Helló, Habr!
Jelenleg nem túl sok olyan kommunikációs szabvány létezik, amelyek egyrészt érdekesek és figyelemre méltók, másrészt pedig a leírásuk nem foglal el 500 oldalt PDF formátumban. Az egyik ilyen, könnyen dekódolható jel a VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR), amelyet repüléstechnikai navigációban használnak.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Mielőtt elkezdenénk, a kérdés az olvasókhoz: hogyan lehet a jelet úgy formálni, hogy egy irányjelző antenna segítségével meghatározhassuk a irányt? A válasz a tovább mögött.
Általános információ
Rendszer (VOR) a repüléstechnikai navigációban már az 50-es évektől alkalmazásban van, és viszonylag kis távolságú (100-200 km) rádiójelzőkből áll, amelyek az FM frekvencia 108-117 MHz tartományában üzemelnek. Most, a gigahertzes korszakban, a 'nagyon magas frekvencia' megnevezés ilyen frekvenciákra már viccesen hangzik, és önmagában is árulkodik a standard koráról de egyébként még mindig működnek , amelyek a középméretű hullámok 400-900 kHz tartományában működnek.
A célzott antenna elhelyezése a repülőgépen konstrukciós szempontból kényelmetlen, ezért felmerült a feladat, hogyan lehetne a tájékoztatást a jelben a fénysugár irányáról kódolni. Az elvét a 'pálcikákon' nagyon egyszerűen lehet elmagyarázni. Képzeljük el, hogy van egy normál jelző, amely egy szűk zöld fényteret bocsát ki, amelynek lámpája 1 perc alatt egyet forog. Nyilvánvaló, hogy percenként látni fogunk egy fényvillanást, de egy ilyen villanás nem tartalmaz sok információt. Adjunk a jelzőhöz egy második nem irányított a piros színű lámpát, amely akkor villan, amikor a világítótorony fénye "átmegy" az északi irányba. Mivel a villanások periódusa és a világítótorony koordinátái ismertek, a piros és zöld villanások közötti késleltetés kiszámításával meghatározhatjuk az északi irányt. Mindez egyszerű. Csak annyit kell tennünk, hogy ugyanezt rádióval is megvalósítjuk. Ezt fázisváltoztatással oldották meg. Két jelet használtak a továbbításhoz: az első jel fázisa állandó (referencia), a második jel (változó) komplex módon változik a kibocsátás irányától függően – minden szöghez saját fáziseltolódás tartozik. Így minden vevő „saját” fáziseltolódást kap, ami arányos a világítótoronyhoz mért azimutal. A „térbeli moduláció” észlelését egy speciális antennával (Alford Loop, lásd KDPV) és egy különösen ügyes modulációval valósítják meg. Ez a cikk fő témája.
Képzeljük el, hogy van egy hagyományos, az 50-es évek óta működő legacymájékunk, amely Morse-ábécével jelez A m modulációval. Valószínűleg valamikor rég, a navigátor tényleg hallgatta ezeket a jeleket a fülhallgatóban, és mérővonallal és körzővel jegyzetelt a térképen. Új funkciókat szeretnénk hozzáadni a jelhez anélkül, hogy „megszakítanánk” a régi kompatibilitást. A téma ismerős, semmi nem új… A következő módon valósult meg – az AM jelhez egy alacsony frekvenciájú 30 Hz-es hangot adtak, amely referenciafázis kukac szerepét tölti be, és egy magas frekvenciájú komponenst, amelyet 9.96 kHz-es frekvenciamodulációs kódolt, továbbítva a változó fázisjelzést. Két jelet kiemelve és a fázisokat összehasonlítva megkapjuk a keresett szöget 0 és 360 fok között, amely a szükséges azimut. Mindez nem zavarja az „általános” világítótorony hallgatását, és a régi AM vevőkkel is kompatibilis marad.
Térjünk át a gyakorlatra. Indítsunk el egy SDR vevőt, válasszunk AM modulációt és 12 kHz-es sávszélességet. A VOR világítótornyok frekvenciái könnyen megtalálhatók az interneten. A jel spektrumon a következőképpen néz ki:
Ebben az esetben a világítótorony jele a 113.950 MHz frekvencián kerül továbbításra. A középen jól látható az amplitúdómodulációs vonal és a Morse-ábécével átkódolt jelek (.- — … ami AMS-t jelent, Amsterdam, Schiphol repülőtér). A hordozótól 9.6 kHz távolságra két csúcs látható, amelyek a második jelet továbbítják.
Rögzítsük a jelet WAV formátumban (nem MP3 — a veszteséges tömörítés "megöli" a jel teljes szerkezetét), és nyissuk meg a GNU Radioban.
Dekódolás
1. lépés. Nyissuk meg a rögzített jelfájlt, és alkalmazzunk rá alacsony áteresztő szűrőt, hogy megkapjuk az első referenciajelet. A GNU Radio grafikonja a képen látható.
Eredmény: alacsony frekvenciájú jel 30 Hz-en.
2. lépés: dekódoljuk a változó fázisú jelet. Amint említettük, ez 9.96 kHz frekvencián helyezkedik el, ezt nullára kell áthelyeznünk, majd egy FM-demodulátorra kell csatlakoztatnunk.
GNU Radio grafikon:
Minden megoldva. Két jelet látunk, amelynek fáziskülönbsége jelzi a vételi pontról a VOR-jeladóig terjedő szöget:
A jel elég zavaros, és a fáziskülönbség végső számításához additional filtering may be needed, de a lényeg remélem, világos. Akik elfelejtették, hogyan határozzák meg a fáziskülönbséget, itt egy kép a :
Szerencsére mindezt manuálisan nem kell elvégezni: már létezik egy Python-ban, amely VOR jeleket dekódol WAV fájlokból. Valójában ennek tanulmányozása és az inspirált ez a téma megismerésére.
Az érdeklődők futtathatják a programot a konzolon, és a már rögzített fájlból kész szöget kaphatnak fokban:
A légiközlekedés rajongói akár egy hordozható vevőt is készíthetnek RTL-SDR-ből és Raspberry Pi-ból. Egyébként a "valódi" repülőgépen ez az indikátor körülbelül így néz ki:
Kép ©
Zárás
Az ilyen "tíz évvel ezelőtti" jelek határozottan érdekesek az elemzéshez. Először is, elég egyszerűek, a modern DRM vagy annál inkább a GSM már nem dekódolható így "két kézzel". Nyitottak a vételre, nincs bennük kulcs és titkosítás. Másodszor, lehetséges, hogy a jövőben eltűnnek a történelemből, és helyettesítik őket műholdas navigációval és modernebb digitális rendszerekkel. Harmadszor, az ilyen szabványok tanulmányozása lehetővé teszi, hogy érdekes technikai és történelmi részleteket tudjunk meg arról, hogyan oldották meg a feladatokat a múlt század más schematics és elemek segítségével. Ezért a vevő tulajdonosainak javasolhatjuk, hogy vegyék észre ezeket a jeleket, amíg még működnek.
Mint mindig, mindenki számára sikeres kísérletezést kívánok.
Forrás: habr.com
