无线电通讯与对讲机

无线电通信是人类很早就开始使用的一项技术,比起手机、互联网这些比较新兴的通信方式,它的历史更为悠久,同时某些优点也是这些新技术无法完全替代的。我们知道无线电,也就是电磁波有几个重要的特性,波长/频率就是其中之一。

波长/频率

这里有一个波长、频率分段,我们知道光速约为 30, 000km/s,因此频率段按照 3\times 10^n 来分割对应的波长差不多正好是 1 \times 10^m 米。这里我们看看业余无线电通信最常用的两个频段:

  • VHF 为 30-300MHz,因此最短波长为 1m
  • UHF 为 300-3000MHz,因此最短波长为 10cm (1dm)。

随着波长增加,无线电会越来越受到地形、大气的影响,比如 UHF 更容易受到湿度的影响。受到波长影响最大的元件大约就是天线了,波长越大需要的天线尺寸往往越大,这样一来往往 UHF 的天线会短于 VHF。

并不是每个频段所有波长都可以被合法的用来进行任意的通信。

频段分配

无线电的应用是非常广泛的,频段资源往往每个国家都有明确的法律规定,不遵循这些条文的结果可能不仅仅是罚款了。这里是美国 VHFUHF 的分配,我们仅仅选择几个关心的频段:

  • VHF 中 87.5-108MHz 为 FM 广播(城市里很多音乐台、交通台等都会集中在这个频段),50-54MHz,144-148MHz,222-225MHz 均为业余无线电频段(根据波长,它们通常也被人称为 6m,2m 和 1.25m)。
  • UHF 中 470-512MHz 和 512-698MHz 为电视信号,420-450MHz,1240-1300MHz,2300-2310MHz,2390-2450MHz 为业余无线电频段(通常称为70cm、23cm 和 13cm 下、上段)。

通过行业划分,然后具体到某个区域,就能减少信号的相互干扰。这里有业余无线电更完整的频段列表。

一个小 tip:FM 本意为 frequency modulation,即频率调制,对应于另一个调制技术 AM(amplitude modulation)。

频道

有了频段的概念,我们知道这个范围里面还是可以存在多个 channel(频道),将这个空间继续细分,这样一来就可以避免同一频段里面的相互干扰了。比如车载收音机通常会搜索 FM 频段,将存在信号的频率记录下来,关联到某个频道,其实很早的电视机信号也是如此工作的。

业余无线电波段通常没有强制划分频道,因此不少设备匹配可以按照预先设置好的频率。比较有名的大约是这个领域的先驱摩托罗拉自己设定的频道分划了。

对讲机

对讲机(walkie talkie)最早也是由于军事用途诞生的,而后在民用。它是一种 half duplex 工作协议,同一频道上所有的对讲机一次只能有一个处于传送状态,而其他的处于接受。其调制方式多为 FM,但是某些产品也支持 AM、SSBCW 这些模拟信号调制,或者数字信号调制 radioteletype(电报)和 PSK31。比较新的有 D-STAR 可以同时传送语音和数据。

美国比较常见的是 FRSGMRS 这两个在 UHF 段的 FM 调制的对讲机系统,前者功率在 .5W 以下使用范围较小,而后者比较有用的功能是存在 repeater(中继器)的情况下,可以极大的提高其通信范围,然而在美国使用 GMRS 是需要许可证(65$ 每 5 年,一个许可证可以让整个家庭的直系成员都可以操纵)。中继器工作原理就是在较高的位置接受信号并将信号转发出去,这样可以跨过一些 UHF 无法穿越的山丘地形,但是对讲机只可以一个人传送,所以 repeater 转发的时候会将其频率进行一定的偏移,因此使用 repeater 的时候对讲机需要设置两项(频率和偏移),这样才能完成传送和接收。

这里可以查到美国各个州的中继器。使用前先搞清楚一些基本礼仪。比如通话时由于只有一方可以出声,所以每段话结束后需要有一个标志(比如 over),方便其他人听见后可以及时响应。又比如一般先到先得,如果某个频道已经被人占用,应该去寻找其他的频道。

具体的例子

比较廉价而又具有一定功能的宝峰 UV-5R 对讲机号称双频段是因为它覆盖了 VHF 和 UHF 部分用于业余无线电的频段:

  • 65-108MHz 只支持接受,覆盖了 FM 广播频段,因此可以用它收听节目
  • 136-174MHz 支持收发,覆盖了业余无线电 2m 段,但是同时通过它还能收到其他频段的信号
  • 400-520MHz 支持收发,覆盖了业余无线电 70cm 段,同时也能接收到其他频段的信号

通过软件可以将一些信息预先写入对讲机,如频道和中继器的偏移量等等,这样就不需要记住那么多诡异的数字了。很显然我们可以把 FRS/GMRS 的频段存入,然后将一些常去地方的 repeater 信息也记录下来。

这款对讲机最高功率为 5W,可以调节其大小(三档),比如使用范围较小(室内 FRS 通信)可以设为 low,但是户外活动建议设置为最大,这样才能在出现危险的时候使自己的信息最大可能的传输出去。

户外活动

最后我们来看看为什么说对讲机某些优点是现在手机或者互联网尚且无法替代的。多数灾难发生的时候,手机的信号塔需要额外的电力才能工作,而对讲机和中继器都是非常简单的设备,不需要强大的供电就可以维持其运营。某些山区里面是很难获得手机信号的,对讲机很多时候可以保证距离不大远的团队有可靠的通信手段。

不过更多的人是携带 HF 无线电设备,这属于短波通讯的范畴了,不过看着那么长的天线,真的觉得好难带出去,架起各天线就要搞半天。由于短波可以依靠平流层反射传播,甚至可以跨过大陆进行通信,比起 VHF/UHF 确实要强悍太多了。不过我设想的用途大约就是几个人 hiking 或者 camping 的时候,距离不会太远,但是手机却没法用。

无线电通讯与对讲机

电池与充电器

每次想到这个事情总觉得很难下手,不同的设备使用不同类型的电池,每种电池充电的要求也不一样,等等。

一些基本的物理性质

衡量电池的物理性质主要有:

  • 电压,常见的非充电 AA 多为 1.5V,充电的一般为 1.2V,铁锂电池为 3.2V 而 Li-Ion 电池为 3.7V
  • 电量,一般使用 mAh 表示,相当于存有的电荷总数
  • 一个电池能做多少功一般使用以上两个数据的乘积,更精确的计算应该是按照时间测量电压电流的积分。比如 Eneloop 电池一般电量为 2000mAh,实际能提供的功也就 2.4Wh

这样看来往往一个高电压的电池往往能在电量较小的情况下提供相当不错的功,比如铁锂电池做到 14500 体积的时候往往只有 700mAh 的电量,但是乘以 3.2V 的电压后也有 2.24Wh。需要注意的是有的设备并不支持过高的电压,比如很多使用两节 AA 电池串联连接的设备,往往只能通过一节铁锂电池加上一个占位筒来使用。但是某些设备在较高的电压下会有更好的特性(电机之类的可以获得更大的扭矩)。不过很多电子电路现在通过一个较好的电路往往可以在较宽泛的电压下正常工作。

值得注意的是我们这里所说的电压为 nominal votage,实际上电池在充电满电时和放电缺电的时候的电压均完全不等于这个值,比如一般的锂电池,满电时电压接近 4.2V,随着放电的进行电压会逐步下降到 3.5V 或者更低。

化学性质

电池都是通过化学反应产生的电势差,因此制作电池的材料本身决定了电池的某些特性。比如 Ni-MH 电池一般认为具有记忆性,建议放电彻底后再进行充电,充满后使用以免其记忆性导致容量下降。而 Li-Ion 电池认为没有记忆性,可以随时充放。但是锂电池的重要缺陷在于它不能过度放电或者充电,一旦超过了它的极限就会变得不可逆转,损坏电池。这也就会导致不同电池存在一定的设计问题。例如对于手电这么一个基本的应用,多数 AA 电池可以直接使用,而如果使用锂电池就存在一定的风险,多数手电并不关心使用的电池种类,只会在有电压的时候发光,因此可以把电池的电量消耗殆尽,所以这时为了保证锂电池的安全,我们需要在电池本身加上保护电路。

这一点非常有意思,比如不少笔记本电脑的供电其实也是通过几组 18650 提供的,这时同样存在保护问题,但是笔记本厂商会在电池整体的封装上提供保护(过充和过放),而不会每节电池上提供保护。有不少人喜欢拆开老旧笔记本的电池,提取其中的 18650,那么需要注意的是这些电池在某些应用里面是有一定风险的。

市场上 18650 比较有名的三个是 sanyo 的 2600mhA,Panasonic 的 3400 mhA 和 LG 的 3500 mhA 的产品,多数原厂电池芯都是没有保护电路的,卖得相对便宜很多,比如 Panasonic 的大约一个 5.5$。很多第三方电池厂商会购买原装电池芯,加入自己的保护电路然后重新销售,比如 NiteCore、OLight 等手电厂,他们提供的产品价格就昂贵了非常多,感觉绝对的暴利,比如 3400 mhA 的产品都是从 Panasonic 电池芯,市场上的售价居然到了 12.5$+。从外观上比原厂的尺寸稍长,实际一个保护电路并不值那么多钱。

充电器

说实在的充电器其实就是提供一个高于电池的电压保持较为恒定的电流,市场上多数情况都是特殊电池特殊充电器,后来出现了所谓的智能充电器,同时也将不少充电时候收集的一些信息显示给用户方便判断电池的一些性质等等。对于多数不关心电池如何工作的人来说,插上就能充电就行,而对于希望了解更多信息的人来说,这些信息往往非常有用。

接触过几个版本的充电器,比较基础的大约是 NiteCore D4,它还有两个 variant,一个是 i 系列,一个是数字 4/2,i 系列只有指示灯表示充电的进度,D 系列通过液晶屏显示的信息稍微多一些,4/2 表示最多同时充电电池的数目。这个系列的好处大概是绝大部分电池都支持,即使是不那么有名的 LiFePo4。不过如果你永远不会碰这个电池,个人觉得 Foxnovo F-4S 是个更好的选择,它不仅提供了充电的容量,还提供了放电功能,整体提供充电电流也比前者高(最大 1.5A,分到每个电池上就很小了),好像可以到 1Ax4。另外不少喜欢玩更加 low level 的可以考虑 SkyRC imax B6,这玩意 60W 可以同时搞定很多电池(balanced charging),但是一般的电池需要电池盒才能比较方便的充放电。

国产的 ML102 尚未玩过,这个可以配套一个 USB 的电压电流 meter 来判断充电情况。自己做一个充电器可以考虑国产的 TP4056。另外有一个品牌 Liitokala 提供的 lii-100 和 ML102 类似,但是功能更多,还便宜;lii-500 感觉比 Foxnovo F-4S 或者 NiteCore d4 还要高大上一些,价格也很低廉。

一些品牌

这里根据这段时间充放电的经验,列举一些电池:

  • 18650 不带保护的话,可以选择 Panasonic 3500 mAh,价格在 5$ 左右,实际测量一般可以到 3200 mAh
  • 18650 带保护的话,这几家其实使用的都是 Panasonic 的芯,所以基本上类似:NiteCore、Olight、Foxnovo,其中看单价的话 Foxnovo 似乎 12$ 算是最便宜的
  • 另外有一个 18650 带保护的 EASTSHINE 似乎使用的 LG 的 3500 mAh 的芯,价格接近,尚未完全测试过
  • 14500 尺寸有个 ThorFire 的锂电,标称 750mAh 基本很准确,可惜容量稍小
  • 14500 的 Ni-Mh 电池推荐 Eneloop 和 Amzon basic 系列(应该是 Eneloop 贴牌)

下面是黑名单:

  • 各路 UltraFire、千万不要买,不管容量标多少基本都是假货
  • Etinesan 易特胜,标 1500mAh 的铁锂电池实际只有 600 mAh 不到
  • BTY 2500 mAh 的 Ni-Mh 电池只有 300 mAh 不到
电池与充电器

目镜

之前讨论望远镜一个重要的成分是目镜。现代的望远镜物镜和目镜都可以简化成为一个凸透镜,而放大能力 magnification power 则为物镜的焦距与目镜的焦距之比。这个关系非常的重要,因为这告诉我们目镜焦距越短,放大能力就越强,对应的 exit pupil 就会越小。

我们拿下面这个 spotting scope 为例:

  • Celestron Regal M2 100mm ED 目镜焦距为 8-24mm,物镜焦距为 540mm,放大倍数在 22.5-67.5 倍之间。

很显然我们可以看到以上配置光圈大小为 F5.4。

这部分的光学原理一般与显微镜一起比较:

  • 望远镜物体处于物镜的两倍焦距以外,成缩小的实像,位于目镜的焦距以内,目镜将实像放大成为眼睛观看到的图像
  • 显微镜物体处于物镜 1-2 倍焦距之内,成放大的实像,位于目镜焦距以内,目镜将实像放大成为眼睛观看到的图像

对于望远镜来说物镜一般是固定焦距,因此对焦完成后物体所成实像的位置也是固定的,当我们改变目镜焦距的时候不变的是人眼观测的位置,这时线性放大倍数反比于焦距,这样把两部分成像导致的角度变换关系计算一下就可以获得上面的关系。参看这里的计算,注意使用的近似关系。

望远镜倍率计算

exit pupil 根据这个关系,我们可以发现

\mathrm{EP} = \displaystyle\frac{D}{\mathrm{MA}} = \frac{f_e}{F}

其中 D 为镜头直径(以上面望远镜为例,100mm),\mathrm{MA} 为放大倍率,f_e 为目镜焦距,而 F 为望远镜的光圈大小也就是物镜焦距与镜头直径之比。这个公式表明,随着目镜焦距变短 exit pupil 减少,对以上望远镜来说在最小放大情况 exit pupil 在 4.4mm还相对较大,到了最大放大情况只有 ~1.5。这在白天观察算是比较 reasonable 的,但是如果希望通过它观察星星之类的,还是很不够的。一般说来一个望远镜放大倍率的极限和镜头直径紧密相关,100mm 的情况约为 280x(参看这里)。

事实上,不少 spotting scope 和天文望远镜一样都提供了可替换的目镜,这可以为一些特殊用途提供便利。参看这里这里

  • 目镜比较重要的是尺寸,比较常见的有 0.965″,1.25″ 和 2″,多数 scoping scope 使用 1.25″
  • 目镜现在有三代产品,最早是惠更斯(一般起头字母为 H);第二代比较著名的是 Prossl 和 Abbe;第三代中最有名的是 Nagler
  • 更换目镜特别是固定焦距的目镜,主要原因是 FoV 和 eye relief 和观察对象的区别
  • 如果需要观察星空,一般 exit pupil 接近 7 比较舒适,以上望远镜可以更换 35+mm 的目镜
  • 焦段类似的目镜使用的镜片数目不同造成的 FoV 会很不一样,比如 Celestron 的 omni 系列和 X-Cel 系列,前者镜片少,apparent FoV 一般是 52 度而后者能到 60 度,这个对应到 true FoV 需要除以 MA;更广角的有 luminos 系列,能到 82 度
  • Celestron Regal M2 自带的目镜根据描述 true FoV 为 1.9-0.9 对应放大比例在 22.5-67.5 所以实际的 apparent FoV 为 42.75-60.75,看起来在较低倍率时的 FoV 较低,因此如果更换为对应 X-Cel 系列 24mm 的目镜可以改善视场,而如果 8mm 的似乎没有什么改进
  • barlow 镜头主要用来放大,它一般不会改变 eye relief,最基本的是 2x,它本质是改变物镜的焦距,放在目镜和 scope 之间
  • 一般的原则是宁肯使用 barlow + longer focal length 也不要选择较短焦段的目镜,这主要是因为 eye relief 的原因,后者太小,对于戴眼镜的同志绝对是个挑战

digiscoping

一般说来通过手机 digiscoping 是经过目镜本身的,为了稳定,我们需要一个支架能够将手机与 scope 本身固定在一起。

另一方面,高端一点的相机,比如 DSLR 或者 mirrorless camera 如何将两者 couple 在一起是一个问题,高端的 scope 比如施华洛世其的有一个专门的 adaptor,Celestron 是使用 T mount。

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And Joseph answered Pharaoh, saying, It is not in me:God shall give Pharaoh an answer of peace

目镜