Hallo, Habr!
Momenteel zijn er niet veel communicatiestandaarden die enerzijds interessant en nieuwsgierig zijn, en anderzijds niet 500 pagina's aan PDF-beschrijvingen bevatten. Een van deze, gemakkelijk te decoderen, is het VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR) signaal, dat wordt gebruikt in de luchtvaartnavigatie.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Laten we eerst de lezer een vraag stellen: hoe kan het signaal zo worden gevormd dat we met een niet-gericht ontvangstantenne de richting kunnen bepalen? Het antwoord staat verderop.
Algemene informatie
Systeem (VOR) wordt sinds de jaren '50 van de vorige eeuw gebruikt voor luchtvaartnavigatie en bestaat uit radiobakens met relatieve korte afstanden (100-200 km), werkend in het frequentiebereik UHF 108-117 MHz. Tegenwoordig, in het tijdperk van gigahertz, klinkt de naam very high frequency voor deze frequenties enigszins grappig en zegt het op zich al iets over de leeftijd van deze standaard, maar trouwens, er werken nog steeds bakens , die in het frequentiebereik van middengolven van 400-900 kHz werken.
Het plaatsen van een gerichte antenne op een vliegtuig is constructief ongemakkelijk, daarom is de vraag ontstaan hoe informatie over de richting naar het baken in het signaal zelf kan worden gecodeerd. Het werkingsprincipe kan 'in het kort' als volgt worden uitgelegd. Stel je voor dat we een gewone baken hebben die een smalle straal groen licht uitzendt, waarvan de lamp elke minuut draait. Het is duidelijk dat we eenmaal per minuut een flits van licht zullen zien, maar zo'n flits bevat niet veel informatie. Laten we aan de baken een tweede niet-gerichte Een rode lamp die oplicht op het moment dat de lichtstraal van de lantaarn de noordelijke richting ‘doorkruist’. Aangezien de periode van de flitsen en de coördinaten van de lantaarn bekend zijn, kan door de vertraging tussen de rode en groene flitsen de azimut naar het noorden worden berekend. Heel eenvoudig. Het enige wat nog resteert, is hetzelfde te doen, maar dan met behulp van radio. Dit werd opgelost door het wijzigen van de fasen. Voor de transmissie worden twee signalen gebruikt: de fase van de eerste is constant (reference), de fase van de tweede (variable) verandert op een complexe manier afhankelijk van de stralingsrichting - elke hoek heeft zijn eigen fasenshift. Op deze manier zal elke ontvanger het signaal ontvangen met ‘zijn’ fasenshift, proportioneel aan de azimut naar de lantaarn. De technologie van 'ruimtelijke modulatie' wordt gerealiseerd met een speciale antenne (Alford Loop, zie KDPV) en een bijzondere, vrij ingewikkelde modulatie. Dit is dan ook het onderwerp van dit artikel.
Stel je voor dat we een gewone legacy-lantaarn hebben, die al sinds de jaren 50 werkt en signalen in gewone AM-modulatie in Morsecode verzendt. Waarschijnlijk luisterde de navigator vroeger echt naar deze signalen in een hoofdtelefoon en markeerde hij richtingen met een liniaal en passer op de kaart. We willen nieuwe functies aan het signaal toevoegen, maar zo dat we de compatibiliteit met de oude niet schaden. Dit is een bekend thema; er is niets nieuws… Het werd als volgt gedaan – er werd een laagfrequente toon van 30 Hz aan het AM-signaal toegevoegd, die de functie van het reference-phase signaal vervult, en een hoogfrequente component, die met frequentiemodulatie op een frequentie van 9.96 kHz is gecodeerd en het variable phase signaal overdraagt. Door de twee signalen te isoleren en de fasen te vergelijken, krijgen we de gewenste hoek van 0 tot 360 graden, die de benodigde azimut is. Dit alles verstoort echter het luisteren naar de lantaarn ‘op de gebruikelijke manier’ en blijft compatibel met oude AM-ontvangers.
Laten we van theorie naar praktijk overstappen. We starten de SDR-ontvanger, kiezen AM-modulatie en een bandbreedte van 12 kHz. De frequenties van VOR-lantaarns zijn gemakkelijk op internet te vinden. Op het spectrum ziet het signaal er als volgt uit:
In dit geval wordt het signaal van de lantaarn verzonden op een frequentie van 113.950 MHz. In het midden is een gemakkelijk herkenbare lijn van amplitude-modulatie te zien, samen met signalen in Morsecode (.- — … wat staat voor AMS, Amsterdam, luchthaven Schiphol). Rondom, op een afstand van 9.6 kHz van de draagfrequentie, zijn er twee pieken zichtbaar die het tweede signaal verzenden.
We will record the signal in WAV (not MP3 — compression with losses will 'kill' the entire signal structure) and open it in GNU Radio.
Decoderen
Stap 1. We will open the file with the recorded signal and apply a low-pass filter to obtain the first reference signal. The GNU Radio graph is shown in the figure.
Result: a low-frequency signal with a frequency of 30 Hz.
Stap 2: decoding the variable phase signal. As mentioned earlier, it is located at a frequency of 9.96 kHz; we need to shift it to zero frequency and feed it into the FM demodulator.
GNU Radio graph:
All right, the task is solved. We see two signals, the phase difference of which indicates the angle from the receiver to the VOR beacon:
The signal is quite noisy, and additional filtering may be required for the final calculation of the phase difference, but I hope the principle is clear. For those who forgot how the phase difference is determined, here is a picture from :
Fortunately, all this does not have to be done manually: there is already a in Python that decodes VOR signals from WAV files. In fact, its study inspired me to explore this topic.
Those interested can run the program in the console and get the resulting angle in degrees from the already recorded file:
Aviation enthusiasts can even make themselves a portable receiver out of an RTL-SDR and a Raspberry Pi. By the way, on a 'real' airplane, this indicator looks something like this:
Image ©
Conclusie
Such 'signals from the last century' are definitely interesting for analysis. First, they are quite simple; modern DRM or even GSM cannot be decoded so easily. They are open for reception, with no keys or cryptography involved. Second, perhaps in the future they will fade into history, replaced by satellite navigation and more modern digital systems. Third, studying such standards allows one to learn interesting technical and historical details about how tasks were solved with different circuitry and component bases from the last century. So, receiver owners are advised to receive such signals while they still work.
Zoals gewoonlijk, veel succes met de experimenten.
Bron: habr.com
