Oi, Habr!
Atualmente não existem muitos padrões de comunicação que, por um lado, sejam curiosos e interessantes, por outro, a sua descrição não ocupa 500 páginas em formato PDF. Um desses sinais que é fácil de decodificar é o sinal VHF Omni-direcional Radio Beacon (VOR) usado na navegação aérea.
Farol VOR (c) wikimedia.org
Primeiramente, uma pergunta aos leitores: como gerar um sinal para que a direção possa ser determinada por meio de uma antena receptora omnidirecional? A resposta está sob o corte.
Informações gerais
Sistema (VOR) é utilizado para navegação aérea desde a década de 50 do século passado e consiste em radiofaróis de alcance relativamente curto (100-200 km), operando na faixa de frequência VHF 108-117 MHz. Agora, na era dos gigahertz, o nome frequência muito alta em relação a tais frequências soa engraçado e por si só fala de era esse padrão, mas a propósito, os beacons ainda funcionam , operando na faixa de ondas médias de 400-900 kHz.
Colocar uma antena direcional em um avião é estruturalmente inconveniente, então surgiu o problema de como codificar informações sobre a direção do farol no próprio sinal. O princípio de funcionamento “nos dedos” pode ser explicado da seguinte forma. Vamos imaginar que temos um farol comum que emite um feixe estreito de luz verde, cuja lâmpada gira 1 vez por minuto. Obviamente, uma vez por minuto veremos um flash de luz, mas um desses flashes não carrega muita informação. Vamos adicionar um segundo ao farol não direcional uma lâmpada vermelha que pisca no momento em que o feixe do farol “passa” na direção norte. Porque são conhecidos o período dos flashes e as coordenadas do farol, calculando o atraso entre os flashes vermelho e verde, você pode descobrir o azimute ao norte. É simples. Resta fazer a mesma coisa, mas usando o rádio. Isso foi resolvido mudando as fases. Dois sinais são utilizados para transmissão: a fase do primeiro é constante (referência), a fase do segundo (variável) muda de forma complexa dependendo da direção da radiação - cada ângulo tem seu próprio deslocamento de fase. Assim, cada receptor receberá um sinal com seu “próprio” deslocamento de fase, proporcional ao azimute do farol. A tecnologia de “modulação espacial” é realizada usando uma antena especial (Alford Loop, veja KDPV) e uma modulação especial bastante complicada. Qual é realmente o tópico deste artigo.
Vamos imaginar que temos um farol legado comum, operando desde a década de 50, e transmitindo sinais em modulação AM comum em código Morse. Provavelmente, uma vez, o navegador realmente ouvia esses sinais em fones de ouvido e marcava as direções com uma régua e uma bússola no mapa. Queremos adicionar novas funções ao sinal, mas de forma a não “quebrar” a compatibilidade com as antigas. O assunto é familiar, nada de novo... Foi feito da seguinte forma - um tom de baixa frequência de 30 Hz foi adicionado ao sinal AM, desempenhando a função de um sinal de fase de referência, e um componente de alta frequência, codificado por frequência modulação na frequência de 9.96 KHz, transmitindo um sinal de fase variável. Selecionando dois sinais e comparando as fases, obtemos o ângulo desejado de 0 a 360 graus, que é o azimute desejado. Ao mesmo tempo, tudo isso não interferirá na escuta do farol “da maneira usual” e permanecerá compatível com receptores AM mais antigos.
Vamos passar da teoria à prática. Vamos iniciar o receptor SDR, selecionar modulação AM e largura de banda de 12 KHz. As frequências do farol VOR podem ser facilmente encontradas online. No espectro, o sinal se parece com isto:
Neste caso, o sinal do farol é transmitido na frequência de 113.950 MHz. No centro você pode ver a linha de modulação de amplitude facilmente reconhecível e os sinais de código Morse (.- - ... que significa AMS, Amsterdã, Aeroporto Schiphol). A uma distância de 9.6 KHz da portadora, dois picos são visíveis, transmitindo o segundo sinal.
Vamos gravar o sinal em WAV (não em MP3 - a compressão com perdas irá “matar” toda a estrutura do sinal) e abri-lo no GNU Radio.
Decodificação
Passo 1. Vamos abrir o arquivo com o sinal gravado e aplicar um filtro passa-baixa nele para obter o primeiro sinal de referência. O gráfico do GNU Radio é mostrado na figura.
Resultado: sinal de baixa frequência a 30 Hz.
Passo 2: decodifica o sinal de fase variável. Como mencionado acima, ele está localizado na frequência de 9.96 KHz, precisamos movê-lo para a frequência zero e alimentá-lo no demodulador FM.
Gráfico de rádio GNU:
É isso, problema resolvido. Vemos dois sinais, cuja diferença de fase indica o ângulo do receptor ao farol VOR:
O sinal é bastante barulhento e pode ser necessária filtragem adicional para finalmente calcular a diferença de fase, mas espero que o princípio esteja claro. Para quem esqueceu como é determinada a diferença de fase, uma foto de :
Felizmente, você não precisa fazer tudo isso manualmente: já existe em Python, decodificando sinais VOR de arquivos WAV. Na verdade, seu estudo me inspirou a estudar este tópico.
Os interessados podem executar o programa no console e obter o ângulo finalizado em graus a partir do arquivo já gravado:
Os fãs da aviação podem até criar seu próprio receptor portátil usando um RTL-SDR e um Raspberry Pi. A propósito, em um plano “real” este indicador se parece com isto:
Imagem ©
Conclusão
Tais sinais “do século passado” são definitivamente interessantes para análise. Em primeiro lugar, são DRM bastante simples e modernos ou, principalmente, GSM, já não é possível descodificar “nos dedos”. Eles estão abertos à aceitação e não possuem chaves ou criptografia. Em segundo lugar, talvez no futuro eles se tornem história e sejam substituídos pela navegação por satélite e por sistemas digitais mais modernos. Em terceiro lugar, estudar esses padrões permite aprender detalhes técnicos e históricos interessantes de como os problemas foram resolvidos usando outros circuitos e bases de elementos do século passado. Portanto, os proprietários de receptores podem ser aconselhados a receber esses sinais enquanto ainda estão funcionando.
Como sempre, boas experiências para todos.
Fonte: habr.com