Čau Habr!
Pašlaik nav daudz komunikācijas standartu, kas, no vienas puses, ir kuriozi un interesanti, no otras puses, to apraksts neaizņem 500 lapas PDF formātā. Viens no šādiem signāliem, ko ir viegli atšifrēt, ir VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR) signāls, ko izmanto aeronavigācijā.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Pirmkārt, jautājums lasītājiem: kā ģenerēt signālu, lai virzienu varētu noteikt, izmantojot daudzvirzienu uztveršanas antenu? Atbilde ir zem griezuma.
Vispārēja informācija
Sistēma (VOR) aeronavigācijai tiek izmantots kopš pagājušā gadsimta 50. gadiem un sastāv no salīdzinoši neliela darbības rādiusa radiobākugunīm (100-200 km), kas darbojas VHF frekvenču diapazonā 108-117 MHz. Tagad, gigahercu laikmetā, nosaukums ļoti augsta frekvence attiecībā pret šādām frekvencēm izklausās smieklīgi un pats par sevi runā par vecums šis standarts, bet, starp citu, bākas joprojām darbojas , kas darbojas vidējo viļņu diapazonā 400-900 kHz.
Virziena antenas novietošana lidmašīnā ir strukturāli neērta, tāpēc radās problēma, kā pašā signālā iekodēt informāciju par virzienu uz bāku. Darbības principu “uz pirkstiem” var izskaidrot šādi. Iedomāsimies, ka mums ir parasta bākugunis, kas raida šauru zaļas gaismas staru, kura lampiņa griežas 1 reizi minūtē. Acīmredzot reizi minūtē mēs redzēsim gaismas uzplaiksnījumu, bet viens šāds uzplaiksnījums nenes daudz informācijas. Pievienosim bākai otru bez virziena sarkana lampiņa, kas mirgo brīdī, kad bākas stars “pāriet” virzienam uz ziemeļiem. Jo ir zināms mirgošanas periods un bākas koordinātas, aprēķinot aizkavi starp sarkano un zaļo mirgošanu, var uzzināt azimutu uz ziemeļiem. Tas ir vienkārši. Atliek darīt to pašu, bet izmantojot radio. Tas tika atrisināts, mainot fāzes. Pārraidīšanai tiek izmantoti divi signāli: pirmā fāze ir nemainīga (atsauce), otrā (mainīgā) fāze mainās sarežģīti atkarībā no starojuma virziena - katram leņķim ir sava fāzes nobīde. Tādējādi katrs uztvērējs saņems signālu ar “savu” fāzes nobīdi, kas ir proporcionāla bākas azimutam. “Telpiskās modulācijas” tehnoloģija tiek veikta, izmantojot īpašu antenu (Alford Loop, sk. KDPV) un īpašu, diezgan viltīgu modulāciju. Kas patiesībā ir šī raksta tēma.
Iedomāsimies, ka mums ir parasta mantota bāka, kas darbojas kopš 50. gadiem un pārraida signālus parastā AM modulācijā Morzes ābecē. Iespējams, kādreiz navigators šos signālus tiešām klausījās austiņās un ar lineālu un kompasu kartē iezīmēja norādes. Signālam vēlamies pievienot jaunas funkcijas, bet tā, lai “nepārkāptu” saderība ar vecajām. Tēma pazīstama, nekas jauns... Darīja šādi - AM signālam tika pievienots zemfrekvences 30 Hz tonis, kas pilda atsauces fāzes signāla funkciju un augstfrekvences komponents, ko kodēja pēc frekvences modulācija ar frekvenci 9.96 KHz, pārraidot mainīgas fāzes signālu. Izvēloties divus signālus un salīdzinot fāzes, iegūstam vēlamo leņķi no 0 līdz 360 grādiem, kas ir vēlamais azimuts. Tajā pašā laikā tas viss netraucēs klausīties bākugunis “parastajā veidā” un joprojām ir savietojams ar vecākiem AM uztvērējiem.
Pāriesim no teorijas uz praksi. Iedarbināsim SDR uztvērēju, atlasiet AM modulāciju un 12 KHz joslas platumu. VOR bākas frekvences var viegli atrast tiešsaistē. Spektrā signāls izskatās šādi:
Šajā gadījumā bākas signāls tiek pārraidīts ar frekvenci 113.950 MHz. Centrā redzama viegli atpazīstama amplitūdas modulācijas līnija un Morzes koda signāli (.- - ... kas nozīmē AMS, Amsterdama, Šipholas lidosta). Aptuveni 9.6 KHz attālumā no nesēja ir redzami divi maksimumi, kas pārraida otro signālu.
Ierakstīsim signālu WAV formātā (nevis MP3 — zudumu saspiešana “nogalinās” visu signāla struktūru) un atver to GNU Radio.
Dekodēšana
Solis 1. Atvērsim failu ar ierakstīto signālu un pielietosim tam zemas caurlaidības filtru, lai iegūtu pirmo atsauces signālu. GNU Radio diagramma ir parādīta attēlā.
Rezultāts: zemas frekvences signāls pie 30 Hz.
Solis 2: atšifrējiet mainīgās fāzes signālu. Kā minēts iepriekš, tas atrodas 9.96 KHz frekvencē, mums tas jāpārvieto uz nulles frekvenci un jāpavada FM demodulatoram.
GNU radio diagramma:
Tas arī viss, problēma atrisināta. Mēs redzam divus signālus, kuru fāzes starpība norāda leņķi no uztvērēja līdz VOR bākai:
Signāls ir diezgan trokšņains, un var būt nepieciešama papildu filtrēšana, lai beidzot aprēķinātu fāzes starpību, bet es ceru, ka princips ir skaidrs. Tiem, kas aizmirsuši, kā tiek noteikta fāžu starpība, bilde no :
Par laimi, jums tas viss nav jādara manuāli: tas jau ir programmā Python, atšifrējot VOR signālus no WAV failiem. Patiesībā viņa pētījums mani iedvesmoja izpētīt šo tēmu.
Interesenti var palaist programmu konsolē un iegūt gatavo leņķi grādos no jau ierakstītā faila:
Aviācijas fani pat var izveidot savu portatīvo uztvērēju, izmantojot RTL-SDR un Raspberry Pi. Starp citu, “īstā” plaknē šis indikators izskatās apmēram šādi:
Attēls ©
Secinājums
Šādi signāli “no pagājušā gadsimta” noteikti ir interesanti analīzei. Pirmkārt, tie ir diezgan vienkārši, mūsdienīgi DRM vai, jo īpaši, GSM, vairs nav iespējams atšifrēt “uz pirkstiem”. Tie ir atvērti pieņemšanai, un tiem nav atslēgu vai kriptogrāfijas. Otrkārt, iespējams, nākotnē tie kļūs par vēsturi un tos nomainīs satelītnavigācija un modernākas digitālās sistēmas. Treškārt, šādu standartu izpēte ļauj uzzināt interesantas tehniskas un vēsturiskas detaļas par to, kā problēmas tika atrisinātas, izmantojot citas pagājušā gadsimta shēmas un elementu bāzi. Tāpēc uztvērēju īpašniekiem var ieteikt saņemt šādus signālus, kamēr tie joprojām darbojas.
Kā parasti, priecīgus eksperimentus visiem.
Avots: www.habr.com