很容易被識(shí)別。頻譜圖顯示有五次電梯活動(dòng)：

第一次持續(xù)15.4s

第二次持續(xù)15.4s

第三次持續(xù)19.5s

第四次持續(xù)7s

第五次持續(xù)11s

圖10：頻率為8kHz的電梯信號(hào)的頻譜圖。

可以在整個(gè)頻譜上進(jìn)行其他觀察。當(dāng)然，許多信號(hào)都是人為產(chǎn)生，例如霓虹燈、電視、無(wú)線電遙控器、開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源和電燈，如圖11所示。

圖11：頻譜圖中記錄的一些電信號(hào)。

地球和大氣層也會(huì)發(fā)出聲音，幸運(yùn)的是，可以看到一些有趣的現(xiàn)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(duì)地震前兆進(jìn)行有趣的實(shí)驗(yàn)。雖然仍然沒(méi)有確定的科學(xué)數(shù)據(jù)，但是在這種情況下，最好創(chuàng)建一個(gè)“地球偶極子”，這就對(duì)監(jiān)測(cè)土壤表面電流很有用。目前，一些研究指出，可以在幾小時(shí)前預(yù)測(cè)到強(qiáng)烈地震，但接收站必須距震中不到100km。此外，聽(tīng)音和錄音不能在城市的家中進(jìn)行，而必須在鄉(xiāng)村進(jìn)行，傳感器要直接接地。

總結(jié)

在VLF頻段觀察頻譜圖無(wú)疑是項(xiàng)非常有趣且神秘的活動(dòng)，至少在活動(dòng)的最初幾天，即使在晚上，也都會(huì)讓你沉浸在PC上。經(jīng)驗(yàn)可以提高我們識(shí)別各種電信號(hào)和自然信號(hào)的敏感性。這個(gè)極低的頻帶中有許多信號(hào)在傳播，這也說(shuō)明了地面波如何能夠長(zhǎng)距離傳輸信息。收聽(tīng)和觀察信號(hào)的活動(dòng)還應(yīng)旨在研究和發(fā)現(xiàn)信號(hào)所產(chǎn)生的來(lái)源。如果有雷雨和閃電（參見(jiàn)圖12），請(qǐng)務(wù)必記住將天線與聲卡間的連接斷開(kāi)。

圖12：雷雨和閃電。

編輯：hfy