Hei Habr!
Tällä hetkellä ei ole paljon viestintästandardeja, jotka toisaalta ovat uteliaita ja kiinnostavia, toisaalta niiden kuvaus ei vie 500 sivua PDF-muodossa. Yksi tällainen signaali, joka on helppo purkaa, on VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR) -signaali, jota käytetään lennonvarmistuksessa.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Ensinnäkin kysymys lukijoille: miten luodaan signaali niin, että suunta voidaan määrittää monisuuntaisella vastaanottoantennilla? Vastaus on alla.
Perustiedot
Järjestelmä (VOR) on käytetty lennonvarmistukseen viime vuosisadan 50-luvulta lähtien, ja se koostuu suhteellisen lyhyen kantaman radiomajakoista (100-200 km), jotka toimivat VHF-taajuusalueella 108-117 MHz. Nyt, gigahertsin aikakaudella, nimi erittäin korkea taajuus suhteessa sellaisiin taajuuksiin kuulostaa hauskalta ja itsessään puhuu ikä tämä standardi, mutta muuten majakat toimivat edelleen , joka toimii keskiaaltoalueella 400-900 kHz.
Suunta-antennin sijoittaminen lentokoneeseen on rakenteellisesti hankalaa, joten ongelma syntyi kuinka koodata tietoa suunnasta majakkaan itse signaaliin. Toimintaperiaate "sormilla" voidaan selittää seuraavasti. Kuvittelemme, että meillä on tavallinen majakka, joka lähettää kapeaa vihreää valoa, jonka lamppu pyörii 1 kerran minuutissa. Ilmeisesti kerran minuutissa näemme valon välähdyksen, mutta yksi tällainen välähdys ei kuljeta paljon tietoa. Lisätään majakkaan toinen suuntaamaton punainen lamppu, joka vilkkuu sillä hetkellä, kun majakan säde "ohjaa" suunnan pohjoiseen. Koska välähdysten jakso ja majakan koordinaatit ovat tiedossa, laskemalla punaisen ja vihreän välähdyksen välinen viive saadaan selville atsimuutti pohjoiseen. Se on yksinkertaista. On vielä tehtävä sama asia, mutta radion avulla. Tämä on ratkaistu vaiheita vaihtamalla. Lähetykseen käytetään kahta signaalia: ensimmäisen vaihe on vakio (referenssi), toisen vaihe (muuttuva) muuttuu monimutkaisesti riippuen säteilyn suunnasta - jokaisella kulmalla on oma vaihesiirtonsa. Siten jokainen vastaanotin vastaanottaa signaalin "omalla" vaihesiirrolla, joka on verrannollinen majakan atsimuuttiin. "Spatial modulation" -tekniikka suoritetaan käyttämällä erityistä antennia (Alford Loop, katso KDPV) ja erityistä, melko hankalaa modulaatiota. Mikä on itse asiassa tämän artikkelin aihe.
Kuvitellaan, että meillä on tavallinen perintömajakka, joka on toiminut 50-luvulta lähtien ja lähettää signaaleja tavallisessa AM-modulaatiossa morsekoodilla. Luultavasti kerran navigaattori todella kuunteli näitä signaaleja kuulokkeilla ja merkitsi ajo-ohjeet viivaimella ja kompassilla karttaan. Haluamme lisätä signaaliin uusia toimintoja, mutta siten, että emme "riko" yhteensopivuutta vanhojen kanssa. Aihe on tuttu, ei mitään uutta... Se tehtiin seuraavasti - AM-signaaliin lisättiin matalataajuinen 30 Hz ääni, joka suorittaa referenssivaihesignaalin tehtävän, ja korkeataajuinen komponentti, taajuudella koodattu modulaatio 9.96 KHz:n taajuudella, joka lähettää muuttuvavaiheisen signaalin. Valitsemalla kaksi signaalia ja vertaamalla vaiheita saadaan haluttu kulma 0 - 360 astetta, joka on haluttu atsimuutti. Samaan aikaan kaikki tämä ei häiritse majakan kuuntelua "tavanomaisella tavalla" ja on yhteensopiva vanhempien AM-vastaanottimien kanssa.
Siirrytään teoriasta käytäntöön. Käynnistä SDR-vastaanotin, valitse AM-modulaatio ja 12 kHz kaistanleveys. VOR-majakan taajuudet löytyvät helposti verkosta. Spektrillä signaali näyttää tältä:
Tässä tapauksessa majakkasignaali lähetetään taajuudella 113.950 MHz. Keskellä näkyy helposti tunnistettava amplitudimodulaatiolinja ja morsekoodisignaalit (.- - ... mikä tarkoittaa AMS, Amsterdam, Schipholin lentokenttä). Noin 9.6 KHz:n etäisyydellä kantoaallosta näkyy kaksi huippua, jotka lähettävät toisen signaalin.
Tallennetaan signaali WAV-muodossa (ei MP3 - häviöllinen pakkaus "tappaa" koko signaalin rakenteen) ja avataan se GNU Radiossa.
Dekoodaus
Vaihe 1. Avataan tiedosto, jossa on tallennettu signaali ja käytetään siihen alipäästösuodatinta saadaksesi ensimmäinen vertailusignaali. GNU Radio -kaavio on esitetty kuvassa.
Tulos: matalataajuinen signaali 30 Hz:llä.
Vaihe 2: dekoodaa muuttuvavaiheinen signaali. Kuten edellä mainittiin, se sijaitsee taajuudella 9.96 KHz, meidän on siirrettävä se nollataajuudelle ja syötettävä se FM-demodulaattoriin.
GNU Radio -kaavio:
Siinä se, ongelma ratkaistu. Näemme kaksi signaalia, joiden vaihe-ero ilmaisee kulman vastaanottimesta VOR-majakkaan:
Signaali on melko meluisa, ja lisäsuodatus saattaa olla tarpeen vaihe-eron laskemiseksi, mutta toivon, että periaate on selvä. Niille, jotka ovat unohtaneet kuinka vaihe-ero määritetään, kuva kohteesta :
Onneksi sinun ei tarvitse tehdä kaikkea tätä manuaalisesti: se on jo olemassa Pythonissa VOR-signaalien purkaminen WAV-tiedostoista. Itse asiassa hänen tutkimuksensa inspiroi minua tutkimaan tätä aihetta.
Kiinnostuneet voivat ajaa ohjelmaa konsolissa ja saada valmiin kulman asteina jo tallennetusta tiedostosta:
Ilmailufanit voivat jopa tehdä oman kannettavan vastaanottimen käyttämällä RTL-SDR:ää ja Raspberry Pi:tä. Muuten, "todellisessa" tasossa tämä indikaattori näyttää suunnilleen tältä:
Kuva ©
Johtopäätös
Tällaiset signaalit "viime vuosisadalta" ovat ehdottomasti mielenkiintoisia analysoitavaksi. Ensinnäkin ne ovat melko yksinkertaisia, moderneja DRM- tai varsinkin GSM-koodeja, joita ei ole enää mahdollista purkaa "sormillasi". Ne ovat avoimia hyväksymiselle, eikä niissä ole avaimia tai salausta. Toiseksi, ehkä tulevaisuudessa niistä tulee historiaa ja ne korvataan satelliittinavigaatiolla ja nykyaikaisemmilla digitaalisilla järjestelmillä. Kolmanneksi tällaisten standardien opiskelu antaa sinulle mahdollisuuden oppia mielenkiintoisia teknisiä ja historiallisia yksityiskohtia siitä, kuinka ongelmia on ratkaistu käyttämällä muita viime vuosisadan piirejä ja elementtipohjaa. Vastaanottimien omistajia voidaan siis neuvoa vastaanottamaan tällaisia signaaleja, kun he vielä toimivat.
Kuten tavallista, onnellisia kokeiluja kaikille.
Lähde: will.com