Hei Habr!
Foreløpig er det ikke mange kommunikasjonsstandarder som på den ene siden er nysgjerrige og interessante, på den andre siden tar ikke beskrivelsen 500 sider i PDF-format. Et slikt signal som er enkelt å dekode er VHF Omni-directional Radio Beacon (VOR)-signalet som brukes i flynavigasjon.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Først et spørsmål til leserne: hvordan generere et signal slik at retningen kan bestemmes ved hjelp av en omnidireksjonell mottaksantenne? Svaret er under kuttet.
Generell informasjon
System (VOR) har blitt brukt til flynavigasjon siden 50-tallet av forrige århundre, og består av relativt kort rekkevidde radiofyr (100-200 km), som opererer i VHF-frekvensområdet 108-117 MHz. Nå, i gigahertz-tiden, høres navnet svært høy frekvens i forhold til slike frekvenser morsomt ut og snakker i seg selv om alder denne standarden, men forresten fungerer beacons fortsatt , som opererer i mellombølgeområdet 400-900 kHz.
Plassering av en retningsantenne på et fly er strukturelt upraktisk, så problemet oppsto med hvordan man kunne kode informasjon om retningen til beacon i selve signalet. Prinsippet for operasjon "på fingrene" kan forklares som følger. La oss forestille oss at vi har et vanlig fyr som sender ut en smal stråle med grønt lys, hvis lampe roterer 1 gang i minuttet. En gang i minuttet vil vi selvsagt se et lysglimt, men et slikt blits har ikke mye informasjon. La oss legge til en ny til beaconen ikke-retningsbestemt en rød lampe som blinker i det øyeblikket fyrstrålen «passerer» retningen mot nord. Fordi perioden for blinkene og koordinatene til fyret er kjent; ved å beregne forsinkelsen mellom de røde og grønne blinkene, kan du finne ut asimut mot nord. Det er enkelt. Det gjenstår å gjøre det samme, men å bruke radioen. Dette ble løst ved å endre fasene. To signaler brukes til overføring: fasen til den første er konstant (referanse), fasen til den andre (variablen) endres på en kompleks måte avhengig av strålingsretningen - hver vinkel har sin egen faseforskyvning. Dermed vil hver mottaker motta et signal med sin "egen" faseforskyvning, proporsjonal med asimut til beacon. "Spatial modulering"-teknologien utføres ved hjelp av en spesiell antenne (Alford Loop, se KDPV) og en spesiell, ganske vanskelig modulasjon. Som egentlig er temaet for denne artikkelen.
La oss forestille oss at vi har et vanlig gammelt beacon, som har fungert siden 50-tallet, og som sender signaler i vanlig AM-modulasjon i morsekode. Sannsynligvis, en gang i tiden, lyttet navigatøren faktisk til disse signalene i hodetelefoner og markerte veibeskrivelsen med linjal og kompass på kartet. Vi ønsker å legge til nye funksjoner til signalet, men på en slik måte at vi ikke "bryter" kompatibiliteten med de gamle. Emnet er kjent, ikke noe nytt... Det ble gjort som følger - en lavfrekvent 30 Hz-tone ble lagt til AM-signalet, og utførte funksjonen til et referansefasesignal, og en høyfrekvent komponent, kodet av frekvens modulasjon ved en frekvens på 9.96 KHz, sender et variabelt fasesignal. Ved å velge to signaler og sammenligne fasene får vi ønsket vinkel fra 0 til 360 grader, som er ønsket asimut. Samtidig vil ikke alt dette forstyrre å lytte til signalet "på vanlig måte" og forblir kompatibelt med eldre AM-mottakere.
La oss gå fra teori til praksis. La oss starte SDR-mottakeren, velg AM-modulasjon og 12 KHz båndbredde. VOR-beacon-frekvenser kan enkelt finnes på nettet. På spekteret ser signalet slik ut:
I dette tilfellet sendes beacon-signalet med en frekvens på 113.950 MHz. I midten kan du se den lett gjenkjennelige amplitudemodulasjonslinjen og morsekodesignaler (.- - ... som betyr AMS, Amsterdam, Schiphol flyplass). Rundt i en avstand på 9.6 KHz fra bæreren er to topper synlige som sender det andre signalet.
La oss ta opp signalet i WAV (ikke MP3 - tapskomprimering vil "drepe" hele strukturen til signalet) og åpne det i GNU Radio.
Dekoding
Trinn 1. La oss åpne filen med det registrerte signalet og bruke et lavpassfilter for å få det første referansesignalet. GNU Radio-grafen er vist i figuren.
Resultat: lavfrekvent signal ved 30 Hz.
Trinn 2: dekode det variable fasesignalet. Som nevnt ovenfor er den plassert ved en frekvens på 9.96 KHz, vi må flytte den til nullfrekvensen og mate den til FM-demodulatoren.
GNU-radiograf:
Det er det, problemet løst. Vi ser to signaler, hvis faseforskjell indikerer vinkelen fra mottakeren til VOR-signalet:
Signalet er ganske støyende, og ytterligere filtrering kan være nødvendig for å endelig beregne faseforskjellen, men jeg håper prinsippet er klart. For de som har glemt hvordan faseforskjellen bestemmes, et bilde fra :
Heldigvis trenger du ikke å gjøre alt dette manuelt: det er det allerede i Python, dekoder VOR-signaler fra WAV-filer. Studien hans inspirerte meg faktisk til å studere dette emnet.
De som er interessert kan kjøre programmet i konsollen og få den ferdige vinkelen i grader fra den allerede innspilte filen:
Luftfartsfans kan til og med lage sin egen bærbare mottaker ved å bruke en RTL-SDR og en Raspberry Pi. Forresten, på et "ekte" fly ser denne indikatoren omtrent slik ut:
Bilde ©
Konklusjon
Slike signaler "fra forrige århundre" er definitivt interessante for analyse. For det første er de ganske enkle, moderne DRM eller, spesielt, GSM, det er ikke lenger mulig å dekode "på fingrene". De er åpne for aksept og har ingen nøkler eller kryptografi. For det andre vil de kanskje i fremtiden bli historie og erstattes av satellittnavigasjon og mer moderne digitale systemer. For det tredje, ved å studere slike standarder kan du lære interessante tekniske og historiske detaljer om hvordan problemer ble løst ved å bruke andre kretser og elementbase fra forrige århundre. Så mottakereiere kan rådes til å motta slike signaler mens de fortsatt jobber.
Som vanlig, glade eksperimenter alle sammen.
Kilde: www.habr.com