永不消逝的电波（一）：无线电入门篇

0×00 无线电发展简史

· 1837年，摩斯发明了电报，创造了摩斯密码（Morse code），开始了通信的新纪元。
· 1865年，英国的麦克斯韦总结了前人的科学成果，提出电磁波学说。 
· 1876年，贝尔发明了电话，能够直接将语言信号变为电能沿导线传送。 
· 1887年，德国科学家赫兹（Hertz）用一个振荡偶子产生了电磁波，在历史上第一次直接验证了电磁波的存在。 
· 1897年，意大利科学家马可尼（Marconi）在赫兹实验的基础上，实现了远距离无线电信号的传送，这个距离在当时不过一百码，但一年后他就实现了船只与海岸的通信。 
· 1901年12月12日，马可尼做了跨越大西洋传送无线电信号的表演。这一次他把信号从英国的Cornwall发送到加拿大的Newfoundland。 马可尼因此获得1909年度诺贝尔奖。与他分享这一年度诺贝尔奖的是布劳恩（Braun），因为布氏发现金属硫化物具有单向导电性，这一成果可用于无线电接收装置。 
· 1904年，英国科学家弗莱明（Fleming）获得了一项专利，在专利说明书中描述了一个高频交变电流整流用的两极真空管，标志着进入无线电电子学时代。  
· 1906年，美国科学家弗雷斯特（Forest）发明了真空三极管，是电子技术发展史上第一个重要里程碑。同年，美国科学家费森登（Fessenden）在Massachusetts领导了第一次广播。 
· 1912年，英国科学家埃克尔斯（Eccles）提出了无线电波通过电离层传播的理论，这一理论使得一群业余爱好者在1921年实现了短波试验性广播； 同年，美国的费森登（Fessenden）和阿姆斯特朗（Armstrong）改进了接收机的工作方式，发明了外差式接受系统，这种形式仍是目前许多无线电接收机的主要工作方式。

在新中国成立后相当长的一个时期内，由于考虑国家安全等问题，国家对无线电台实行“少设严管”的政策，无线电台成为军队、邮电、广播、公安和交通等国家要害部门进行信息通信的重要工具。改革开放以后，各种无线电新技术、新业务在国民经济和社会生活的各个领域得到了越来越广泛的应用，我国逐步成为全球无线电应用大国。

近年来，国际电联划分的43 多种无线电业务，已在我国通信、广电、铁路、交通、航空、航天、气象、渔业、科研等行业和领域得到广泛应用，有力地推动了经济和社会发展的进程。

0×01 电磁波与无线电

1. 混为一谈OR完全割裂

有人会把电磁波、光、无线电波混为一谈，也有人会把它们完全割裂开来，这些都是不正确的。

在快速变化的电流周围会产生电磁波，为了描述电磁波的特征，科学家们引入了频率、波长、波速三个物理参数:

物理量       概念                          单位
频率（f）    电磁波1s振荡的次数             赫兹（Hz）
波长（λ）    电磁波每振荡一次向前传播的距离  米（m）
波速（c）    电磁波每1s向前传播的距离       米/秒（m/s）

公式    C=λf（波速=波长×频率）

2. 电磁波波段划分：

L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段、K波段、Ka波段。

这种划分方式是雷达业内的通俗叫法，没有一个严格、统一的标准。通常的划分是：

L波段 1~2GHz；
S波段 2~4GHz；
C波段 4~8GHz；
X波段 8~12GHz；
Ku波段 12~18GHz；
K波段 18~27GHz；
Ka波段 27~40GHz；
U波段 40~60GHz；
V波段 60~80GHz；
W波段 80~100GHz.

3. 电磁波的速度&分类：

电磁波产生之后，传播时不需要任何介质，在真空中也能传播，其在真空中传播速度为固定值，是宇宙中物质运动的最快速度，与光速相同，数值为3×10^8 (3乘10的八次方) m/s；

电磁波根据波长的大小，分为短波、中波、长波、微波、红外线、可见光、紫外线、Χ射线、γ射线等。

4. 无线电波传播途径：

无线电波广泛地应用于无线电通讯、广播、电视等方面，无线电波的发射和接受通过天线实现，其传播分为三种途径：天波、地波、微波。

地波：沿地球表面空间传播的无线电波叫做地波。由于地球是一个大导体，地球表面会因地波的传播引起感应电流，因此地波在传播过程中要损失能量，频率越高损失的能量也越多，所以地波主要适用于长波、中波和中短波。
天波：依靠电离层的反射来传播的无线电波叫做天波。电离层对于不同波长的电磁波的反射和吸收表现不同的特性，波长越长，吸收越强反射越弱，因此短波最适宜以天波的形式传播。
微波：微波是由于频率高、波长短，它既不能以地波的形式传播，又不能依靠天波的形式传播，和光一样，沿直线传播。

5. 无线电与电磁波

频率在数百千赫兹到数百兆赫兹之间的电磁波叫做无线电波，它包括短波、中波、长波、微波，无线电波也仅仅是电磁波的一部分，但电磁波不仅仅只有无线电波，仅仅只有频率相对较低的一部分电磁波才叫无线电波。

0×02 无线电信号调制

1. 什么叫调制，为什么要调制？

声音的频率是20HZ-20KHZ，转变成电磁波后也是这个频率，属于低频。电磁波的频率越高越容易传送得更远。所以音频需搭载在高频信号上才能传输得更远，音频搭载上高频信号的过程就叫调制。

调频波波形

无线电信号是原始信号和已调振荡信号的总称。声音、图像、文字、电码等欲传送的信息，通过转换设备后，转变成为相应变化的电压或电流，这种变化的电压或电流称为原始信号。在发射机中原始信号是用来调制高频振荡的，或者说是用来控制高频振荡的某一参数的，因此又称为调制信号或控制信号。经过调制的高频振荡，或者说参数按调制信号规律变化的高频振荡，称为已调振荡（已调波）。

调制的目的是为了把音频传送到更远的地方。目前常用的方法有调幅（AM）和调频(FM)两种方法。

AM(Amplitude Modulation 调幅):调制幅度，高频信号的幅度随着音频信号幅度的改变而改变，当音频信号的幅度高时高频信号的幅度也跟着高，反之跟着变低，形成音频信号的幅度包络，但高频信号的频率保持不变；调幅的特点是频宽宽，距离短。频宽宽的意思是对阻碍物的穿透能力强，但是传输距离较短
FM(Frequency Modulation 调频):调制频率，高频信号的频率随着音频信号幅度的改变而改变，当音频信号的幅度高时高频信号的频率也跟着高，反之跟着变低，但高频信号的幅度保持不变。调频的特点是频宽窄，距离长。频宽窄的意思是对阻碍物的穿透能力弱，但是传输距离长。

注：

频率：波在一定时间内震动次数
幅度：波在震动时候上下的幅度大小

调制器：    用于实现调制信号对高频载波信号的调制，产生已调波输出。
高频放大器：    对产生的已调波进行功率及幅度的放大后送至天线发射出去。
电源：    为电路各个部分提供电源。

数字信号波形

0×03 日常生活中的无线电

1. 收音机（无线广播）

在一般的收音机或收录音机上都有AM及FM波段，这两个波段是用于收听国内广播的，若收音机上还有SW波段时，那么除了国内短波电台之外，还可以收听到世界各国的广播电台节目。

一般中波广播(MW: Medium Wave)采用了调幅(AM)的方式，在不知不觉中，MW及AM之间就划上了等号。实际上MW只是诸多利用AM调制方式的一种广播，像在高频(3-30MHz)中的国际短波广播所使用的调制方式也是AM，甚至比调频广播更高频率的航空导航通讯(116-136MHz)也是采用AM的方式，只是我们日常所说的AM波段指的就是中波广播(MW）。

2. 遥控器

3. 路由器

频率：2.4GHz、5GHz

双频路由：2.4G&5GHz

4. 卫星天线

目前，卫星电视广播采用了三种方式：

一、通过普通的通信卫星将模拟或数字电视信号转发到本地电视台、有线电视网或集体接收站进入千家万户；
二、采用模拟技术，使用大功率电视直播卫星直接向家庭广播电视信号，由于这种电视信号未经数字压缩处理，每个转发器只能直播一路电视节目信号，每颗卫星一般只能直播几路电视节目；
三、采用Ku频段数字视频压缩卫星电视直播。每个卫星转发器可向装有约为0.5～0.8m左右的小口径卫星接收天线的家庭直播5～8路电视节目，一颗卫星可以直播100多路电视信号。这种业务亦称卫星数字电视直播(DVB-S)；
随着航天技术、数字电视技术、微电子技术、码率压缩技术的突破性进展，使卫星电视由原来的C频段转播进入了数字Ku频段的直播卫星阶段。卫星数字电视直播的发展已成为全球热点。

C波段天线&Ku波段天线

C波段卫星 机顶盒的大锅 直径1.2米

户户通（村村通）直播星小锅 直径0.3米

卫星天线的一些小知识：

· 在卫星通信中，要先从地面站向卫星上发送通信信号，叫上行，经过卫星上的星载设备进行放大，再发送回地面的另一个接收站接收，叫下行。
· 为防止上行和下行频率重叠干扰，系统中上行和下行各采用一个频率进行发送，从地面向卫星发送上行信号的频率叫上行频率，从卫星向地面发送下行信号的频率叫下行频率。

· 卫星天线调试参数：本振频率、下行频率、符号率、极化方式，不过目前大多数机顶盒自带自动搜索功能，所以这些参数无需牢记。

亚洲七号卫星部分节目参数

近期FreeBuf报道也曾报道过，APT 组织 Turla 使用基于卫星的通信实现 C&C

上面提及的间谍组织使用使用了DVB-S调制器（下图）：

这里我们稍微了解一下：DVB-S(ETS300421) 数字卫星广播系统标准。

特点：卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制(QPSK)方式，工作频率为11/12GHz。

FreeBuf也曾报道过，今年的BlackHat大会上也有个卫星相关的议题《利用卫星接收器扩展僵尸网络》

5. 机场塔台与飞机

一般来说，降落的灰机高度在6K的时候会通过无线电与机场塔台联系，首次联系时会向机场塔台报告本次航班的编号、已经收到的机场通播编号等（起飞的时候灰机和塔台之间也会有通信联系）。

然后机场塔台会回复该航班，是否已经从雷达上看到该航班、该航班应继续进行的操作（例如保持目前航向等），然后该航班会重复一次机场塔台刚刚发布的指挥信息。这就完成了一次联系。

机场塔台&飞机

参考知乎：机场塔台的无线电环境有什么要求？在其周围私设电台会对塔台和飞机通讯造成哪些影响？

我国民航使用的无线电频率：1090MHz

民用对讲机使用的无线电频率：408-409MHz

警用频率：350-390MHz

0×04 使用软件无线电接收飞机信号

1. 接收飞机信号的常用设备

电视棒

优势：廉价（四五十元） 接地气

不足：只能接收、不能发射信号

HackRf

优势：开源、可以接收、发射信号

不足：USB2.0传输速率低于接收速率

其它设备：bladeRF 

优势：USB3.0；支持300MHz到3.8GHz 

缺陷：最高只能支持 3.8GHz，不可能用bladeRF来实现5GHz频段的802.11n

电视棒的核心芯片：

淘宝搜索"电视棒"一词是被屏蔽的，想买的同学可以搜电视棒的芯片名：“RTL2832U”。

USB DVB-T & RTL-SDR Realtek RTL2832U & R820T，这是螃蟹（ Realtek）的一个芯片型号，原本是做电视棒芯片的。

后来被人发现这个芯片具有非常广的频率接收范围，然后就被用来做sdr应用了，rtl的sdr应用。

其实，某宝两三百的无线电接收器也是根据电视棒芯片改装的。

（都是用的RTL2832U。左边价格三百，右边四十多，知道真相的我曾经哭晕在厕所）

2. 电视棒使用的一些软件

硬件有了，那么软件呢？

Linux:（Ubuntu）环境搭建

硬件驱动：rtl-sdr  

接收信号&解码：dump 1090

sudo apt-get install git
sudo apt-get install cmake

git clone https://github.com/pinkavaj/rtl-sdr.git
cd rtl-sdr/ 
mkdir build 
cd build
cmake ../
make 
sudo make install 
sudo ldconfig

编译安装dump 1090：

git clone https://github.com/antirez/dump1090.git 
cd dump1090/ 
make

软件启动：

cd /home/$user/dump1090 #转到dump 1090的主目录
sudo ./ dump1090 --interactive --net

软件截图：

软件界面参数：

HEX:16进制数据
Flight:航班号
Altitude:灰行高度（海拔）
Speed：灰行速度
Lat/Lon：地理坐标（经纬度数）

dump启动时会开启自带的WEB服务器，并且WEB调用了谷歌地图的API 接收到飞机的一些信息后 会在页面地图上描绘出飞机的轨迹（谷歌地图目前需要FQ）：

 

 

Windows:

驱动-zadig：类似于驱动精灵。可以在win上安装电视棒、HackRf的驱动；

sdrsharp：可以用来听广播&录制无线电信号 并把信号保存为音频文件；

HDSDR:把音频转化为信号，可配合HackRF使用进行信号输出；

rtl1090：可以接收灰机信号；

Audacity：音频分析（信号分析）；

另外，之前在网上查阅资料的时候看到一张图片，思路很Nice：(原文 ：使用HACKRF巡视钓鱼岛(HACKRF ADS-B out) )

理论上来说，这种思路是可以实现的，但是法律上不可能允许民众私自占用无线频段，(一定要遵守无线电管理法规！一定要遵守无线电管理法规！一定要遵守无线电管理法规！重要的事情要说三遍)，PS：通过无线电信号的“伪造”灰机，那么雷达那边如何才能瞒天过海？

第一篇先到这里，接下来的文章中我们将通过windows上一些软件（sdrsharp、HDSDR、Audacity）进行信号分析并使用HackRF进行简单的遥控信号重放。（其实，写完这句话的时候我的内心是崩溃的，牛皮吹大了，万一不能实现怎么破？！趴在厕所马桶上哭完，坚强地回到工位 o(╯□╰)o囧  然后终于顿悟：生命在于折腾，自己吹的牛逼流着泪也要实现！）