Hallo, Habra!
Aktuell gibt es nicht so viele Kommunikationsstandards, die einerseits interessant und neugierig machen und andererseits nicht 500 Seiten im PDF-Format in Anspruch nehmen. Einer der solchen, einfach zu dekodierenden, ist das VHF Omni-Directional Radio Beacon (VOR), das in der Luftfahrtnavigation verwendet wird.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Zunächst eine Frage an die Leser – wie kann man das Signal so gestalten, dass man mit einer nicht gerichteten Empfangsantenne die Richtung bestimmen kann? Die Antwort folgt unter dem Link.
Allgemeine Informationen
Das System (VOR) wird seit den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts in der Luftfahrtnavigation eingesetzt und besteht aus relativ kurzfristigen Rundfunkfeuern (100-200 km), die im Frequenzbereich von VHF 108-117 MHz arbeiten. Heutzutage, im Gigahertz-Zeitalter, klingt die Bezeichnung sehr hohe Frequenz in Bezug auf solche Frequenzen amüsant und sagt bereits viel über das Alter dieses Standards aus, aber übrigens funktionieren noch die , die im Bereich der Mittelwellen 400-900 kHz arbeiten.
Die Platzierung einer gerichteten Antenne am Flugzeug ist konstruktiv unpraktisch, also stellte sich die Frage, wie man die Richtung zum Empfangsfeuer im Signal codieren kann. Das Prinzip der Bedienung kann man folgendermaßen erklären: Stellen wir uns vor, wir haben ein normales Feuer, das einen schmalen Strahl grünes Licht aussendet, dessen Lampe sich einmal pro Minute dreht. Offensichtlich werden wir einmal in der Minute einen Lichtblitz sehen, aber ein solcher Blitz enthält nicht viele Informationen. Fügen wir dem Feuer eine zweite hinzu, nicht gerichtete Eine rote Lampe, die aufleuchtet, wenn der Strahl des Leuchtturms die Richtung nach Norden "überquert". Da die Intervallzeiten der Blitze und die Koordinaten des Leuchtturms bekannt sind, kann durch das Berechnen der Verzögerung zwischen dem roten und dem grünen Blitz der Azimut nach Norden ermittelt werden. Alles ist einfach. Jetzt bleibt nur noch, dasselbe mit Hilfe von Funk zu tun. Dies wurde durch Phasenänderungen gelöst. Für die Übertragung werden zwei Signale verwendet: die Phase des ersten ist konstant (reference), die Phase des zweiten (variable) ändert sich auf komplexe Weise in Abhängigkeit von der Strahlungsrichtung - jedem Winkel entspricht eine eigene Phasenverschiebung. Jeder Empfänger erhält somit ein Signal mit seiner eigenen Phasenverschiebung, die proportional zum Azimut zum Leuchtturm ist. Die Technologie der "räumlichen Modulation" erfolgt durch eine spezielle Antenne (Alford Loop, siehe KDPV) und eine spezielle, ziemlich raffinierte Modulation. Dies ist das eigentliche Thema dieses Artikels.
Stellen wir uns vor, wir haben einen normalen Legacy-Leuchtturm, der seit den 50er Jahren in Betrieb ist und Signale in normaler AM-Modulation im Morsealphabet überträgt. Wahrscheinlich hat der Navigator vor langer Zeit tatsächlich diesen Signalen mit Kopfhörern gelauscht und Richtungen mit einem Lineal und Zirkel auf der Karte markiert. Wir möchten dem Signal neue Funktionen hinzufügen, aber so, dass die "Kompatibilität" mit den alten Technologien nicht beeinträchtigt wird. Ein vertrautes Thema, nichts ist neu... Dies wurde folgendermaßen gelöst: Zu dem AM-Signal wurde ein niederfrequenter 30-Hz-Ton hinzugefügt, der die Funktion des Referenzphasesignals übernimmt, sowie eine hochfrequente Komponente, die mit Frequenzmodulation auf 9,96 kHz codiert ist und das variable Phasensignal überträgt. Durch das Separieren der beiden Signale und den Vergleich der Phasen erhalten wir den gesuchten Winkel von 0 bis 360 Grad, der der benötigte Azimut ist. Dies alles hindert uns jedoch nicht daran, den Leuchtturm "auf die herkömmliche Weise" zu hören, und bleibt mit alten AM-Empfängern kompatibel.
Lass uns von der Theorie zur Praxis übergehen. Wir starten den SDR-Empfänger, wählen die AM-Modulation und eine Bandbreite von 12 kHz. Die Frequenzen der VOR-Leuchttürme lassen sich leicht im Netz finden. Im Spektrum sieht das Signal wie folgt aus:
In diesem Fall wird das Leuchtturmsignal auf einer Frequenz von 113,950 MHz übertragen. In der Mitte ist eine leicht erkennbare Amplitudenmodulationslinie und die Morsezeichensignale (.- — … was AMS bedeutet, Amsterdam, Flughafen Schiphol) zu sehen. Rundherum, in einem Abstand von 9,6 kHz von der Trägerfrequenz, sind zwei Peaks sichtbar, die das zweite Signal übertragen.
Wir zeichnen das Signal im WAV-Format auf (nicht MP3 – der verlustbehaftete Codec würde die gesamte Signalstruktur zerstören) und öffnen es in GNU Radio.
Dekodierung
Schritt 1. Wir öffnen die Datei mit dem aufgenommenen Signal und wenden einen Tiefpassfilter an, um das erste Referenzsignal zu erhalten. Das GNU Radio-Diagramm ist im Bild dargestellt.
Ergebnis: ein Niedrigfrequenzsignal mit 30 Hz.
Schritt 2: wir dekodieren das variable Phasensignal. Wie bereits erwähnt, liegt es bei 9,96 kHz, und wir müssen es auf die Nullfrequenz verschieben und an den FM-Demodulator anlegen.
GNU Radio-Diagramm:
Das ist es, die Aufgabe ist gelöst. Wir sehen zwei Signale, deren Phasenunterschied den Winkel vom Empfänger zum VOR-Marker angibt:
Das Signal ist ziemlich verrauscht, und für die endgültige Berechnung des Phasenunterschieds könnte eine zusätzliche Filterung erforderlich sein, aber das Prinzip ist hoffentlich klar. Für diejenigen, die vergessen haben, wie der Phasenunterschied bestimmt wird, ein Bild von :
Glücklicherweise muss all dies nicht manuell gemacht werden: Es gibt bereits ein in Python, das VOR-Signale aus WAV-Dateien dekodiert. Tatsächlich hat mich das Studium dieses Themas inspirieren lassen.
Interessierte können das Programm in der Konsole ausführen und den vorbereiteten Winkel in Grad aus einer bereits aufgenommenen Datei erhalten:
Luftfahrtenthusiasten können sich sogar einen tragbaren Empfänger aus RTL-SDR und Raspberry Pi bauen. Übrigens sieht dieser Indikator in einem "echten" Flugzeug etwa so aus:
Bild ©
Fazit
Solche Signale "aus dem letzten Jahrhundert" sind definitiv interessant für eine Analyse. Erstens sind sie relativ einfach; modernes DRM oder noch mehr GSM können so nicht mehr "von den Fingern" dekodiert werden. Sie sind offen für den Empfang, es gibt keine Schlüssel und keine Kryptographie. Zweitens könnten sie in Zukunft in die Geschichte eingehen und durch Satellitennavigation und modernere digitale Systeme ersetzt werden. Drittens ermöglicht das Studium solcher Standards, interessante technische und historische Details darüber zu erfahren, wie Herausforderungen mit unterschiedlichen Schaltungen und Bauteilen des letzten Jahrhunderts gelöst wurden. Daher können Empfängerbesitzern geraten werden, solche Signale zu empfangen, solange sie noch arbeiten.
Wie gewohnt, wünsche ich allen erfolgreiche Experimente.
Quelle: habr.com
