Hej Habr!
Trenutačno nema mnogo komunikacijskih standarda koji su, s jedne strane, zanimljivi i zanimljivi, s druge strane, njihov opis ne zauzima 500 stranica u PDF formatu. Jedan takav signal koji se lako dekodira je VHF višesmjerni radio signal (VOR) koji se koristi u zračnoj navigaciji.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Prvo, pitanje za čitatelje: kako generirati signal tako da se smjer može odrediti pomoću višesmjerne prijemne antene? Odgovor je ispod reza.
Opće informacije
Sistem (VOR) se koristi za zračnu navigaciju od 50-ih godina prošlog stoljeća, a sastoji se od radiofarova relativno malog dometa (100-200 km), koji rade u VHF frekvencijskom području 108-117 MHz. Sada, u eri gigaherca, naziv vrlo visoka frekvencija u odnosu na takve frekvencije zvuči smiješno i sam po sebi govori o dob ovaj standard, ali usput, svjetionici i dalje rade , koji radi u srednjem valnom području 400-900 kHz.
Postavljanje usmjerene antene na zrakoplov je konstruktivno nezgodno, pa se pojavio problem kako kodirati informaciju o smjeru prema signalu u samom signalu. Princip rada "na prstima" može se objasniti na sljedeći način. Zamislimo da imamo običan svjetionik koji odašilje uski snop zelene svjetlosti, čija se lampa okreće 1 put u minuti. Očito je da ćemo jednom u minuti vidjeti bljesak svjetla, ali jedan takav bljesak ne nosi puno informacija. Dodajmo još jedan svjetioniku neusmjereni crvena svjetiljka koja bljesne u trenutku kada snop svjetionika “prođe” smjerom sjever. Jer poznato je razdoblje bljeskova i koordinate svjetionika; izračunavanjem kašnjenja između crvenih i zelenih bljeskova možete saznati azimut prema sjeveru. Jednostavno je. Ostaje učiniti istu stvar, ali pomoću radija. To se riješilo promjenom faza. Za prijenos se koriste dva signala: faza prvog je konstantna (referentna), faza drugog (varijabla) se složeno mijenja ovisno o smjeru zračenja - svaki kut ima svoj fazni pomak. Dakle, svaki prijemnik će primiti signal sa "vlastitim" faznim pomakom, proporcionalnim azimutu prema svjetioniku. Tehnologija "prostorne modulacije" provodi se pomoću posebne antene (Alford Loop, vidi KDPV) i posebne, prilično lukave modulacije. Što je zapravo i tema ovog članka.
Zamislimo da imamo obični naslijeđeni beacon, koji radi od 50-ih, i odašilje signale u običnoj AM modulaciji u Morseovom kodu. Vjerojatno je nekada davno navigator doista slušao te signale u slušalicama i označavao smjerove ravnalom i kompasom na karti. Želimo signalu dodati nove funkcije, ali tako da ne “srušimo” kompatibilnost sa starim. Tema je poznata, ništa novo... Urađeno je na sljedeći način - AM signalu je dodan niskofrekventni ton od 30 Hz koji ima funkciju signala referentne faze i visokofrekventna komponenta, kodirana frekvencijom modulacija na frekvenciji od 9.96 KHz, odašiljajući signal promjenjive faze. Odabirom dva signala i usporedbom faza dobivamo željeni kut od 0 do 360 stupnjeva, što je i željeni azimut. U isto vrijeme, sve to neće ometati slušanje svjetionika "na uobičajeni način" i ostaje kompatibilno sa starijim AM prijemnicima.
Prijeđimo s teorije na praksu. Pokrenimo SDR prijamnik, izaberimo AM modulaciju i širinu pojasa od 12 KHz. Frekvencije VOR signala lako se mogu pronaći na internetu. Na spektru signal izgleda ovako:
U ovom slučaju, beacon signal se emitira na frekvenciji od 113.950 MHz. U sredini možete vidjeti lako prepoznatljivu liniju modulacije amplitude i signale Morse koda (.- - ... što znači AMS, Amsterdam, zračna luka Schiphol). Otprilike na udaljenosti od 9.6 KHz od nosača, vidljiva su dva vrha koji odašilju drugi signal.
Snimimo signal u WAV (ne MP3 - kompresija s gubitkom će “ubiti” cijelu strukturu signala) i otvorimo ga u GNU radiju.
Dekodiranje
Korak 1. Otvorimo datoteku sa snimljenim signalom i primijenimo na nju niskopropusni filtar kako bismo dobili prvi referentni signal. GNU Radio graf je prikazan na slici.
Rezultat: signal niske frekvencije na 30 Hz.
Korak 2: dekodira signal promjenjive faze. Kao što je gore spomenuto, nalazi se na frekvenciji od 9.96 KHz, moramo ga pomaknuti na nultu frekvenciju i unijeti u FM demodulator.
GNU radio grafikon:
To je to, problem riješen. Vidimo dva signala čija fazna razlika označava kut od prijemnika do VOR signala:
Signal je prilično šuman i možda će biti potrebno dodatno filtriranje da bi se konačno izračunala razlika u fazama, ali nadam se da je princip jasan. Za one koji su zaboravili kako se određuje fazna razlika, slika iz :
Srećom, ne morate sve to raditi ručno: već postoji u Pythonu, dekodiranje VOR signala iz WAV datoteka. Zapravo, njegova studija me inspirirala da proučavam ovu temu.
Zainteresirani mogu pokrenuti program u konzoli i dobiti gotov kut u stupnjevima iz već snimljene datoteke:
Ljubitelji zrakoplovstva mogu čak napraviti vlastiti prijenosni prijamnik koristeći RTL-SDR i Raspberry Pi. Usput, na "pravom" avionu ovaj indikator izgleda otprilike ovako:
Slika ©
Zaključak
Takvi signali “iz prošlog stoljeća” svakako su zanimljivi za analizu. Prvo, prilično su jednostavni, moderni DRM ili, pogotovo, GSM, više ih nije moguće dekodirati "na prste". Otvoreni su za prihvaćanje i nemaju ključeve niti kriptografiju. Drugo, možda će u budućnosti postati povijest i zamijeniti ih satelitska navigacija i moderniji digitalni sustavi. Treće, proučavanje takvih standarda omogućuje vam da naučite zanimljive tehničke i povijesne detalje o tome kako su se problemi rješavali korištenjem drugih strujnih krugova i baze elemenata prošlog stoljeća. Stoga se vlasnicima prijemnika može savjetovati da primaju takve signale dok još rade.
Kao i obično, sretni eksperimenti svima.
Izvor: www.habr.com