Radioamatööriliikenne digitalisoituu
Bittejä eetterissä
Radioamatöörien ajatellaan usein olleen nykyisten hakkerien esi-isiä. Harrastus on kuitenkin edelleen voimissaan, ja sillä on myös yhtymäkohtia bitinnypläykseen.
Teksti: Antti ”OH2JJR” Ylikoski, Janne ”OH2KFU” Sirén
Kuvat: Mikael Heikkanen, Jarno Niklas Alanko, JT65-HF-HB9HQX-Edition, Mw0rkb / Wikimedia Commons
Radiolähetysharrastus on kulkenut käsi kädessä radion syntyhistorian ja leviämisen kanssa. Ensimmäiset harrastelijat tekivät säännöllisiä radiolähetyksiä jo 1800-luvulla – virallisesti radioamatööritoiminta alkoi seuraavan vuosisadan alussa. Amatööriradio oli oman aikansa sosiaalinen media: kuka tahansa pystyi lähettämään eetteriin mitä tahansa. Kun Titanic upposi vuonna 1912, amatööriradisteja syyteltiin valeuutisten levittämisestä pelastustoimiin liittyen.
Ajan mittaan radioamatööritoiminnasta kasvoi salonkikelpoinen harrastus, joka noudattaa säntillistä protokollaansa. Sitä mukaa kun radiotaajuuksien käyttö muuttui luvanvaraiseksi, radioamatöörit olivat vakiinnuttaneet asemansa, joka tunnustettiin suuressa osassa maailmaa. Vaikka radioamatööritoiminta on nykyisin luvanvaraista, luvan saaminen ei vaadi juuri muuta kuin maallikolta sujuvan annoksen opiskelua. Suuria rahallisia investointeja ei välttämättä tarvita.
Rahaakin toki saa kulumaan. Olennainen osa radioamatööriharrastusta on radioyhteyksien pitämisen lisäksi radiolaitteistojen (esimerkiksi antennien) rakentaminen. Radioamatöörit ovat siitä erikoisia harrastelijakansalaisia, että heillä on paitsi lupa lähettää radiolähetyksiä säädetyillä taajuuksilla, myös rakentaa itse niitä laitteita, jotka lähettämisen tekevät.
Yhä useammin amatööriradiolähetys koostuu biteistä.
Välineurheilun kantapeikko
Radioamatöörejä kutsutaan yleisesti ham-nimityksellä, hamsseiksi. Nimitys sai alkunsa ajalta, jolloin radioliikenne oli pääasiassa sähkötysliikennettä – sitä piipitystä tai naksutusta – ja ammattiradistit haukkuivat harrastelijoiden sähkötyskäsialaa (ham-fisted = kömpelö). Rakkaasta haukkumanimestä huolimatta radioamatööriys on erittäin tekninen harrastus, jossa monet ovat hyvin taitavia.
Yksi esimerkki tästä on mainittu sähkötys. Sähkötystaito ei ole enää vuosiin ollut vaatimuksena radioamatööriluvalle – suuri osa amatööriradioliikenteestä on puhetta – eikä sosiaalistakaan tarvetta ymmärrettävästi enää ole. Kyseessä on silti edelleen sekä fyysinen taidonnäyte että mahdollisuus saavuttaa itse rakentamillaan harrastelija-antenneilla suurempia viestintäetäisyyksiä.
Itse asiassa sitä mukaa kun amatööriradion sosiaalinen tarve on muiden viestikanavien kasvun myötä vähentynyt, radioamatööritoiminnasta on tullut erilaisten teknisten saavutusten temmellyskenttää. Radioamatööri pääsee soveltamaan elektroniikkaa ja tietotekniikkaa, lähetin- ja antennitekniikkaa, sähkötekniikkaa (tietyin rajoituksin) – jopa satelliittitekniikkaa ja avaruusfysiikkaa.
Nykyaikainen amatööriradio
Radioamatööriharrastuksen keskiössä on edelleen radiolähetinvastaanotin, ham radio tai transceiver. Itse rakennettuna, kaupasta ostettuna tai vaikka tietokoneelle asennettuna. Muutamat uusimmat amatöörilähetinvastaanottimet ovat nimittäin ohjelmistoradioita (SDR eli software defined radio). Tällainen on esimerkiksi amatööripiireissä hyvin tunnettu FlexRadio. SDR:ssä tietokoneohjelma suorittaa melkein kaikki perinteisen radion tehtävät.
Jos samassa laitteessa on sekä lähetin (transmitter) että vastaanotin (receiver), sitä kutsutaan termillä lähetinvastaanotin eli transceiver. Joskus käytetään lyhennettä xceiver tai XCVR. Nykyaikaiset amatöörilähetinvastaanotinlaitteet ovat yleensä täysin mikroprosessoriohjattuja, ja niissä sovelletaan tietokone- ja digitaalitekniikkaa monin eri tavoin, esimerkiksi radiosignaalien tuottamiseen tai ilmaisuun eli ääni-informaation tuottamiseen radiosignaalista.
Perinteinen radiolähete on pitkään ollut analoginen – analogisia lähetelajeja on käytetty jo vuosisadan verran. Tyypillisin on Single Sideband- eli SSB-lähete, joka on hieman muunnettu amplitudimodulaatio. Amerikassa ja Japanissa radioasemien usein käyttämää keskiaaltoaluetta kutsutaan nimellä AM, joka merkitsee juuri amplitudimodulaatiota. Amplitudimodulaaatiossa radiosignaalin kantama ääni-informaatio ”laitetaan mukaan” eli moduloidaan radiosignaalin amplitudiin eli signaalin voimakkuuteen.
Vastaavasti taajuusmodulaatiossa, meille tutummassa FM-radiossa, radiosignaalin kantama ääni-informaatio moduloidaan mukaan radiosignaalin taajuuteen. SSB-lähete, jota amatöörit yleensä käyttävät analogisena lähetelajina, on muunnettu AM-lähete. Amatööriharrastukseen kuuluva kilvoittelu näkyy tässäkin – SSB:n sotienjälkeinen menestys omaa kiitoksensa amatöörikokeiluille. Muunnoksella nimittäin saadaan aikaan 6 dB parempi signaali-kohinasuhde (S/N-suhde eli signal to noise ratio).
Alussa oli taajuus
Matka radioliikenteen digitalisoitumiseen alkaa kaukaa. Moni elektroniikkaharrastaja oletettavasti tuntee LC- eli värähtelypiirin, joka koostuu kelasta ja kondensaattorista. Sillä voidaan yksinkertaisessa radiovastaanottimessa erottaa tietty taajuus monesta eri taajuudesta, joita vastaanotin poimii. Lähes kaikki nykyiset radiot ovatkin niin sanottuja supervastaanottimia (superheterodyne), jotka ohjaavat kuunneltavan aseman niin sanotulle välitaajuudelle.
Supervastaanottimen periaate keksittiin jo 1900-luvun alkupuolella. Siinä antennista tulevat eri taajuudet sekoitetaan vastaanottimessa tuotetun paikallisen oskillaattoritaajuuden kanssa ja saadaan välitaajuus. Välitaajuus suodatetaan ja vahvistetaan, minkä jälkeen siitä tuotetaan alkuperäisen radiosignaalin kantama ääni-informaatio. Välitaajuus on vakio, keskiaalto- ja lyhytaaltovastaanottimissa usein 455 kilohertsiä.
Näin välitaajuuden vahvistimesta on helppo tehdä valikoiva, eli tarkoin halutun aseman erottava, ja vahvistukseltaan suuri. Tämä ei olisi yhtä helppoa muuttuville taajuuksille. Supervastaanotin taas edellyttää muuttuvataajuuksista paikallisoskillaattoria. Juuri tämän paikallisoskillaattorin signaali oli ensimmäisiä digitalisoinnin kohteita.
Siirtymä digitaaliseen
Radiolähetysten digitalisointi ei siis alkanut sisällöstä, vaan ensin tuli lähetystaajuuden muodostus – tai, jos tarkkoja ollaan, taajuuden seuraaminen. Ensimmäisissä digitaalinäyttöisissä radioissa taajuus nimittäin muodostettiin edelleen analogisesti, ja diginäyttö perustui oskillaattoria kyttäävään taajuuslaskimeen. Nykyisin myös itse lähetystaajuus tuotetaan usein digitaalisesti.
On olemassa kaksi tapaa tuottaa tarkoin määrätty taajuus digitaalisesti. Ensimmäinen on DDS (direct digital synthesis) eli suomeksi suora digitaalisynteesi: siniaallon arvot katsotaan RAM-muistista, ja arvoista kootaan digitaalinen siniaalto, joka voidaan muuttaa analogiseksi aalloksi käyttämällä sopivaa alipäästösuodinta. Toinen yleinen tapa on PLL (phase locked loop), suomeksi vaihelukittu silmukka. Tässä on elektroniikasta koottu oskillaattori, jossa on digitaalipiireillä toteutettu takaisinkytkentä. Takaisinkytkennällä saadaan luotua vakaa signaali tarkoin määritellyllä taajuudella.
Seuraava vaihe on muuttaa analoginen signaali digitaaliseksi virraksi (stream) ja päinvastoin. Tämä tapahtuu ottamalla virrasta tasavälein näytteitä ja muuntamalla saadut jännitteen tai virran arvot binääriluvuiksi. Tätä kutsutaan analogi-digitaali- eli A/D-muunnokseksi. Näytteenoton taajuus riippuu signaalin taajuudesta. Jos halutaan digitalisoida signaali, jonka taajuus on f hertsiä, näytteenoton taajuuden pitää olla vähintään kaksinkertainen: 2f. Tätä kutsutaan Nyqvistin teoreemaksi.
Digitaalinen numerovirta muunnetaan analogiseksi signaaliksi muuntamalla binääriluvut vastaaviksi jännitteiksi tai virroiksi. Sen jälkeen syntynyt aaltomuoto pitää vielä alipäästösuodattaa. Tätä toimenpidettä kutsutaan luonnollisesti digitaali-analogi- eli D/A-muunnokseksi. Sovellettaessa tietokonetekniikkaa radioon nämä kaksi muunnosta ovat keskeisessä asemassa.
Digitaalinen liikenne
Kaikkea edellä mainittua voidaan soveltaa ja sovelletaan myös analogiseen eli puheliikenteeseen. Radioamatöörit lähettävät kuitenkin puhtaasti digitaalistakin sisältöä. Nykyaikainen amatööriharrastus on hyvin suuressa määrin tietokoneistunut, ja digitaaliset lähetelajit ovat yhä suositumpia. Digitaalisia lähetelajeja eli ”digimodeja” on kymmeniä, ja uusia kehitetään koko ajan. Digimodeyhteyksissä näppäimistöllä kirjoitettu teksti välittyy vasta-asemalle radion välityksellä. Suosittuja digimodeohjelmia löydät artikkelin lopun linkeistä.
Eräs vanhimmista ja edelleen käytetty digitaalinen lähetelaji on radioteletype (RTTY eli ”rytty”), jossa vielä tänäänkin käytetään vanhoista teletype-laitteista peräisin olevaa viisibittistä teletypekoodia. Toinen on PSK31. Lyhenne tulee sanoista phase shift keying – digitaalisignaali on moduloitu radioaallon vaiheeseen. Numero 31 tulee digitaalisen lähetemoodin sangen verkkaisesta tiedonsiirtonopeudesta (bittiä sekunnissa). Tällä hetkellä Nobel-palkitun Joe Taylorin kehittämät digimodet, kuten JT65 ja FT8, ovat kuuminta hottia. JT65:llä signaalia voidaan kaivaa jopa kohinatason alapuolelta, ihmiskorvan kuulumattomista. FT8 lupaa vielä nopeampia yhteyksiä.
Amatööriradion välityksellä lähetetään jopa televisiokuvaa, hitaasti. Kapeakaistatelevision eli slow scan television -lähetysten (SSTV) historia juontaa juurensa analogiselle 50-luvulle. Skrollin lukijoita kiinnostanee erityisesti, että eräs suosittu SSTV-tekniikka on AVT (Amiga Video Transceiver), joka sai alkunsa Amigaan kytketystä radiomodeemista 90-luvulla. AVT-lähetykset sisältävät erillisen digitaalisen pulssin ja lomitetun kuvasignaalin, joka mahdollistaa kuvan rekonstruoinnin, vaikka puolet katoaisi matkalla. Nykyisin myös täysdigitaalinen digital SSTV on yleistymässä.
Radioamatööreillä on myös satelliitteja, joiden rakennustyöhön on osallistunut suomalaisiakin. Vaikka radioaaltojen heijastaminen ionosfääristä (tai jopa kuusta) on amatööreille vanha kikka, satelliittien kautta yhteyksiä voidaan pitää vieläkin kauemmaksi.
Ei pelkkä tekniikkalaji
Radioamatööriharrastus on tekninen suorituslaji, josta voi saada onnistumisia ja elämyksiä, vaikka käytännön hyödyt rajoittuvatkin nykypäivänä äärimmäisiin katastrofeihin. Teknisen näpertelyn lisäksi harrastus on kuitenkin myös sosiaalinen seura – osalle radio onkin vain syy kokoontua yhteen. Radioamatöörikerhoja on lukuisia, ja niissä toimiminen voi olla harrastuksen parhaita puolia.
Harrastus ei myöskään juuri katso ikää. Suomen Radioamatöörilitolla on nuorisoon kohdistuvia jäsenhankintaprojekteja, ja yhä useammat tekniikan harrastajat ovat kiinnostuneet radioamatööriharrastuksesta. Radioamatöörin pätevyyden hankkiminen on helppoa. Nuorille riittää viikon mittainen leirikoulu, jossa opiskellaan radioamatöörimääräyksiä ja radioamatööritekniikkaa.
Kuten sosiaalisessa mediassa kuuluu, myös radioamatöörit laskevat kavereitaan. Osalle radioamatööreistä ”workkiminen” eli yhteydet muihin radioamatööreihin, mahdollisimman moniin ja etenkin kaukaisiin sellaisiin, on omanlaistaan kilpaurheilua. Yhteyksistä lähetellään todistuksena niin sanottuja QSL-kortteja, nykyisin myös digitaalisia, joita lasketaan ”palkintoja” myönnettäessä. Kaikkein harvinaisin ja vaikeimmin workittava maa lienee Pohjois-Korea, jossa radioamatööritoiminta on kiellettyä.
Kännykän esi-isä
USA:n radioamatööriliiton ARRL:n Radioamatöörin käsikirjaa (The ARRL Handbook) on julkaistu 1920-luvulta lähtien. Kirjaa toimitetaan edelleen tänä päivänä, ja se on vakiinnuttanut asemansa arvostettuna perusteoksena radioelektroniikasta ja antennitekniikasta. Nykyisin kirja käsittelee perustekniikan lisäksi myös digitaalisia lähetysmuotoja.
Vuonna 1926 ARRL Handbookissa mainostettiin USA:n armeijan ylijäämätavarana kipinälähettimiä, joiden kantomatkaksi luvattiin noin 45 kilometriä. Nykyisin hyvin monilla amatööreillä on matkapuhelimen näköisiä niin sanottuja käsikoneita eli kädessä pidettäviä pieniä lähetin-vastaanottimia. Ne toimivat 2 metrin ja 70 senttimetrin radioamatööritaajuusalueilla ja niiden kantama on suurin piirtein sama, noin 40 kilometriä.
Jos yhtälöön lisättäisiin tukiasemasolut ja yhteys puhelinverkkoon, paikallinen käsiradio muuttuisi matkapuhelimeksi. Ideaa on säännöllisesti herätelty radioamatööripiireissä, etenkin joidenkin gsm-patenttien vanhennuttua. Salaus ei ole sallittua harrasteliikenteessä, ja on kyseenalaista, saisivatko amatöörit asemistaan tukiasemaverkostoa, mutta teknisiä esteitä ei sinänsä pitäisi olla.
Luettavaa ja kokeiltavaa
- Suomen Radioamatööriliitto ja Radioamatööri-lehti: www.sral.info ja www.sral.fi
- USA:n radioamatööriliitto ARRL: www.arrl.org, julkaisee ARRL Handbookia, jossa on suuri määrä amatööriharrasteeseen liittyvää tietoa.
- Heikki E. Heinonen: Tiimissä hamssiksi Radioamatööritekniikan perusteita, 1 ja 2, Suomen radioamatööriliitto ry, ISBN 951-97738-0-6 ja 951-97783-4-9
- Hilbert transform: Hilbert-muunnos äänitaajuisen informaation talteen ottamiseen radiosignaalista. Tuottaa radiosignaalista kaksi uutta signaalia: I (In Phase) ja Q (Quadrature). I- ja Q- signaaleista saadaan tuotettua radiosignaalin kantama ääni-informaatio. en.wikipedia.org/wiki/Hilbert_transform
- Salattuja purskeita: Skrolli 2013.2. Artikkelin RTL-SDR-vastaanottimessa käytetty mikropiiri on alun perin tarkoitettu digitaalitelevision vastaanottoon. Mikropiirin I- ja Q- signaaleihin pääsee käsiksi, ja siksi piiriä voi käyttää yleiskäyttöisenä radiovastaanottimena. skrolli.fi/numerot
- FlexRadio, ohjelmistoradio: www.flexradio.com
- Digimode-ohjelmia: oh3ne.ham.fi/wiki/index.php/Digimode_ohjelmia
- SSTV-ohjelmia: www.amateur-radio-wiki.net/index.php?title=SSTV_software
Teksti: Antti ”OH2JJR” Ylikoski, Janne ”OH2KFU” Sirén
Kuvat: Mikael Heikkanen, Jarno Niklas Alanko, JT65-HF-HB9HQX-Edition, Mw0rkb / Wikimedia Commons
