Hola Habr!
Actualment, no hi ha tants estàndards de comunicació que, d'una banda, siguin curiosos i interessants, d'altra banda, la seva descripció no ocupa 500 pàgines en format PDF. Un d'aquests, fàcil de descodificar, és el senyal VHF Omni-direccional Radio Beacon (VOR) utilitzat en la navegació aèria.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Per començar, una pregunta per als lectors: com formar un senyal perquè amb l'ajuda d'una antena de recepció omnidireccional sigui possible determinar la direcció? La resposta està sota el tall.
Informació general
Sistema (VOR) s'ha utilitzat per a la navegació aèria des dels anys 50 del segle passat, i consta de radiobalises d'abast relativament curt (100-200 km), que operen en el rang de freqüències VHF de 108-117 MHz. Ara, a l'era dels gigahertz, el nom de freqüència molt alta en relació a aquestes freqüències sona divertit i en si mateix parla de edat d'aquest estàndard, però per cert, les balises encara funcionen operant en el rang d'ones mitjanes de 400-900 kHz.
Col·locar una antena direccional en un avió és estructuralment incòmode, de manera que va sorgir el problema de com codificar la informació sobre la direcció de la balisa en el propi senyal. El principi de funcionament "als dits" es pot explicar de la següent manera. Imaginem que tenim una balisa normal que emet un feix estret de llum verda, la làmpada del qual gira 1 cop per minut. Òbviament, un cop per minut veurem un flaix de llum, però un d'aquests flaix no porta molta informació. Afegim un segon al far no direccional un llum vermell que parpelleja en el moment en què el raig de balises "passa" la direcció nord. Perquè es coneix el període de flaixos i les coordenades de la balisa, calculant el retard entre els flaixos vermells i verds, es pot esbrinar l'azimut cap al nord. Tot és senzill. Queda per fer el mateix, però amb l'ajuda de la ràdio. Això es va solucionar canviant les fases. S'utilitzen dos senyals per a la transmissió: la fase del primer és constant (referència), la fase del segon (variable) canvia de manera complexa en funció de la direcció de la radiació: cada angle té el seu propi canvi de fase. Així, cada receptor rebrà un senyal amb "el seu" canvi de fase proporcional a l'azimut de la balisa. La tecnologia de "modulació espacial" es porta a terme mitjançant una antena especial (Alford Loop, vegeu KDPV) i una modulació especial, força complicada. Quin és en realitat el tema d'aquest article.
Imaginem que tenim una balisa heretada ordinària que funciona des dels anys 50 i transmet senyals amb la modulació AM habitual en codi Morse. Probablement, hi havia una vegada, el navegador realment escoltava aquests senyals als auriculars i marcava les indicacions amb un regle i una brúixola al mapa. Volem afegir noves funcions al senyal, però d'una manera que no "trenca" la compatibilitat amb les antigues. El tema és familiar, res de nou... Es va fer de la següent manera: es va afegir un to de baixa freqüència de 30 Hz al senyal AM, que actua com a senyal de fase de referència, i un component d'alta freqüència codificat per modulació de freqüència a una freqüència de 9.96 kHz, transmetent un senyal de fase variable. En seleccionar dos senyals i comparar les fases, obtenim l'angle desitjat de 0 a 360 graus, que és l'azimut desitjat. Al mateix temps, tot això no interfereix amb l'escolta de la balisa "de la manera habitual" i segueix sent compatible amb els antics receptors AM.
Passem de la teoria a la pràctica. Iniciem el receptor SDR, seleccionem la modulació AM i l'amplada de banda de 12 kHz. Les freqüències de balises VOR es poden trobar fàcilment al web. A l'espectre, el senyal té aquest aspecte:
En aquest cas, el senyal de balisa es transmet a una freqüència de 113.950 MHz. La línia de modulació d'amplitud fàcilment reconeixible i els senyals de codi Morse (.- - ... que significa AMS, Amsterdam, Aeroport de Schiphol) són visibles al centre. A una distància de 9.6 kHz de la portadora, es veuen dos pics que transmeten el segon senyal.
Enregistrem el senyal en WAV (no en MP3: la compressió amb pèrdues "matarà" tota l'estructura del senyal) i obrim-lo a GNU Radio.
Descodificació
Pas 1. Obrim el fitxer amb el senyal gravat i apliquem-hi un filtre de pas baix per obtenir el primer senyal de referència. El gràfic de GNU Radio es mostra a la figura.
Resultat: un senyal de baixa freqüència amb una freqüència de 30 Hz.
Pas 2: descodifica el senyal de fase variable. Com s'ha esmentat anteriorment, es troba a una freqüència de 9.96 kHz, hem de transferir-lo a freqüència zero i alimentar-lo al demodulador FM.
Gràfic de ràdio GNU:
Tot, la tasca està resolta. Veiem dos senyals la diferència de fase dels quals indica l'angle entre el receptor i el VOR:
El senyal és força sorollós i pot ser necessari un filtratge addicional per al càlcul final de la diferència de fase, però el principi és clar. Per a aquells que han oblidat com es determina la diferència de fase, la imatge és de :
Afortunadament, tot això no es pot fer manualment: ja n'hi ha en Python que descodifica senyals VOR dels fitxers WAV. De fet, el seu estudi em va inspirar a estudiar aquest tema.
Aquells que ho desitgin poden executar el programa a la consola i obtenir l'angle acabat en graus del fitxer ja gravat:
Els aficionats a l'aviació fins i tot poden fer el seu propi receptor portàtil mitjançant un RTL-SDR i un Raspberry Pi. Per cert, en un avió "real", aquest indicador sembla una cosa així:
Imatge ©
Conclusió
Aquests senyals "del segle passat" són definitivament interessants per a l'anàlisi. En primer lloc, són DRM força simples, moderns, o encara més GSM, per la qual cosa és impossible descodificar "al dia" així. Estan oberts per a recepció, no disposen de claus ni criptografia. En segon lloc, potser en el futur passaran a ser història i seran substituïts per la navegació per satèl·lit i sistemes digitals més moderns. En tercer lloc, l'estudi d'aquests estàndards us permet conèixer detalls tècnics i històrics interessants de com es van resoldre els problemes en altres circuits i elements base del segle passat. Així, es pot aconsellar als propietaris dels receptors que rebin aquests senyals mentre encara funcionin.
Com de costum, molta sort amb els vostres experiments.
Font: www.habr.com