Hej Habra!
Obecnie nie ma wielu standardów komunikacji, które z jednej strony są ciekawe i ciekawe, z drugiej zaś ich opis nie zajmuje 500 stron w formacie PDF. Jednym z takich sygnałów, który jest łatwy do zdekodowania, jest wielokierunkowy sygnał radiolatarni VHF (VOR) używany w nawigacji lotniczej.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Na początek pytanie do czytelników: jak wygenerować sygnał, aby można było określić kierunek za pomocą dookólnej anteny odbiorczej? Odpowiedź znajduje się pod nacięciem.
Informacje ogólne
System (VOR) stosowany jest w nawigacji lotniczej od lat 50-tych ubiegłego wieku i składa się z radiolatarni stosunkowo krótkiego zasięgu (100-200 km), pracujących w zakresie częstotliwości VHF 108-117 MHz. Teraz, w dobie gigaherców, nazwa bardzo wysoka częstotliwość w stosunku do takich częstotliwości brzmi zabawnie i sama w sobie mówi wiek ten standard, ale swoją drogą beacony nadal działają , pracujący w zakresie fal średnich 400-900 kHz.
Umieszczenie anteny kierunkowej na samolocie jest konstrukcyjnie niewygodne, dlatego pojawił się problem zakodowania w samym sygnale informacji o kierunku do latarni. Zasadę działania „na palcach” można wyjaśnić w następujący sposób. Wyobraźmy sobie, że mamy zwykłą latarnię morską, która wysyła wąską wiązkę zielonego światła, której lampa obraca się 1 raz na minutę. Oczywiście raz na minutę zobaczymy błysk światła, ale jeden taki błysk nie niesie ze sobą zbyt wielu informacji. Dodajmy drugi do sygnalizatora bezkierunkowe czerwona lampa, która miga w momencie, gdy promień latarni morskiej „przechodzi” w kierunku północnym. Ponieważ znany jest okres błysków i współrzędne latarni, obliczając opóźnienie między czerwonymi i zielonymi błyskami, możesz poznać azymut na północ. To proste. Pozostaje zrobić to samo, ale za pomocą radia. Problem rozwiązano poprzez zmianę faz. Do transmisji wykorzystywane są dwa sygnały: faza pierwszego jest stała (odniesienie), faza drugiego (zmienna) zmienia się w sposób złożony w zależności od kierunku promieniowania – każdy kąt ma swoje przesunięcie fazowe. W ten sposób każdy odbiornik otrzyma sygnał z „własnym” przesunięciem fazowym, proporcjonalnym do azymutu latarni. Technologia „modulacji przestrzennej” realizowana jest przy użyciu specjalnej anteny (Alford Loop, patrz KDPV) i specjalnej, dość skomplikowanej modulacji. Co właściwie jest tematem tego artykułu.
Wyobraźmy sobie, że mamy zwykłą starą latarnię morską, działającą od lat 50. XX wieku i nadającą sygnały w zwykłej modulacji AM w kodzie Morse'a. Prawdopodobnie kiedyś nawigator rzeczywiście słuchał tych sygnałów w słuchawkach i zaznaczał kierunki za pomocą linijki i kompasu na mapie. Chcemy dodać do sygnału nowe funkcje, ale w taki sposób, aby nie „zepsuć” kompatybilności ze starymi. Temat znany, nic nowego... Zrobiono to w następujący sposób - do sygnału AM dodano ton o niskiej częstotliwości 30 Hz, pełniący funkcję sygnału fazy odniesienia, oraz składową wysokiej częstotliwości, kodowaną częstotliwościowo modulacja na częstotliwości 9.96 kHz, przesyłająca sygnał o zmiennej fazie. Wybierając dwa sygnały i porównując fazy, uzyskujemy pożądany kąt od 0 do 360 stopni, czyli pożądany azymut. Jednocześnie wszystko to nie będzie przeszkadzało w słuchaniu beacona „w zwykły sposób” i pozostanie kompatybilne ze starszymi odbiornikami AM.
Przejdźmy od teorii do praktyki. Uruchommy odbiornik SDR, wybierzmy modulację AM i pasmo 12 kHz. Częstotliwości radiolatarni VOR można łatwo znaleźć w Internecie. Na widmie sygnał wygląda następująco:
W tym przypadku sygnał ostrzegawczy nadawany jest na częstotliwości 113.950 MHz. W centrum widać łatwo rozpoznawalną linię modulacji amplitudy i sygnały alfabetu Morse'a (.- - ... co oznacza AMS, Amsterdam, lotnisko Schiphol). Mniej więcej w odległości 9.6 kHz od nośnej widoczne są dwa piki transmitujące drugi sygnał.
Nagrajmy sygnał w formacie WAV (nie MP3 – kompresja stratna „zabije” całą strukturę sygnału) i otwórzmy go w GNU Radio.
Rozszyfrowanie
Krok 1. Otwórzmy plik z zarejestrowanym sygnałem i zastosujmy do niego filtr dolnoprzepustowy, aby uzyskać pierwszy sygnał odniesienia. Wykres GNU Radio pokazano na rysunku.
Wynik: sygnał o niskiej częstotliwości przy 30 Hz.
Krok 2: dekodowanie sygnału o zmiennej fazie. Jak wspomniano powyżej, znajduje się on na częstotliwości 9.96 kHz, musimy go przesunąć do częstotliwości zerowej i zasilić demodulator FM.
Wykres radia GNU:
To wszystko, problem rozwiązany. Widzimy dwa sygnały, których różnica faz wskazuje kąt od odbiornika do latarni VOR:
Sygnał jest dość zaszumiony i do ostatecznego obliczenia różnicy faz może być konieczne dodatkowe filtrowanie, ale mam nadzieję, że zasada jest jasna. Dla tych, którzy zapomnieli, jak określa się różnicę faz, zdjęcie z :
Na szczęście nie musisz robić tego wszystkiego ręcznie: istnieje już taka możliwość w Pythonie dekodowanie sygnałów VOR z plików WAV. Właściwie to jego badania zainspirowały mnie do przestudiowania tego tematu.
Zainteresowani mogą uruchomić program w konsoli i uzyskać gotowy kąt w stopniach z już nagranego pliku:
Fani lotnictwa mogą nawet stworzyć własny przenośny odbiornik, korzystając z RTL-SDR i Raspberry Pi. Nawiasem mówiąc, na „prawdziwym” samolocie wskaźnik ten wygląda mniej więcej tak:
Zdjęcie ©
wniosek
Takie sygnały „z ubiegłego stulecia” z pewnością są interesujące do analizy. Po pierwsze, są to dość proste, nowoczesne DRM, a zwłaszcza GSM, których nie da się już rozszyfrować „na palcach”. Są otwarte na akceptację i nie mają kluczy ani kryptografii. Po drugie, być może w przyszłości przejdą one do historii i zostaną zastąpione nawigacją satelitarną i nowocześniejszymi systemami cyfrowymi. Po trzecie, studiowanie takich standardów pozwala poznać interesujące szczegóły techniczne i historyczne dotyczące rozwiązywania problemów przy użyciu innych obwodów i podstaw elementów z ubiegłego wieku. Właścicielom odbiorników można zatem doradzić, aby odbierali takie sygnały w trakcie pracy.
Jak zwykle życzę wszystkim udanych eksperymentów.
Źródło: www.habr.com