日期： 2026年 作者：wanjay0337
本實驗利用 Arduino Uno 微控制器在正常運作時產生的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI），透過 Timer1 硬體定時器產生精確的 4 MHz 方波訊號，並利用其第七次諧波（112 MHz）作為無線載波，搭配開關鍵控（On-Off Keying, OOK）調變方式，實現摩斯密碼（Morse Code）的近場無線傳輸。接收端使用 UV-K5 手持式無線電接收機，於 112.000 MHz AM 模式下進行接收。本實驗驗證了利用微控制器諧波輻射進行近場通訊的可行性，並成功建構一套可透過電腦串列埠（UART）輸入文字、自動轉換並發射摩斯密碼的完整系統。
數位電路在高速切換時會不可避免地產生諧波輻射。一般情況下，工程師視之為需要抑制的電磁干擾問題；然而，若能善加利用，這些諧波輻射便可成為低功率近場通訊的訊號來源。
本實驗的核心問題為：能否在不使用任何額外 RF 元件的情況下，純粹利用 Arduino Uno 的諧波輻射傳送摩斯密碼？
摩斯密碼（Morse Code）是一種以點（dot, .）與劃（dash, -）的組合來表示字母與數字的編碼系統。其時序規則如下：
| 元素 | 持續時間 |
|---|---|
| 點（Dot） | 1 單位 |
| 劃（Dash） | 3 單位 |
| 符號間隔 | 1 單位 |
| 字母間隔 | 3 單位 |
| 單字間隔 | 7 單位 |
開關鍵控（On-Off Keying, OOK）是最簡單的數位調幅（AM）調變方式：載波開啟代表「1」，載波關閉代表「0」。本實驗利用此原理，以點與劃的時序控制 112 MHz 載波的開關，使接收端的 AM 解調電路能還原出摩斯密碼的包絡節奏。
方波訊號在頻域上可分解為基頻與奇次諧波的疊加（傅立葉級數）：
f(t) = (4/π) × [sin(ωt) + (1/3)sin(3ωt) + (1/5)sin(5ωt) + ...]
Arduino Uno 使用 16 MHz 石英晶振，其諧波分佈為：
| 諧波次數 | 頻率 |
|---|---|
| 基頻（1st） | 16 MHz |
| 2次諧波 | 32 MHz |
| 4次諧波 | 64 MHz |
| 7次諧波 | 112 MHz ✓ |
| 8次諧波 | 128 MHz |
選擇 112 MHz（7次諧波） 的原因：
- UV-K5 原廠韌體的 AM 前端電路針對 108～135 MHz 航空波段優化，靈敏度最高
- 64 MHz（4次諧波）雖在理論上可用，實測前端衰減超過 20 dB，無法穩定接收
- 128 MHz（8次諧波）能量較弱，且諧波強度隨次數遞減約 1/n
Arduino Uno 的 Timer1 為 16 位元硬體定時器，支援 CTC（Clear Timer on Compare Match）模式。透過設定比較暫存器 OCR1A = 1 並啟用 COM1A0（比較匹配時翻轉 OC1A 輸出腳），即可在 Pin 9 產生精確的 4 MHz 方波：
f = F_CPU / (2 × (OCR1A + 1) × Prescaler)
= 16,000,000 / (2 × (1+1) × 1)
= 4,000,000 Hz = 4 MHz
4 MHz 方波的第七次諧波即為 28 MHz × 4 = 112 MHz（嚴格說為 4 MHz × 28 = 112 MHz）。
PCB 走線在高頻切換時充當非故意天線，將諧波能量以近場電磁輻射的形式向外發散。Pin 9 的 PCB 走線長度約 2～5 cm，在 112 MHz 下接近 λ/4（約 67 cm），配合 PCB 電源平面的耦合效應，使 112 MHz 諧波輻射效率相對較高。
[電腦] ─USB/UART─→ [Arduino Uno]
│
Timer1 (4 MHz)
Pin 9 OC1A
│
EMI 諧波輻射
112 MHz OOK
│
(近場，< 5 cm)
│
[UV-K5 接收機]
112.000 MHz AM
│
[揚聲器輸出]
摩斯密碼音
| 項目 | 規格 |
|---|---|
| 微控制器 | Arduino Uno (ATmega328P, 16 MHz) |
| 發射頻率 | 112.000 MHz（4 MHz × 7次諧波） |
| 調變方式 | OOK（On-Off Keying） |
| 輸出腳位 | Pin 9（OC1A） |
| 串列通訊 | UART 9600 bps |
| 接收機 | Quansheng UV-K5 |
| 接收模式 | AM，靜噪關閉（SQ=0） |
| 有效距離 | ≤ 5 cm（近場耦合） |
| 項目 | 設定值 |
|---|---|
| 頻率 | 112.000 MHz |
| 模式 | AM |
| 靜噪（SQ） | 0（關閉） |
| 步進 | 1 kHz |
| 天線位置 | SMA 接頭對準 Pin 9，距離 ≤ 2 cm |
程式分為以下四個主要模組：
- Timer1 初始化模組 — 設定 4 MHz CTC 方波輸出
- 串列埠輸入模組 — 接收電腦輸入的文字指令
- 指令解析模組 — 處理
SOS、SPEED n、STOP等控制指令 - 摩斯密碼轉換模組 — 將文字對應到點劃序列並控制載波開關
// CTC 模式：計數到 OCR1A 後清零並觸發比較匹配
TCCR1A = 0;
TCCR1B = 0;
OCR1A = 1; // 比較值 = 1，產生 4 MHz
TCCR1A |= _BV(COM1A0); // 比較匹配時翻轉 OC1A (Pin 9)
TCCR1B |= _BV(WGM12) | _BV(CS10); // CTC 模式 + 無預分頻（×1）| 暫存器位元 | 功能 |
|---|---|
COM1A0 |
比較匹配時翻轉 OC1A 輸出 |
WGM12 |
啟用 CTC 模式（Mode 4） |
CS10 |
時脈來源 = 系統時脈，無預分頻 |
透過動態設定 COM1A0 位元，控制方波輸出的開啟與關閉：
// 載波開啟：恢復 Timer1 翻轉輸出
inline void carrierOn() { TCCR1A |= _BV(COM1A0); }
// 載波關閉：停止翻轉並強制 Pin 9 為 LOW
inline void carrierOff() {
TCCR1A &= ~_BV(COM1A0);
digitalWrite(EMI_PIN, LOW);
}時序參數定義為可修改的全域變數（而非 #define 常數），以支援執行期動態調整：
int DOT_DURATION = 100; // 點 = 1 單位（ms）
int DASH_DURATION = 300; // 劃 = 3 單位（ms）
int SYMBOL_SPACE = 100; // 符號間隔 = 1 單位（ms）
int LETTER_SPACE = 300; // 字母間隔 = 3 單位（ms）
int WORD_SPACE = 700; // 單字間隔 = 7 單位（ms）關鍵修正： 原始版本使用
#define DOT_DURATION 100，導致SPEED指令執行DOT_DURATION = newSpeed;時出現編譯錯誤（#define為預處理期文字替換，等效於100 = newSpeed;，數字字面量不是 lvalue，無法被賦值）。改為int全域變數後問題解決。
const char* morseTable[] = {
".-","-...","-.-.","-..",".","..-.","--.",
"....","..","----",".-..","--","-.",
"---",".--.","--.-",".-.","...","--.",
"..-","...-",".--","-..-","-.--","--..",
// 數字 0-9
"-----",".----","..---","...--","....-",
".....","-....","--...","---.","----."
};| 指令 | 功能 |
|---|---|
SOS |
發送國際求救訊號 ... --- ... |
SPEED n |
設定點持續時間為 n ms（範圍：50～200） |
STOP |
中斷目前發送 |
| 任意文字 | 轉換為摩斯密碼並發射（支援 A-Z、0-9、.,?） |
本實驗經歷以下主要階段：
階段一：頻率選擇（64 MHz → 112 MHz）
最初嘗試使用 64 MHz（16 MHz 的 4 次諧波），因 UV-K5 原廠韌體 AM 接收模式最低僅支援約 50 MHz。然而實測結果只有高頻雜訊，無法辨識節奏。
分析原因：UV-K5 的 AM 前端電路針對 108～135 MHz 航空波段優化，64 MHz 接收靈敏度下降超過 10～15 dB，AGC 電路將訊號壓縮，包絡對比度消失，導致只聽到寬頻雜訊。
階段二：改用 Timer1 硬體方波（Busy-Loop → Timer1 CTC）
早期版本使用 CPU busy-loop 切換 GPIO，產生的方波頻率不穩定且寬頻噪聲過高，無法形成 AM 解調所需的窄帶載波。改用 Timer1 CTC 模式後，4 MHz 方波精確度大幅提升，諧波能量集中，OOK 包絡對比度提升約 5 倍。
階段三：編譯錯誤除錯（#define → int 全域變數）
加入 SPEED n 動態調速指令時，發現 #define 常數無法在執行期賦值，導致編譯錯誤。將所有時序參數改為 int 全域變數後，動態調速功能正常運作。
階段四：串列埠介面整合
加入 UART 串列埠輸入介面，實現從電腦端輸入文字、自動轉換摩斯密碼並即時發射的完整功能。
| 測試項目 | 結果 |
|---|---|
| 112 MHz 載波接收 | ✓ 成功，聽到清晰的脈衝節奏 |
SOS 指令發射 |
✓ 成功辨識 ... --- ... 節奏 |
SPEED 150 調速 |
✓ 節奏明顯放慢，辨識率提升 |
| 英文字串傳送 | ✓ HELLO 等單字可辨識 |
| 最大有效距離 | 約 3～5 cm（UV-K5 天線貼近 Pin 9） |
諧波強度隨次數遞減，7次諧波（112 MHz）的輻射功率約為基頻的 1/49（理論值），加上 PCB 走線的非理想天線特性，實際有效距離僅約 3～5 cm。若需增加距離，可在 Pin 9 焊接一段 5～7 cm 的單芯銅線作為寄生天線，輻射效率可提升 3～5 倍。
電腦 USB 供電線路上存在 50/60 Hz 共模雜訊，會混入 EMI 輻射並干擾 OOK 包絡的清晰度。改用行動電源供電可有效降低底噪，提升節奏對比度。
本實驗屬於 Class B 非故意輻射（Unintentional Radiator），有效輻射距離通常小於 5 cm，符合多數地區低功率實驗豁免規定。實驗過程中應避免干擾合法頻段用戶，建議於金屬屏蔽環境下操作。
本實驗成功驗證以下幾點：
-
諧波利用可行性：Arduino Uno 的 16 MHz 晶振諧波輻射可被 UV-K5 在 112 MHz 接收，無需任何額外 RF 元件。
-
Timer1 CTC 方波的有效性：相比 CPU busy-loop，硬體定時器產生的穩定方波能使諧波能量集中，顯著提升 OOK 包絡對比度。
-
完整通訊系統：從電腦 UART 輸入文字，到摩斯密碼轉換、112 MHz OOK 發射、UV-K5 接收解調，整個通訊鏈路得以完整實現。
-
軟體設計教訓：
#define常數與執行期變數的本質差異是 C/C++ 的重要觀念。預處理器文字替換與編譯期型別系統是不同層次的機制，設計需要動態修改的參數時應使用變數而非巨集。
本實驗展示了電子電路中「非預期行為的再利用」這一工程思維——EMI 通常是需要被抑制的問題，但透過對其物理原理的深入理解，反而可以成為實用的功能。
** 9. Practical Video (實作影片)
zh-ver: https://youtu.be/YQSUlGtsHOU | en-ver: https://youtu.be/x7MMNjl5Rog
實驗平台：Arduino Uno R3 + Quansheng UV-K5