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サウンドカードでドイツ海軍からの信号を受信する方法、または超低周波無線信号を研究する方法

こんにちは、Habr。



超長波の受信と分析のトピックは非常に興味深いものですが、Habréではめったに言及されていません。ギャップを埋めて、それがどのように機能するかを見てみましょう。





日本のVLF送信機（c）en.wikipedia.org/wiki/Very_low_frequency



VLF



超低周波数は、30KHz未満の周波数の無線範囲の周波数と見なされます。軍隊からの関心はずっと前に現れました。そのような長い波長（最大100 kmの波長！）の電波が水を透過し、潜水艦との通信に使用できることが明らかになったときです。誰がこの方法を思いついたのかはわかりませんが、1943年にすでにドイツでゴリアテ送信機が発売され、15〜25kHzの周波数で潜水艦にデータを送信しています。戦後、送信機は分解され、USSRに輸送されて再起動されましたが、ウィキペディアによると、それはまだ機能しています。



アンテナの効率は波長に依存し、非常に長い波の場合、アンテナの効率も非常に低くなります。メガワットでは、放射電力（EIRP）はわずか30〜50kWです。しかし、潜水艦への信号の秘密の送信の可能性は非常に魅力的であり、それは誰も止めませんでした-もちろん、そのようなシステムは現在機能しています。 VLF信号を送信することは非常に困難ですが、誰でも受信できます。これにはラジオ受信機も必要ありません。通常のPCサウンドカードでは、20〜30KHzの周波数を使用できます。より長いケーブルを取り、それをサウンドカードの入力に接続し、森の中のどこか、または産業の干渉がないフィールドにラップトップを持って行く必要があります。最新のテクノロジーは、SDRを使用してオンラインで受信するためのはるかに便利な方法を提供します。たとえば、オランダの大学の受信者のパノラマを見ることができますTwente：







すべての垂直線は現在のシステムです。その結果は驚くべきものであり、VLFスペクトルはFM放送帯域での夕方の放送と同じくらい「詰まっています」。ここで何が見えるか見てみましょう。12〜15 KHzの



周波数で、ロシアの無線ナビゲーションシステムAlphaに関連するマークが表示されます（フルネームはRSDN-20-長距離ナビゲーションの無線技術システム）。ウィキペディアによると、Alpha送信機は11.9、12.6、および14.8 KHzで動作し、システムは最大1.5kmの位置決め精度を提供します。ただし、パノラマではインパルスは表示されません。おそらく出力があります。Twenteの受信機は、この信号に対して十分な感度がないか、無線信号が何らかのスケジュールに従って送信されます。横動作で16.4 kHzではあるNoviken送信ノルウェーに位置します。残りをリストすることは意味がありません、リストはウィキペディアで見ることができます。



受信



超低周波信号がどのように受信されるかは、それほど興味深い問題ではありません。しかし、明らかな理由から、オープンソースの潜水艦との通信機器に関する詳細な情報は事実上ありません。一般的な考え方は、写真から理解できます。





水平方向の信号伝搬©IEEE Communications Magazine 1981



ご覧のとおり、長いワイヤーがアンテナとして使用され、ボートの後ろに伸びるか、特別なブイによって特定の深さに保持されます。アンテナ自体は明らかに秘密ではありません。説明付きのpdfはGoogleによって非常に簡単に見つかります。700m







のケーブル長は印象的ですが、幸いなことに、「陸上」ではすべてがはるかに簡単であり、そのような巨大なアンテナは必要ありません。VLF信号を受信することもできます。バルコニーにあるポータブルアンテナMiniWhip。



記録と分析



次に、送信された無線信号の構造を見てみましょう。たとえば、ドイツから23.4kHzで送信されたランダムなDHO38信号を取得しました。録音は、図のように周波数と変調を選択し、「オーディオ録音」ボタンをクリックします。







結果のファイルは、無料のSignalsAnalyzerプログラムで開くことができます。写真から、信号が周波数変調（FSK）を使用していることは明らかです：







FSK復調器を適用すると、ビットのシーケンスが得られます：







ちなみに、伝送速度は毎秒200ビットです-youtubeを見るには、それは間違いなく十分ではありませんが、深さ30mの潜水艦の場合でもそれは悪くありません。ご想像のとおり、VLF通信は一方向です。ボートの乗組員は水中から応答できません。



信号について詳しく見ていきましょう。FSKデコーダー後に取得したファイルをWAVに保存しましょう。もちろん、送信の内容を受信することはできません。信号は暗号化されている可能性があります。ただし、Pythonを使用してビットストリームを2Dイメージに「展開」することで、ビットストリームの構造を確認できます。データに繰り返しフラグメントが含まれている場合（たとえば、ストリームが特定の長さのパケットに分割されている場合）、これは画像上にはっきりと表示されます。



ソース 
from scipy.io import wavfile
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image

_, data = wavfile.read('websdr_recording_2020-11-06T15_00_00Z_23.4kHz_.wav')
print("WAV: %d samples" % data.shape[0])

for iw in range(400, 1024, 2):
    print("Saving: {} of {}...".format(iw, 1024))
    w, h = iw, 800
    image = Image.new('RGB', (w, h))

    px, py = 0, 0
    for p in range(data.shape[0]):
        image.putpixel((px, py), (0, data[p]//16, 0))
        px += 1
        if px >= w:
            px = 0
            py += 1
            if py >= h:
                break

    image.save("image-%d.png" % iw)


転送のパラメータがわからないため、すべての出力オプションについて説明します。結果は、次のようなファイルのセットになります







。画像の特定の幅で、いくつかのパターンが簡単に推測されることが簡単にわかります。ビットストリームの拡大：







興味のある人は自分で絵の幅を試すことができます。原則は明らかだと思います。線の傾きは、送信機と受信機の周波数が一致していないためです。もちろん、本格的なビットストリームを取得するには、20行のコードでは明らかに不十分であり、PLLを使用してデジタル復調器を作成することは明らかにこの記事の範囲を超えています。そして概して、これにはあまり意味がありません-信号はとにかく暗号化されており、ビットデータがあっても、他には何もしません。ご希望の方はご自身でパターンを検索してみてください。



結論



ご覧のとおり、このような通信システムの研究は、技術的なだけでなく、歴史的にも興味深いものです。そして、超低周波数では、自然起源の信号、たとえば、10〜20ヘルツの周波数でのシューマン共鳴を含む多くの興味深い信号がまだあります。



これまで読んだ人へのボーナスとして：そのような周波数で送受信がどのように機能するかを「ライブ」で見たい人は、147.3kHzでオープン形式で天気予報を放送するドイツのステーションPinnebergを受信しようとすることができます。MultiPSKなどのさまざまなプログラムを使用して信号をデコードできます。必要に応じて、コメントに書き込んで、Pythonを使用したデコードを検討することもできます。



いつものように、みんなに頑張ってください。


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