Ciao, Habr!
Attualmente ci sono pochi standard di comunicazione che, da un lato, sono curiosi e interessanti, e dall'altro, la cui descrizione non occupa 500 pagine in formato PDF. Uno di questi, facile da decodificare, è il segnale VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR), utilizzato nell'aeronautica.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Per cominciare, una domanda per i lettori: come formare un segnale in modo che si possa determinare la direzione verso il beacon con un'antenna ricevente non direzionale? La risposta dopo il salto.
Informazioni generali
Sistema (VOR) è utilizzato per l'aeronautica fin dagli anni '50 del secolo scorso e consiste in radiomarkers di portata relativamente ridotta (100-200 km) che operano nella gamma di frequenze VHF da 108 a 117 MHz. Oggi, nell'epoca dei gigaherzi, il termine very high frequency riferito a tali frequenze suona divertente e parla già da solo dell' età di questo standard, ma a proposito, i beacon , funzionano nella gamma delle onde medie da 400 a 900 kHz.
Posizionare un'antenna direzionale su un aereo è costruttivamente scomodo, quindi si è presentata la necessità di codificare nel segnale stesso le informazioni sulla direzione del beacon. Il principio di funzionamento, in parole semplici, può essere spiegato come segue. Immaginiamo di avere un beacon normale che emette un fascio stretto di luce verde, la cui lampada ruota una volta al minuto. È evidente che una volta al minuto vedremo un lampo di luce, ma un singolo lampo non porta molte informazioni. Aggiungiamo al beacon un secondo non direzionale una lampada di colore rosso, che si accende nel momento in cui il raggio del faro "attraversa" la direzione a nord. Poiché il periodo delle accensioni e le coordinate del faro sono noti, calcolando il ritardo tra i lampeggi rossi e verdi, è possibile determinare l'azimut verso nord. È tutto abbastanza semplice. Resta da fare lo stesso, ma con l'ausilio della radio. Questo è stato risolto modificando le fasi. Per la trasmissione vengono utilizzati due segnali: la fase del primo è costante (reference), la fase del secondo (variable) cambia in modo complesso a seconda della direzione di emissione — ogni angolo corrisponde a un proprio spostamento di fase. Così, ogni ricevitore riceverà un segnale con il "proprio" spostamento di fase, proporzionale all'azimut verso il faro. La tecnologia della "modulazione spaziale" è realizzata utilizzando un'antenna speciale (Alford Loop, vedi KDPV) e una particolare modulazione piuttosto astuta. Questa è, in effetti, il tema di questo articolo.
Immaginiamo di avere un faro legacy comune, in funzione dagli anni '50, che trasmette segnali in modulazione AM con il codice Morse. Probabilmente, tanto tempo fa, il navigatore ascoltava effettivamente questi segnali nelle cuffie e segnava le direzioni con un righello e un compasso sulla mappa. Vogliamo aggiungere nuove funzionalità al segnale, ma senza "rompere" la compatibilità con i vecchi dispositivi. È un tema noto, nulla di nuovo... È stato fatto nel seguente modo: al segnale AM è stato aggiunto un tono a bassa frequenza di 30 Hz, che funge da segnale di fase di riferimento, e una componente ad alta frequenza, codificata in modulazione di frequenza a 9,96 kHz, che trasmette il segnale di fase variabile. Separando i due segnali e confrontando le fasi, otteniamo l'angolo desiderato da 0 a 360 gradi, che rappresenta l'azimut necessario. Inoltre, tutto ciò non impedirà di ascoltare il faro "nel modo tradizionale" e resta compatibile con i vecchi ricevitori AM.
Passiamo dalla teoria alla pratica. Accendiamo un ricevitore SDR, selezioniamo la modulazione AM e una larghezza di banda di 12 kHz. Le frequenze dei fari VOR possono essere facilmente trovate online. Nel diagramma di spettro, il segnale appare nel modo seguente:
In questo caso, il segnale del faro viene trasmesso alla frequenza di 113.950 MHz. Al centro si vede chiaramente una linea di modulazione di ampiezza e segnali in codice Morse (.- — … che significa AMS, Amsterdam, aeroporto di Schiphol). Intorno, a una distanza di 9,6 kHz dalla portante, si possono osservare due picchi che trasmettono il secondo segnale.
Registriamo il segnale in WAV (non MP3 — la compressione con perdita "ucciderà" tutta la struttura del segnale) e lo apriamo in GNU Radio.
Decodifica
Passo 1. Apriamo il file con il segnale registrato e applichiamo un filtro passa basso per ottenere il primo segnale di riferimento. Il grafico di GNU Radio è mostrato nella figura.
Risultato: segnale a bassa frequenza con frequenza di 30 Hz.
Passo 2: decodifichiamo il segnale a fase variabile. Come detto in precedenza, è posizionato a 9,96 kHz, dobbiamo spostarlo alla frequenza zero e fornirlo a un demodulatore FM.
Grafico di GNU Radio:
Tutto qui, problema risolto. Vediamo due segnali, la differenza di fase dei quali indica l'angolo dall'antenna al faro VOR:
Il segnale è abbastanza rumoroso e potrebbe essere necessaria una filtrazione aggiuntiva per il calcolo finale della differenza di fase, ma il principio, spero, è chiaro. Per coloro che hanno dimenticato come si determina la differenza di fase, un'immagine da :
Fortunatamente, non è tutto da fare manualmente: esiste già un in Python, che decodifica i segnali VOR da file WAV. In effetti, il suo studio mi ha ispirato a esplorare questo argomento.
Coloro che desiderano possono eseguire il programma nella console e ottenere l'angolo pronto in gradi da un file già registrato:
Gli appassionati di aviazione possono persino costruirsi un ricevitore portatile con RTL-SDR e Raspberry Pi. A proposito, su un aereo "reale" questo indicatore appare all'incirca così:
Immagine ©
Conclusione
Tali segnali "del secolo scorso" sono sicuramente interessanti da analizzare. In primo luogo, sono abbastanza semplici; il moderno DRM o anche il GSM non possono più essere decodificati con queste semplici tecniche. Sono aperti alla ricezione, non contengono chiavi e crittografia. In secondo luogo, è possibile che in futuro escano dalla storia e vengano sostituiti dalla navigazione satellitare e sistemi digitali più moderni. In terzo luogo, studiare tali standard permette di conoscere interessanti dettagli tecnici e storici su come le sfide sono state affrontate con circuiti e componenti del secolo scorso. Quindi, ai proprietari di ricevitori consiglio di ricevere tali segnali finché funzionano.
Come al solito, auguro a tutti esperimenti fruttuosi.
Fonte: habr.com
