Čau Habr!
V současné době není tolik komunikačních standardů, které by byly na jednu stranu kuriózní a zajímavé, na druhou stranu jejich popis nezabere 500 stran ve formátu PDF. Jedním z nich, snadno dekódovatelný, je signál VHF všesměrového rádiového majáku (VOR) používaný v letecké navigaci.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Na začátek otázka pro čtenáře - jak zformovat signál, aby pomocí všesměrové přijímací antény bylo možné určit směr? Odpověď je pod řezem.
Všeobecné informace
systém (VOR) se používá pro leteckou navigaci od 50. let minulého století a skládá se z rádiových majáků s relativně krátkým dosahem (100-200 km), pracujících ve frekvenčním rozsahu VHF 108-117 MHz. Nyní, v době gigahertzů, zní název velmi vysoká frekvence ve vztahu k takovým frekvencím legračně a sám o sobě vypovídá o stáří tohoto standardu, ale mimochodem, majáky stále fungují pracující v rozsahu středních vln 400-900 kHz.
Umístění směrové antény na letadlo je konstrukčně nepohodlné, a tak vznikl problém, jak zakódovat informaci o směru k majáku do samotného signálu. Princip fungování "na prstech" lze vysvětlit následovně. Představme si, že máme obyčejný maják, který vysílá úzký paprsek zeleného světla, jehož lampa se otočí 1x za minutu. Je zřejmé, že jednou za minutu uvidíme záblesk světla, ale jeden takový záblesk nenese mnoho informací. K majáku přidáme druhý nesměrový červená lampa bliká v okamžiku, kdy paprsek majáku "prochází" směrem k severu. Protože doba záblesku a souřadnice majáku jsou známé, výpočtem zpoždění mezi červeným a zeleným zábleskem můžete najít azimut na sever. Všechno je jednoduché. Zbývá udělat totéž, ale s pomocí rádia. To se vyřešilo změnou fází. K přenosu se používají dva signály: fáze prvního je konstantní (referenční), fáze druhého (proměnná) se mění složitě v závislosti na směru záření - každý úhel má svůj fázový posun. Každý přijímač tedy obdrží signál s „vlastním“ fázovým posunem úměrným azimutu k majáku. Technologie "prostorové modulace" se provádí pomocí speciální antény (Alford Loop, viz KDPV) a speciální, poměrně záludné modulace. Což je vlastně téma tohoto článku.
Představme si, že máme obyčejný legacy maják, který funguje od 50. let a vysílá signály v obvyklé AM modulaci v morseovce. Pravděpodobně, kdysi dávno navigátor skutečně poslouchal tyto signály ve sluchátkách a označoval směry pravítkem a kompasem na mapě. Chceme do signálu přidat nové funkce, ale způsobem, který „nenaruší“ kompatibilitu s těmi starými. Téma je známé, nic nového ... Dělo se to následovně - k signálu AM byl přidán nízkofrekvenční tón 30 Hz, který funguje jako signál referenční fáze, a vysokofrekvenční složka zakódovaná frekvenční modulací na frekvenci 9.96 kHz, přenášející signál s proměnnou fází. Výběrem dvou signálů a porovnáním fází získáme požadovaný úhel od 0 do 360 stupňů, což je požadovaný azimut. To vše přitom nijak neruší poslech majáku „obvyklým způsobem“ a zůstává kompatibilní se starými AM přijímači.
Přejděme od teorie k praxi. Spustíme SDR přijímač, zvolíme AM modulaci a šířku pásma 12 kHz. Frekvence majáku VOR lze snadno najít na webu. Na spektru vypadá signál takto:
V tomto případě je signál majáku vysílán na frekvenci 113.950 MHz. Uprostřed je vidět snadno rozpoznatelná linie amplitudové modulace a signály Morseovy abecedy (.- - ... což znamená AMS, Amsterdam, Schiphol Airport). Přibližně ve vzdálenosti 9.6 kHz od nosiče jsou viditelné dva vrcholy, které přenášejí druhý signál.
Nahrajme signál ve WAV (ne MP3 – ztrátová komprese „zabije“ celou strukturu signálu) a otevřeme v GNU Radio.
Dekódování
Krok 1. Otevřeme soubor se zaznamenaným signálem a aplikujme na něj dolní propust, abychom získali první referenční signál. Graf GNU Radio je zobrazen na obrázku.
Výsledek: nízkofrekvenční signál s frekvencí 30 Hz.
Krok 2: dekódování signálu s proměnnou fází. Jak již bylo zmíněno výše, nachází se na frekvenci 9.96 kHz, musíme ji převést na nulovou frekvenci a napájet FM demodulátor.
Graf rádia GNU:
Všechno, úkol je vyřešen. Vidíme dva signály, jejichž fázový rozdíl udává úhel mezi přijímačem a majákem VOR:
Signál je poměrně zašuměný a pro konečný výpočet fázového rozdílu může být zapotřebí dodatečné filtrování, ale princip je snad jasný. Pro ty, kteří zapomněli, jak se určuje fázový rozdíl, je obrázek z :
Naštěstí to vše nelze provést ručně: již existuje v Pythonu, který dekóduje signály VOR ze souborů WAV. Vlastně mě jeho studie inspirovala ke studiu tohoto tématu.
Ti, kteří chtějí, mohou spustit program v konzole a získat hotový úhel ve stupních z již nahraného souboru:
Fanoušci letectví si dokonce mohou vyrobit svůj vlastní přenosný přijímač pomocí RTL-SDR a Raspberry Pi. Mimochodem, na „skutečném“ letadle vypadá tento indikátor asi takto:
Obrázek ©
Závěr
Takové signály "z minulého století" jsou rozhodně zajímavé pro analýzu. Za prvé, jsou docela jednoduché, moderní DRM, nebo ještě více GSM, takže je nemožné takto „na prstech“ dekódovat. Jsou otevřené pro příjem, nemají klíče a kryptografii. Za druhé, možná se v budoucnu stanou historií a budou nahrazeny satelitní navigací a modernějšími digitálními systémy. Za třetí, studium takových norem vám umožní zjistit zajímavé technické a historické podrobnosti o tom, jak byly problémy řešeny na jiných obvodech a základně prvků minulého století. Takže majitelům přijímačů lze doporučit, aby přijímali takové signály, když ještě pracují.
Jako obvykle, hodně štěstí při experimentech.
Zdroj: www.habr.com