Hallo, Habr!
Derzeit gibt es nicht viele Kommunikationsstandards, die einerseits interessant und bemerkenswert sind, andererseits aber nicht 500 Seiten im PDF-Format beanspruchen. Einer dieser leicht dekodierbaren Standards ist das VHF Omni-direktionale Funkfeuer (VOR), das in der Luftfahrtnavigation verwendet wird.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Zunächst eine Frage an die Leser — wie kann man ein Signal so formen, dass man mit einer omnidirektionalen Empfangsantenne die Richtung bestimmen kann? Die Antwort im Folgenden.
Allgemeine Informationen
System (VOR) wird seit den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts in der Luftfahrtnavigation eingesetzt und besteht aus relativ kurzen Reichweitenradiosendern (100-200 km), die im Frequenzbereich von VHF 108-117 MHz arbeiten. Heute, im Zeitalter der Gigahertz, klingt die Bezeichnung „Very High Frequency“ für solche Frequenzen lustig und deutet bereits auf das Alter dieses Standards hin, aber übrigens, es gibt immer noch aktive Sender , die im Bereich der Mittelwellen von 400-900 kHz arbeiten.
Die Anbringung einer gerichteten Antenne an einem Flugzeug ist konstruktiv unpraktisch, daher stellte sich die Aufgabe, wie man die Informationen über die Richtung zum Leuchtturm im Signal kodieren kann. Das Prinzip der Funktionsweise kann man als folgend erklären: Stellen Sie sich vor, wir hätten einen normalen Leuchtturm, der einen schmalen Strahl grünes Licht sendet, dessen Lampe sich einmal pro Minute dreht. Offensichtlich werden wir einmal pro Minute einen Lichtblitz sehen, doch ein solcher Blitz enthält nicht viel Information. Fügen wir dem Leuchtturm ein zweites hinzu. gerichtetes Eine rote Lampe, die aufleuchtet, wenn der Strahl des Feuers zum Norden weist. Da die Zeitintervalle der Lichtblitze und die Koordinaten des Feuers bekannt sind, kann durch Berechnung der Verzögerung zwischen dem roten und dem grünen Lichtblitz der Azimut zum Norden ermittelt werden. Ganz einfach. Das gleiche Prinzip wurde dann auch mit Radio angewendet. Es wurde durch Phasenverschiebung gelöst. Für die Übertragung werden zwei Signale verwendet: Die Phase des ersten ist konstant (Referenz), während die Phase des zweiten (variabel) in komplexer Weise je nach Strahlungsrichtung variiert – jedem Winkel entspricht eine bestimmte Phasenverschiebung. So erhält jeder Empfänger ein Signal mit seiner eigenen Phasenverschiebung, proportional zum Azimut zum Feuer. Die Technologie der „räumlichen Modulation“ erfolgt durch eine spezielle Antenne (Alford Loop, siehe KDPV) und eine besondere, recht raffinierte Modulation. Dies ist das zentrale Thema dieses Artikels.
Stellen wir uns vor, wir haben ein gewöhnliches Legacy-Bake, das seit den 50er Jahren arbeitet und Signale im Standard-AM-Modulationsformat mit Morsezeichen überträgt. Wahrscheinlich hat der Navigator irgendwann einmal wirklich diese Signale über Kopfhörer gehört und Richtungen mit einem Lineal und einem Zirkel auf der Karte eingetragen. Wir möchten dem Signal neue Funktionen hinzufügen, ohne dabei die Kompatibilität mit den alten Systemen zu beeinträchtigen. Das Konzept ist bekannt, nichts ist neu... Folgendes wurde erreicht: Zu dem AM-Signal wurde ein niederfrequenten Ton von 30 Hz hinzugefügt, der die Funktion des Referenzphasen-Signals übernimmt, und eine hochfrequente Komponente, die mithilfe von Frequenzmodulation bei 9,96 kHz den Variablenphasensignal überträgt. Durch die Extraktion der beiden Signale und den Vergleich der Phasen erhalten wir den gesuchten Winkel von 0 bis 360 Grad, der den benötigten Azimut darstellt. Dabei kann das Beacon weiterhin "herkömmlich" gehört werden und bleibt mit den alten AM-Empfängern kompatibel.
Kommen wir von der Theorie zur Praxis. Starten wir einen SDR-Empfänger, wählen wir AM-Modulation und eine Bandbreite von 12 kHz. Die Frequenzen der VOR-Baken lassen sich leicht im Internet finden. Im Spektrum sieht das Signal wie folgt aus:
In diesem Fall wird das Funkfeuer auf einer Frequenz von 113,950 MHz übertragen. In der Mitte ist eine deutlich sichtbare Amplitudenmodulationslinie und die Signale in Morsecode (.- — … was AMS, Amsterdam, Flughafen Schiphol bedeutet). Um die Trägersignal sind zwei Peaks sichtbar, die das zweite Signal übertragen und bei 9,6 kHz liegen.
Lassen Sie uns das Signal im WAV-Format aufnehmen (nicht im MP3-Format – verlustbehaftete Kompression "zerstört" die gesamte Signalstruktur) und in GNU Radio öffnen.
Dekodierung
Schritt 1Öffnen Sie die Datei mit dem aufgezeichneten Signal und wenden Sie einen Tiefpassfilter an, um das erste Referenzsignal zu erhalten. Das GNU Radio-Diagramm ist auf dem Bild dargestellt.
Ergebnis: Ein niederfrequentes Signal mit einer Frequenz von 30 Hz.
Schritt 2: dekodieren des variablen Phasensignals. Wie bereits erwähnt, befindet es sich bei einer Frequenz von 9,96 kHz; wir müssen es auf die Nullfrequenz übertragen und an den FM-Demodulator weiterleiten.
GNU Radio-Diagramm:
Das ist alles, die Aufgabe ist gelöst. Wir sehen zwei Signale, deren Phasendifferenz den Winkel vom Empfänger zum VOR-Funkfeuer angibt:
Das Signal ist ausreichend verrauscht, und für die endgültige Berechnung der Phasendifferenz könnte eine zusätzliche Filterung erforderlich sein, aber das Prinzip sollte klar sein. Für diejenigen, die vergessen haben, wie die Phasendifferenz bestimmt wird, ein Bild aus :
Glücklicherweise muss man das alles nicht manuell machen: Es gibt bereits in Python, das VOR-Signale aus WAV-Dateien dekodiert. Tatsächlich hat mich dessen Studium dazu inspiriert, dieses Thema weiter zu erforschen.
Interessierte können das Programm in der Konsole ausführen und den berechneten 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 ungefähr so aus:
Bild ©
Fazit
Ähnliche Signale "aus dem letzten Jahrhundert" sind definitiv interessant für die Analyse. Erstens sind sie relativ einfach; modernes DRM oder erst recht GSM lassen sich so simpel nicht mehr dekodieren. Sie sind empfangsbereit, enthalten keine Schlüssel oder Kryptografie. Zweitens könnten sie in Zukunft Geschichte werden und durch Satellitennavigation sowie modernere digitale Systeme ersetzt werden. Drittens ermöglicht das Studium solcher Standards, interessante technische und historische Details darüber zu erfahren, wie Probleme mit anderen Schaltungstechniken und Komponenten des letzten Jahrhunderts gelöst wurden. Daher wird den Besitzern von Empfängern geraten, diese Signale zu nutzen, solange sie noch verfügbar sind.
Wie immer, wünsche ich allen erfolgreiche Experimente.
Quelle: habr.com
