Hei Habr!
Saat ini tidak banyak standar komunikasi yang di satu sisi membuat penasaran dan menarik, di sisi lain uraiannya tidak memakan waktu 500 halaman dalam format PDF. Salah satu sinyal yang mudah didekode adalah sinyal VHF Omni-Directional Radio Beacon (VOR) yang digunakan dalam navigasi udara.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Pertama, pertanyaan bagi pembaca: bagaimana cara membangkitkan sinyal agar dapat ditentukan arahnya menggunakan antena penerima omnidirection? Jawabannya ada di bawah potongan.
Informasi umum
Sistem (VOR) telah digunakan untuk navigasi udara sejak tahun 50-an abad terakhir, dan terdiri dari suar radio jarak pendek (100-200 km), yang beroperasi pada rentang frekuensi VHF 108-117 MHz. Sekarang, di era gigahertz, nama frekuensi sangat tinggi dalam kaitannya dengan frekuensi tersebut terdengar lucu dan dengan sendirinya berbicara tentang usia standar ini, tapi omong-omong, suar masih berfungsi , beroperasi pada rentang gelombang menengah 400-900 kHz.
Menempatkan antena pengarah di pesawat terbang secara struktural tidak nyaman, sehingga timbul masalah bagaimana mengkodekan informasi tentang arah ke suar dalam sinyal itu sendiri. Prinsip pengoperasian “dengan jari” dapat dijelaskan sebagai berikut. Bayangkan kita memiliki suar biasa yang memancarkan seberkas cahaya hijau sempit, yang lampunya berputar 1 kali per menit. Tentunya, satu menit sekali kita akan melihat kilatan cahaya, namun satu kilatan tersebut tidak membawa banyak informasi. Mari tambahkan yang kedua ke suar non-arah lampu merah yang berkedip pada saat pancaran mercusuar “melewati” arah ke utara. Karena periode kedipan dan koordinat suar diketahui, dengan menghitung penundaan antara kedipan merah dan hijau, Anda dapat mengetahui azimuth ke utara. Itu mudah. Tetap melakukan hal yang sama, tetapi menggunakan radio. Hal ini diatasi dengan mengubah tahapan. Dua sinyal digunakan untuk transmisi: fase pertama konstan (referensi), fase kedua (variabel) berubah secara kompleks tergantung pada arah radiasi - setiap sudut memiliki pergeseran fasa sendiri. Dengan demikian, setiap penerima akan menerima sinyal dengan pergeseran fasa “sendiri”, sebanding dengan azimuth terhadap suar. Teknologi “modulasi spasial” dilakukan dengan menggunakan antena khusus (Alford Loop, lihat KDPV) dan modulasi khusus yang agak rumit. Yang sebenarnya menjadi topik artikel ini.
Bayangkan kita memiliki suar warisan biasa, yang beroperasi sejak tahun 50an, dan mentransmisikan sinyal dalam modulasi AM biasa dalam kode Morse. Mungkin, pada suatu waktu, navigator mendengarkan sinyal-sinyal ini melalui headphone dan menandai arah dengan penggaris dan kompas di peta. Kami ingin menambahkan fungsi-fungsi baru ke sinyal, tetapi sedemikian rupa agar tidak “merusak” kompatibilitas dengan yang lama. Topiknya familiar, bukan hal baru... Ini dilakukan sebagai berikut - nada frekuensi rendah 30 Hz ditambahkan ke sinyal AM, menjalankan fungsi sinyal fase referensi, dan komponen frekuensi tinggi, dikodekan berdasarkan frekuensi modulasi pada frekuensi 9.96 KHz, mentransmisikan sinyal fase variabel. Dengan memilih dua sinyal dan membandingkan fase, kita mendapatkan sudut yang diinginkan dari 0 hingga 360 derajat, yang merupakan azimuth yang diinginkan. Pada saat yang sama, semua ini tidak akan mengganggu mendengarkan suar “dengan cara biasa” dan tetap kompatibel dengan receiver AM lama.
Mari beralih dari teori ke praktik. Mari luncurkan receiver SDR, pilih modulasi AM dan bandwidth 12 KHz. Frekuensi suar VOR dapat dengan mudah ditemukan secara online. Pada spektrum, sinyalnya terlihat seperti ini:
Dalam hal ini sinyal suar ditransmisikan pada frekuensi 113.950 MHz. Di tengahnya Anda dapat melihat garis modulasi amplitudo yang mudah dikenali dan sinyal kode Morse (.- - ... yang artinya AMS, Amsterdam, Bandara Schiphol). Sekitar jarak 9.6 KHz dari pembawa, dua puncak terlihat mentransmisikan sinyal kedua.
Mari rekam sinyal dalam WAV (bukan MP3 - kompresi lossy akan “mematikan” seluruh struktur sinyal) dan membukanya di GNU Radio.
Penguraian kode
Langkah 1. Mari kita buka file dengan sinyal yang direkam dan terapkan filter low-pass untuk mendapatkan sinyal referensi pertama. Grafik Radio GNU ditunjukkan pada gambar.
Hasil: sinyal frekuensi rendah pada 30 Hz.
Langkah 2: memecahkan kode sinyal fase variabel. Seperti disebutkan di atas, terletak pada frekuensi 9.96 KHz, kita perlu memindahkannya ke frekuensi nol dan mengumpankannya ke demodulator FM.
Grafik Radio GNU:
Itu saja, masalah terpecahkan. Kita melihat dua sinyal, perbedaan fasanya menunjukkan sudut dari penerima ke suar VOR:
Sinyalnya cukup berisik, dan penyaringan tambahan mungkin diperlukan untuk akhirnya menghitung perbedaan fasa, tapi saya harap prinsipnya jelas. Bagi yang lupa cara menentukan perbedaan fasa, gambar dari :
Untungnya, Anda tidak perlu melakukan semua ini secara manual: sudah ada dengan Python, mendekode sinyal VOR dari file WAV. Sebenarnya studinya menginspirasi saya untuk mempelajari topik ini.
Mereka yang tertarik dapat menjalankan program di konsol dan mendapatkan sudut akhir dalam derajat dari file yang sudah direkam:
Penggemar penerbangan bahkan dapat membuat receiver portabelnya sendiri menggunakan RTL-SDR dan Raspberry Pi. Omong-omong, pada bidang “nyata”, indikator ini terlihat seperti ini:
Gambar ©
Kesimpulan
Sinyal “dari abad terakhir” seperti itu tentu menarik untuk dianalisis. Pertama, mereka cukup sederhana, DRM modern atau, terlebih lagi, GSM, tidak mungkin lagi memecahkan kode “dengan jari Anda”. Mereka terbuka untuk diterima dan tidak memiliki kunci atau kriptografi. Kedua, mungkin di masa depan mereka akan menjadi sejarah dan digantikan oleh navigasi satelit dan sistem digital yang lebih modern. Ketiga, mempelajari standar-standar tersebut memungkinkan Anda mempelajari rincian teknis dan sejarah yang menarik tentang bagaimana masalah diselesaikan dengan menggunakan sirkuit dan basis elemen lain pada abad yang lalu. Jadi pemilik receiver disarankan untuk menerima sinyal tersebut saat masih berfungsi.
Seperti biasa, selamat bereksperimen semuanya.
Sumber: www.habr.com