Ola Habr!
Actualmente non hai moitos estándares de comunicación que, por unha banda, resulten curiosos e interesantes, por outro, a súa descrición non ocupa 500 páxinas en formato PDF. Un destes sinal que é fácil de decodificar é o sinal VHF Omni-direccional Radio Beacon (VOR) usado na navegación aérea.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
En primeiro lugar, unha pregunta para os lectores: como xerar un sinal para que se poida determinar a dirección usando unha antena de recepción omnidireccional? A resposta está baixo o corte.
Información xeral
Sistema (VOR) utilízase para a navegación aérea desde os anos 50 do século pasado, e consiste en radiobalizas de relativamente curto alcance (100-200 km), que operan no rango de frecuencias VHF 108-117 MHz. Agora, na era dos gigahercios, o nome de frecuencia moi alta en relación con tales frecuencias soa divertido e fala en si mesmo de idade este estándar, pero por certo, as balizas seguen funcionando , operando no rango de ondas medias 400-900 kHz.
Colocar unha antena direccional nun avión é estruturalmente inconveniente, polo que xurdiu o problema de como codificar a información sobre a dirección da baliza no propio sinal. O principio de funcionamento "nos dedos" pódese explicar do seguinte xeito. Imaxinemos que temos unha baliza común que emite un feixe estreito de luz verde, cuxa lámpada xira 1 vez por minuto. Obviamente, unha vez por minuto veremos un destello de luz, pero un destes flashes non leva moita información. Engadimos un segundo á baliza non direccional unha lámpada vermella que parpadea no momento en que o feixe do faro “pasa” a dirección norte. Porque coñécese o período dos flashes e as coordenadas da baliza; calculando o retardo entre os flashes vermellos e verdes, podes descubrir o acimut cara ao norte. É sinxelo. Queda por facer o mesmo, pero usando a radio. Isto resolveuse cambiando as fases. Para a transmisión utilízanse dous sinais: a fase do primeiro é constante (referencia), a fase do segundo (variable) cambia dun xeito complexo dependendo da dirección da radiación: cada ángulo ten o seu propio cambio de fase. Así, cada receptor recibirá un sinal co seu "propio" cambio de fase, proporcional ao acimut da baliza. A tecnoloxía de "modulación espacial" realízase mediante unha antena especial (Alford Loop, ver KDPV) e unha modulación especial, bastante complicada. Cal é realmente o tema deste artigo.
Imaxinemos que temos unha baliza común, que funciona desde os anos 50 e que transmite sinais en modulación AM ordinaria en código Morse. Probablemente, noutrora, o navegador realmente escoitaba estes sinais nos auriculares e marcaba as indicacións cunha regra e un compás no mapa. Queremos engadir novas funcións ao sinal, pero de forma que non se "rompa" a compatibilidade coas antigas. O tema é familiar, nada novo... Fíxose do seguinte xeito: engadiuse un ton de baixa frecuencia de 30 Hz ao sinal AM, realizando a función dun sinal de fase de referencia, e un compoñente de alta frecuencia, codificado por frecuencia. modulación a unha frecuencia de 9.96 KHz, transmitindo un sinal de fase variable. Seleccionando dous sinais e comparando as fases, obtemos o ángulo desexado de 0 a 360 graos, que é o acimut desexado. Ao mesmo tempo, todo isto non interferirá coa escoita da baliza "da forma habitual" e segue sendo compatible cos receptores AM máis antigos.
Pasemos da teoría á práctica. Imos lanzar o receptor SDR, seleccione modulación AM e ancho de banda de 12 KHz. As frecuencias de baliza VOR pódense atopar facilmente en liña. No espectro, o sinal ten o seguinte aspecto:
Neste caso, o sinal de baliza transmítese a unha frecuencia de 113.950 MHz. No centro pódese ver a liña de modulación de amplitude facilmente recoñecible e os sinais de código Morse (.- - ... que significa AMS, Amsterdam, aeroporto de Schiphol). A unha distancia de 9.6 KHz da portadora, son visibles dous picos que transmiten o segundo sinal.
Imos gravar o sinal en WAV (non MP3 - a compresión con perdas "matará" toda a estrutura do sinal) e abrilo en GNU Radio.
Decodificación
Paso 1. Abramos o ficheiro co sinal gravado e apliquemoslle un filtro paso baixo para obter o primeiro sinal de referencia. O gráfico de GNU Radio móstrase na figura.
Resultado: sinal de baixa frecuencia a 30 Hz.
Paso 2: decodifica o sinal de fase variable. Como se mencionou anteriormente, está situado a unha frecuencia de 9.96 KHz, necesitamos movelo á frecuencia cero e alimentalo ao demodulador FM.
Gráfico de GNU Radio:
Xa está, problema resolto. Vemos dous sinais, cuxa diferenza de fase indica o ángulo desde o receptor ata a baliza VOR:
O sinal é bastante ruidoso e pode ser necesario un filtrado adicional para finalmente calcular a diferenza de fase, pero espero que o principio estea claro. Para aqueles que esqueceron como se determina a diferenza de fase, unha imaxe de :
Afortunadamente, non tes que facer todo isto manualmente: xa o hai en Python, descodificando sinais VOR de ficheiros WAV. De feito, o seu estudo inspiroume a estudar este tema.
Os interesados poden executar o programa na consola e obter o ángulo final en graos do ficheiro xa gravado:
Os fanáticos da aviación poden incluso facer o seu propio receptor portátil usando un RTL-SDR e un Raspberry Pi. Por certo, nun plano "real" este indicador parece algo así:
Imaxe ©
Conclusión
Tales sinais "do século pasado" son definitivamente interesantes para a análise. En primeiro lugar, son DRM bastante sinxelos, modernos ou, especialmente, GSM, xa non é posible decodificar "nos dedos". Están abertos á aceptación e non teñen claves nin criptografía. En segundo lugar, quizais no futuro pasen a ser historia e sexan substituídos pola navegación por satélite e sistemas dixitais máis modernos. En terceiro lugar, estudar tales estándares permítelle aprender detalles técnicos e históricos interesantes de como se resolveron os problemas utilizando outros circuítos e elementos base do século pasado. Polo tanto, pódese aconsellar aos propietarios do receptor que reciban tales sinais mentres aínda estean funcionando.
Como de costume, felices experimentos para todos.
Fonte: www.habr.com