调制与制式 (2)电报:火花发报机和减幅波

调制与制式 (2)电报:火花发报机和减幅波

摘要:
(1) 火花发报机的结构和工作原理;
(2) 火花发报机发射信号的特点。


画家的启示

美国画家莫尔斯(Samuel Finley Breese Morse, 1791 ~ 1872)在1837年发明了莫尔斯电码——电码的发明比无线电的发明早得多。其实早在静电时代,就已经有人尝试用导线传递静电以实现字符的传递。这些尝试不是需要的导线太多,就是传输距离太短,都没有获得成功。画家莫尔斯是在轮船上的闲谈中听说了引人入胜的电学世界,并为此思考付出努力。再加上电磁学理论和技术的发展,终于发明了利用电路通断标识字母和数字的编码方法,即莫尔斯电码。除了电码,莫尔斯还发明改进了有线电报的设备,实现了自动收发报。

实际上,现在使用的ITU标准莫尔斯电码和莫尔斯当初发明的电码有很大区别。现在的莫尔斯电码是1865年在巴黎的世界电信会议上确定成为标准的,它经过了实践的改进,比起最初莫尔斯发明的电码更加清晰明了。这也说明,一种通信方式从发明到成为标准,中间要经历大量的扯皮时间——从最初的莫尔斯电码,到最新的5G第五代移动通信标准,都是如此。

莫尔斯电码最早被用于有线电报。当赫兹发现电磁振荡、波波夫和马可尼发明无线电后,人们自然而然地尝试把莫尔斯电码应用在无线电上。

被禁用的火花发报机

最初发明的发报机被称为火花发报机。经常有人以为火花发报机火花发报机是在电键砸下时候产生一个火花,发出咔哒一声,这是不对的。实际上,火花发报机工作的时,砸下电键后,火花间隙将产生连续的火花放电,就像某些燃气灶电子打火一样,同时,升压电感的衔铁像电铃一样振动,产生发射侧音(侧音,就是收发电报时候听到的滴滴声);抬起电键,电路停止工作。

在接收端,最初有线电报时期可能用过磁电式仪表作为指示,收报员通过观察表针的摆动记录电报。后来使用矿石收音机电路,可以直接接收解调火花发报机产生的指数减幅包络调制的调幅波,听到声音。

这是火花发报机的电路图和实物接线图,几十年前,在男孩子们的课外活动手册中很容易找到这样的图纸和指南。图中层叠像书本一样的东西是电容器,更早的时候使用莱顿瓶。四个接线端子的小盒子是升压电感线圈,线圈盒子侧面那个机构是衔铁,对应电路图线圈下面那个小开关。衔铁触点之间应该并联一个小电容用于灭弧。

火花发报机是不需要晶体管或电子管的——事实上,电子管发明不久后火花发报机就被禁止使用了。作为晶体管和电子管的替代品,为LC振荡回路补充能量、产生交变电流的工作由继电器的衔铁完成。

电键闭合后,蓄电池提供的强大电流通过升压变压器的原边绕组(图中右侧),你可以把原边绕组想象成一个电磁铁,通电的电磁铁吸引衔铁开关,将电路断开。电路断开后电磁铁的磁性消失,衔铁靠自身弹性回到原来位置,又将电路接通,这样,衔铁就会不停地振荡起来——如果用衔铁敲击一个铃铛的话,你就得到了一个电铃——同时,变压器的原边绕组中得到了交变电流。与衔铁开关并联的电容可以在衔铁开关断开期间存储电感中的能量,同时还能避免衔铁开关打火。

升压变压器的副边绕组(左侧)拥有比右侧更多的匝数、更细的导线,以获得高压。与之并联的电容器是高压电容,你可以用堆叠的油纸和锡箔制作出一个很好的油浸纸介电容器,再用石蜡密封——或者用玻璃瓶制作的莱顿瓶也是一种很原始但效果很好的高压电容。当高压电容两端加载在火花间隙之间的电压高到可以击穿空气间隙时,就产生了火花放电。火花放电电流在电容和电感之间振荡。图片最左侧像蚊香一样的两个盘子,是安装在绝缘支架上螺旋形的金属条,构成一个可以通过大电流的可调电感,还起到耦合和天线调谐的作用。

最左侧天线和地线之间的电感获得的电磁波能量发射到空中——时至今日,国际业余无线电联盟IARU,以及各国业余无线电的标志都来自这一电路的形状:天线、地线,和中间的电感线圈。

图:活的火花发报机

火花发报机的信号可以使用最简单的矿石收音机接收。这里术语矿石收音机指仅利用一个单向导电元件完成检波的不用电源的接收机,这个元件可以是真的矿石,或者是一枚晶体二极管。

火花发报机发射的是调幅波,但为了和后来调制话音的AM调幅区分,可以把这种波形被称为减幅波。电磁波的振幅在每次放电时达到最大,然后以指数形式衰减,然后随着另一次放电再次达到最大值。经过调幅检波后,获得一个基频和火花频率一致的基带波形,可以直接从耳机听到。在报务员使用的Q简语中,有QSW和QSX分别表示“我应增加/减少我的火花频率”。这两个Q简语失效于1920年,当年火花隙式发射机被禁止在美国使用。1934年,新诞生的国际电联(ITU)正式禁止了减幅波的应用。

导致火花发报机禁止使用的原因是减幅波夸张的频带占用。当火花发报机工作时,很宽的一段频率范围内都能听到它的声音。20世纪初制作精良的火花发报机拥有金质的火花间隙以对抗氧化烧蚀,有机械旋转机构让帮助火花间隙表面轮流休息,这些设计让业余爱好者可以拥有超过1kW的发射功率。这对拥挤的长波和中波波段带来了巨大的压力(短波的应用是以后的事情。早年人们认定波长越长传输越远,而高于1.5MHz的频率都被当作无用的波段统统扔给了业余业务。)电子管发明后不久,出现了可以收发连续单频正弦波的振荡电路,以及在接收端产生侧音的差拍电路,于是占用带宽更小的连续波CW发射机取代了火花发报机,一直使用到今天。

频域分析

火花发报机的频率占用究竟是什么样的?我们利用简单的频谱形状知识定性地看一看。

对于没有莫尔斯电码调制的连续减幅波,它的时域波形的包络(调幅前的基带信号)可以看作周期延拓的单边指数信号和带来幅值跳变的冲激信号,而延拓周期就是火花频率。然后通过双边带调幅调制在载波中心频率上,这个载波中心频率就是电路高压侧中电感和电容决定的谐振频率。

单边指数信号的基带频谱是一个零频率处的钟形函数,宽度和衰减的速度(时间常数)有关。冲激信号的频谱是很宽的水平线。将其周期延拓,相当与和周期性冲激序列在时域做卷积。此时我们默念“时域卷积,频域相乘”的古老咒语,获得了它的频域表现——包络为钟形曲线的一系列谱线,谱线间隔与火花频率有关。然后这一系列谱线被调幅搬移到载波频率的两侧。

最后,这些谱线还要被莫尔斯电码的通断信号调制。通断相间的莫尔斯电码基带信号理论上说应该用随机信号理论来分析,简便起见,我们把它简化为波形升降沿赋型的方波。它的频谱占用包络是波形窗函数的频谱,包括主瓣及其两侧的多个旁瓣。然后我们再次默念“时域相乘,频域卷积”的傅里叶咒语,将这一系列主瓣和旁瓣在前面说的一系列谱线处各复制一份。至此,得到了减幅波频谱的大概形状。

此图只是示意图,不是根据计算结果绘制的精确图形。

这种频谱很宽的调幅信号,可以被调谐在很大范围内的接收机收到。如果减幅波的幅度变化足够剧烈,带宽足够宽,功率足够强劲,那么接收端会感到这个信号遍布整个波段,简直无处不在——就像快速短路干电池引起中波收音机的干扰那样,那种咔哒声完全无视中波收音机调谐在哪个电台上。

一台活的美军机载火花发报机,型号为BC-15A。铭牌上表明生产于1918年8月22日。观察孔中可以看到火花间隙的放电,这台机器仍能正常使用。

连续波(CW)的发明

CW起源于1920年,电子管收发信机取代火花发信机的年代。与之前会使得整个频谱变得混乱的阻尼波电报相比,理想的CW信号将全部能量都集中在单一频率上的正弦波上。理论上讲,连续的正弦波占用的带宽为0,但调制在正弦波上的电码会扩展信号的频谱范围,而且电码速率越快,所需要的带宽越大。

虽然在现代通信术语上,莫尔斯电报被称为连续波CW,为什么将断断续续的莫尔斯电码称为“连续”波可能会给最初接触无线电的人带来误解。了解火花发报机后,原来这个术语是百年前无线电技术发展遗留的历史遗迹。

考虑到篇幅问题,连续波电报的故事留给下篇文章~


不正经的参考文献:
题头图:Trayers Photography
解放军战士出版社《电报史话》,矿石收音机论坛搜刮来的图片
美军那台火花发报机据说是挂在ebay上出售的

编辑于 2017-10-17

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