¡Hola, Habr!
Actualmente, no existen muchos estándares de comunicación que, por un lado, sean curiosos e interesantes, y, por otro lado, su descripción no ocupe 500 páginas en formato PDF. Uno de estos estándares, que es fácil de decodificar, es la señal VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR), utilizada en la aeronáutica.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Para empezar, una pregunta para los lectores: ¿cómo formar una señal de tal manera que, con una antena receptora no direccional, se pueda determinar la dirección? La respuesta está debajo.
Información General
Sistema (VOR) se ha utilizado para la aeronáutica desde los años 50 del siglo pasado y consiste en balizas de radio de relativamente corto alcance (100-200 km), que operan en la banda de frecuencias de VHF de 108-117 MHz. Ahora, en la era de los gigahercios, el término very high frequency aplicado a estas frecuencias suena divertido y ya habla por sí mismo de la antigüedad de este estándar, pero, por cierto, aún funcionan las balizas , que operan en la banda de ondas medias de 400-900 kHz.
Colocar una antena direccional en un avión es estructuralmente incómodo, por lo que surgió la tarea de cómo codificar la información sobre la dirección hacia la baliza en la señal misma. El principio de operación puede explicarse «en términos simples» de la siguiente manera. Imaginemos que tenemos una baliza común, que envía un haz estrecho de luz verde, cuya lámpara gira 1 vez por minuto. Es obvio que una vez por minuto veremos un destello de luz, pero un solo destello no transmite mucha información. Agreguemos a la baliza una segunda no direccional una lámpara de color rojo que parpadea en el momento en que el haz del faro "pasa" hacia el norte. Dado que el período de los destellos y las coordenadas del faro son conocidos, al calcular el retraso entre los destellos rojos y verdes, se puede determinar el azimut hacia el norte. Todo es sencillo. Solo queda hacer lo mismo, pero con la ayuda de radio. Esto se logró mediante cambios de fase. Se utilizan dos señales para la transmisión: la fase de la primera es constante (referencia), la fase de la segunda (variable) cambia de manera compleja dependiendo de la dirección de emisión: a cada ángulo le corresponde un desplazamiento de fase específico. De esta forma, cada receptor recibirá una señal con su propio desplazamiento de fase, proporcional al azimut hacia el faro. La tecnología de "modulación espacial" se realiza con la ayuda de una antena especial (Alford Loop, ver KDPV) y una modulación particular, bastante ingeniosa. Que es, de hecho, el tema de este artículo.
Imaginemos que tenemos un faro legacy común, operando desde los años 50, que transmite señales en modulación AM convencional utilizando el código Morse. Probablemente, hace mucho tiempo, el navegante realmente escuchaba esas señales con auriculares y marcaba las direcciones con una regla y un compás en el mapa. Queremos agregar nuevas funciones a la señal, pero de tal manera que "no rompa" la compatibilidad con los antiguos. El tema es familiar, nada nuevo... Se realizó de la siguiente manera: se añadió un tono de 30 Hz de baja frecuencia a la señal AM, que cumple la función de señal de fase de referencia, y un componente de alta frecuencia, codificado mediante modulación de frecuencia a 9.96 kHz, que transmite la señal de fase variable. Al aislar las dos señales y comparar las fases, obtenemos el ángulo requerido de 0 a 360 grados, que es el azimut deseado. Además, todo esto no interfiere con la escucha del faro "de la manera habitual" y sigue siendo compatible con las antiguas receptores AM.
Pasemos de la teoría a la práctica. Activemos el receptor SDR, elijamos la modulación AM y un ancho de banda de 12 kHz. Las frecuencias de los faros VOR se pueden encontrar fácilmente en la red. En el espectro, la señal se ve de la siguiente manera:
En este caso, la señal del faro se transmite a una frecuencia de 113.950 MHz. En el centro se puede ver la línea de modulación de amplitud fácilmente reconocible y las señales en código Morse (.- — … que significa AMS, Ámsterdam, aeropuerto Schiphol). Alrededor, a una distancia de 9.6 kHz de la portadora, se observan dos picos que transmiten la segunda señal.
Grabamos la señal en WAV (no MP3, ya que la compresión con pérdida "mata" toda la estructura de la señal) y la abrimos en GNU Radio.
Decodificación
Compra una suscripción. Abrimos el archivo con la señal grabada y aplicamos un filtro de paso bajo para obtener la primera señal de referencia. El gráfico de GNU Radio se muestra en la imagen.
Resultado: señal de baja frecuencia a 30 Hz.
Paso 2: decodificamos la señal de fase variable. Como se mencionó anteriormente, está ubicada en una frecuencia de 9.96 kHz, necesitamos trasladarla a la frecuencia cero y enviarla al demodulador FM.
Gráfico de GNU Radio:
Todo está resuelto. Vemos dos señales cuya diferencia de fase indica el ángulo desde el receptor hasta la baliza VOR:
La señal está bastante ruidosa, y puede ser necesaria una filtración adicional para el cálculo final de la diferencia de fase, pero espero que el principio sea claro. Para aquellos que han olvidado cómo se determina la diferencia de fase, la imagen de :
Afortunadamente, no es necesario hacerlo manualmente: ya existe un en Python que decodifica señales VOR de archivos WAV. De hecho, su estudio me inspiró a investigar este tema.
Los interesados pueden ejecutar el programa en la consola y obtener el ángulo en grados de un archivo ya grabado:
Los aficionados a la aviación incluso pueden construir un receptor portátil usando RTL-SDR y Raspberry Pi. Por cierto, en un "verdadero" avión, este indicador se ve aproximadamente así:
Imagen ©
Conclusión
Señales como estas de "la época pasada" son definitivamente interesantes para el análisis. En primer lugar, son bastante sencillas; el moderno DRM o incluso el GSM no se pueden decodificar tan fácilmente. Son abiertas para la recepción, sin claves ni criptografía. En segundo lugar, es posible que en el futuro queden en la historia, siendo reemplazadas por navegación por satélite y sistemas digitales más modernos. En tercer lugar, el estudio de tales estándares permite conocer detalles técnicos e históricos fascinantes sobre cómo se resolvían las tareas con diferentes circuitos y componentes del pasado siglo. Así que se aconseja a los propietarios de receptores que acepten estas señales mientras aún funcionen.
Como de costumbre, les deseo a todos buenos experimentos.
Fuente: habr.com
