Hej Habr!
Trenutno nema toliko komunikacionih standarda koji su, s jedne strane, radoznali i zanimljivi, s druge strane njihov opis ne zauzima 500 stranica u PDF formatu. Jedan od njih, koji se lako dekodira, je VHF višesmjerni radio far (VOR) signal koji se koristi u zračnoj navigaciji.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Za početak, pitanje za čitatelje - kako formirati signal tako da se uz pomoć omnidirekcione prijemne antene može odrediti smjer? Odgovor je ispod reza.
Opće informacije
sistem (VOR) se za vazdušnu navigaciju koristi od 50-ih godina prošlog veka, a sastoji se od radio farova relativno kratkog dometa (100-200 km), koji rade u VHF frekvencijskom opsegu od 108-117 MHz. Sada, u eri gigaherca, naziv vrlo visoka frekvencija u odnosu na takve frekvencije zvuči smiješno i sam po sebi govori o Dob ovog standarda, ali uzgred budi rečeno, farovi i dalje rade rade u srednjem talasnom opsegu od 400-900 kHz.
Postavljanje usmjerene antene na letjelicu je konstruktivno nezgodno, pa je nastao problem kako kodirati informaciju o smjeru prema svjetioniku u samom signalu. Princip rada "na prstima" može se objasniti na sljedeći način. Zamislimo da imamo običan far koji šalje uski snop zelene svjetlosti, čija se lampa rotira 1 put u minuti. Očigledno je da ćemo jednom u minuti vidjeti bljesak svjetla, ali jedan takav bljesak ne nosi puno informacija. Dodajmo još jedan svjetioniku neusmjeren crvena lampica koja treperi u trenutku kada snop fara "prođe" pravac prema sjeveru. Jer poznati su period bljeska i koordinate fara, izračunavanjem kašnjenja između crvenih i zelenih bljeskova, možete pronaći azimut prema sjeveru. Sve je jednostavno. Ostaje učiniti isto, ali uz pomoć radija. To je riješeno promjenom faza. Za prijenos se koriste dva signala: faza prvog je konstantna (referentna), faza drugog (varijabilna) se mijenja na složen način ovisno o smjeru zračenja - svaki kut ima svoj fazni pomak. Tako će svaki prijemnik primiti signal sa "svojim" faznim pomakom proporcionalnim azimutu prema faru. Tehnologija "prostorne modulacije" se izvodi pomoću posebne antene (Alford Loop, vidi KDPV) i posebne, prilično lukave modulacije. Što je zapravo tema ovog članka.
Zamislimo da imamo običan naslijeđeni beacon koji radi od 50-ih godina i prenosi signale u uobičajenoj AM modulaciji u Morzeovom kodu. Vjerovatno je nekada davno navigator zaista slušao ove signale u slušalicama i ljenjirom i kompasom označavao smjerove na karti. Želimo da signalu dodamo nove karakteristike, ali na način koji ne „razbija” kompatibilnost sa starim. Tema je poznata, ništa novo... Urađeno je na sljedeći način - AM signalu je dodat niskofrekventni ton od 30 Hz koji djeluje kao signal referentne faze i visokofrekventna komponenta kodirana frekvencijskom modulacijom na frekvencija od 9.96 kHz, prenoseći signal promjenljive faze. Odabirom dva signala i poređenjem faza dobijamo željeni ugao od 0 do 360 stepeni, što je željeni azimut. Istovremeno, sve to ne ometa slušanje beacona "na uobičajen način" i ostaje kompatibilno sa starim AM prijemnicima.
Pređimo s teorije na praksu. Pokrenimo SDR prijemnik, izaberemo AM modulaciju i propusni opseg od 12 kHz. VOR frekvencije farova se lako mogu pronaći na webu. Na spektru signal izgleda ovako:
U ovom slučaju, signal beacona se prenosi na frekvenciji od 113.950 MHz. Lako prepoznatljiva linija amplitudske modulacije i signali Morzeovog koda (.- - ... što znači AMS, Amsterdam, aerodrom Schiphol) su vidljivi u centru. Otprilike na udaljenosti od 9.6 kHz od nosioca, vidljiva su dva vrha koji emituju drugi signal.
Snimimo signal u WAV (ne MP3 - kompresija sa gubicima će "ubiti" cijelu strukturu signala) i otvorimo ga u GNU Radiju.
Dekodiranje
korak 1. Otvorimo fajl sa snimljenim signalom i primenimo niskopropusni filter na njega da dobijemo prvi referentni signal. GNU Radio graf je prikazan na slici.
Rezultat: signal niske frekvencije sa frekvencijom od 30 Hz.
korak 2: dekodiranje signala varijabilne faze. Kao što je gore spomenuto, nalazi se na frekvenciji od 9.96 kHz, moramo ga prebaciti na nultu frekvenciju i ubaciti u FM demodulator.
GNU radiogram:
Sve, zadatak je riješen. Vidimo dva signala, čija fazna razlika ukazuje na ugao od prijemnika do VOR fara:
Signal je prilično šuman i možda će biti potrebno dodatno filtriranje za konačni proračun fazne razlike, ali princip je, nadamo se, jasan. Za one koji su zaboravili kako se određuje fazna razlika, slika je iz :
Na sreću, sve ovo nije moguće uraditi ručno: već postoji u Pythonu koji dekodira VOR signale iz WAV datoteka. Zapravo, njegova studija me inspirisala da proučavam ovu temu.
Oni koji žele mogu pokrenuti program u konzoli i dobiti gotov ugao u stepenima iz već snimljene datoteke:
Ljubitelji avijacije mogu čak napraviti svoj vlastiti prijenosni prijemnik koristeći RTL-SDR i Raspberry Pi. Usput, na "pravom" avionu ovaj indikator izgleda otprilike ovako:
Slika ©
zaključak
Ovakvi signali "iz prošlog veka" su svakako zanimljivi za analizu. Prvo, prilično su jednostavni, moderni DRM, ili još više GSM, pa je nemoguće tako dekodirati "na prste". Otvoreni su za prijem, nemaju ključeve i kriptografiju. Drugo, možda će u budućnosti oni postati historija i biti zamijenjeni satelitskom navigacijom i modernijim digitalnim sistemima. Treće, proučavanje ovakvih standarda omogućava vam da saznate zanimljive tehničke i istorijske detalje o tome kako su se problemi rješavali na drugim sklopovima i bazi elemenata prošlog stoljeća. Stoga se vlasnicima prijemnika može savjetovati da primaju takve signale dok još rade.
Kao i obično, sretno sa eksperimentima.
izvor: www.habr.com