Прывітанне, Хабр!
У наш час існуе не так ужо шмат стандартаў сувязі, якія з аднаго боку, цікаўныя і цікавыя, з іншага боку, іх апісанне не займае 500 старонак у фармаце PDF. Адным з такіх, нескладаных для дэкадавання, з'яўляецца сігнал VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR), які выкарыстоўваецца ў аэранавігацыі.
VOR Beacon (з) wikimedia.org
Для пачатку пытанне чытачам - як сфарміраваць сігнал так, каб з дапамогай ненакіраванай прыёмнай антэны можна было вызначаць кірунак? Адказ пад катом.
Агульная інфармацыя
Сістэма (VOR) выкарыстоўваецца для аэранавігацыі яшчэ з 50х гадоў мінулага стагоддзя, і складаецца з радыёмаякоў адносна невялікай далёкасці (100-200 км), якія працуюць у дыяпазоне частот УКХ 108-117 Мгц. Цяпер, у эпоху гігагерц, назоў very high frequency у дачыненні да такіх частот гучыць пацешна і ўжо само па сабе кажа пра ўзросце гэтага стандарту, але дарэчы, яшчэ працуюць маякі , якія працуюць у дыяпазоне сярэдніх хваляў 400-900 Кгц.
Размяшчэнне накіраванай антэны на самалёце канструктыўна няёмка, таму паўстала задача, як закадаваць у самім сігнале інфармацыю аб кірунку на маяк. Прынцып працы "на пальцах" можна растлумачыць наступным чынам. Уявім, што ў нас ёсць звычайны маяк, які пасылае вузкі прамень зялёнага святла, лямпа якога круціцца 1 раз у хвіліну. Відавочна, што раз у хвіліну мы будзем бачыць выбліск святла, але адна такая выбліск шмат інфармацыі не нясе. Дадамо да маяка другую ненакіраваную лямпу колеру чырвонага колеру, якая ўспыхвае ў момант, калі прамень маяка "праходзіць" кірунак на поўнач. Т.к. перыяд выбліскаў і каардынаты маяка вядомыя, палічыўшы затрымку паміж чырвонай і зялёнай выбліскамі, можна пазнаць азімут на поўнач. Усё проста. Засталося зрабіць тое ж самае, але з дапамогай радыё. Вырашана гэта было з дапамогай змены фаз. Для перадачы выкарыстоўваецца два сігналу: фаза першага з'яўляецца сталай (reference), фаза другога (variable) змяняецца складанай выявай у залежнасці ад кірунку выпраменьвання – кожнаму куту адпавядае свой зрух фазы. Такім чынам, кожны прымач будзе атрымліваць сігнал са «сваім» зрухам фаз, прапарцыйным азімуце на маяк. Тэхналогія «прасторавай мадуляцыі» ажыццяўляецца з дапамогай спецыяльнай антэны (Alford Loop, гл КДПВ) і асаблівай, даволі хітрай мадуляцыі. Якая, уласна, і з'яўляецца тэмай гэтага артыкула.
Уявім, што ў нас ёсць звычайны legacy-маяк, які працуе з 50х гадоў, і які перадае сігналы ў звычайнай АМ-мадуляцыі азбукай Морзэ. Верагодна, калісьці даўно, штурман сапраўды слухаў гэтыя сігналы ў навушніках і адзначаў кірункі лінейкай і цыркулем на карце. Мы жадаем дадаць да сігналу новыя функцыі, але так, каб "не разбурыць" сумяшчальнасць са старымі. Тэма знаёмая, нішто не нова… Было зроблена наступным чынам – да АМ сігналу дадалі нізкачашчынны 30 Гц тон, які выконвае функцыю reference-phase сігналу, і высокачашчынную кампаненту, закадаваную частотнай мадуляцыяй на частаце 9.96 Кгц, якая перадае variable phase сігнал. Вылучыўшы два сігналу і параўнаўшы фазы, мы атрымліваем шуканы кут ад 0 да 360 градусаў, які і з'яўляецца патрэбным азімутам. Пры гэтым, усё гэта не перашкодзіць слухаць маяк "звычайнай выявай" і застаецца сумяшчальным са старымі АМ-прымачамі.
Пяройдзем ад тэорыі да практыкі. Запусцім SDR-прымач, абярэм мадуляцыю АМ і шырыню паласы 12 Кгц. Частоты маякоў VOR можна лёгка знайсці ў сетцы. На спектры сігнал выглядае наступным чынам:
У дадзеным выпадку сігнал маяка перадаецца на частаце 113.950 Мгц. У цэнтры бачная лёгка вядомая лінія амплітуднай мадуляцыі і сігналы азбукай морзэ (.- - … што значыць AMS, Амстэрдам, аэрапорт Schiphol). Вакол на адлегласці 9.6/XNUMX Кгц ад апорнай бачныя два піка, якія перадаюць другі сігнал.
Запішам сігнал у WAV (не MP3 – сціск са стратамі «заб'е» усю структуру сігналу) і адкрыем яго ў GNU Radio.
Дэкадаванне
Крок 1. Адкрыем файл з запісаным сігналам, і прымянім да яго фільтр нізкіх частот, каб атрымаць першы reference-сігнал. Граф GNU Radio паказаны на малюнку.
Вынік: нізкачашчынны сігнал з частатой 30 Гц.
Крок 2: дэкадуем variable phase сігнал. Як гаварылася вышэй, ён размешчаны на частаце 9.96 Кгц, нам трэба перанесці яго на нулявую частату і падаць на FM-дэмадулятар.
Граф GNU Radio:
Усё, задача вырашана. Мы бачым два сігналы, рознасць фаз якіх паказвае на кут ад прымача да VOR-маяка:
Сігнал досыць зашумлены, і для канчатковага вылічэнні рознасці фаз можа запатрабавацца дадатковае фільтраванне, але прынцып спадзяюся, ясны. Для тых, хто забыўся як вызначаецца рознасць фаз, карцінка з :
На шчасце, усё гэта ўручную можна не рабіць: існуе ўжо на Python, які дэкадуе сігналы VOR з WAV-файлаў. Уласна, яго вывучэнне і натхніла мяне на вывучэнне гэтай тэмы.
Жадаючыя могуць запусціць праграму ў кансолі і атрымаць гатовы кут у градусах з ужо запісанага файла:
Фанаты авіяцыі могуць нават зрабіць сабе партатыўны прымач з RTL-SDR і Raspberry Pi. Дарэчы, на "сапраўдным" самалёце дадзены індыкатар выглядае прыкладна так:
Image ©
Заключэнне
Падобныя сігналы "з мінулага стагоддзя" вызначана цікавыя для аналізу. Па-першае, яны досыць простыя, сучасны DRM ці тым больш GSM, вось так "на пальцах" дэкадаваць ужо не атрымаецца. Яны адкрыты для прыёму, у іх няма ключоў і крыптаграфіі. Па-другое, магчыма, у будучыні яны адыдуць у гісторыю і будуць заменены спадарожнікавай навігацыяй і больш сучаснымі лічбавымі сістэмамі. Па-трэцяе, вывучэнне такіх стандартаў дазваляе даведацца пра цікавыя тэхнічныя і гістарычныя падрабязнасці таго, як задачы вырашаліся на іншай схематэхніцы і элементнай базе мінулага стагоддзя. Так што ўладальнікам прымачоў можна параіць прыняць такія сігналы, пакуль яны яшчэ працуюць.
Як звычайна, усім удалых эксперыментаў.
Крыніца: habr.com