Này Habr!
Hiện tại, không có nhiều tiêu chuẩn truyền thông một mặt gây tò mò và thú vị, mặt khác mô tả của chúng không dài 500 trang ở định dạng PDF. Một trong những tín hiệu dễ giải mã là tín hiệu Vô tuyến định hướng VHF (VOR) được sử dụng trong điều hướng hàng không.
Đèn hiệu VOR (c) wikimedia.org
Đầu tiên, một câu hỏi dành cho độc giả: làm thế nào để tạo ra tín hiệu để có thể xác định hướng bằng cách sử dụng ăng-ten thu đa hướng? Câu trả lời nằm ở phần cắt.
Thông tin chung
Hệ thống (VOR) đã được sử dụng để dẫn đường hàng không từ những năm 50 của thế kỷ trước và bao gồm các đèn hiệu vô tuyến tầm ngắn (100-200 km), hoạt động ở dải tần VHF 108-117 MHz. Ngày nay, trong kỷ nguyên gigahertz, cái tên tần số rất cao liên quan đến những tần số như vậy nghe có vẻ buồn cười và bản thân nó đã nói lên điều đó. tuổi tiêu chuẩn này, nhưng nhân tiện, đèn hiệu vẫn hoạt động , hoạt động ở dải sóng trung 400-900 kHz.
Việc đặt ăng-ten định hướng trên máy bay là bất tiện về mặt cấu trúc, do đó vấn đề nảy sinh là làm thế nào để mã hóa thông tin về hướng của đèn hiệu trong chính tín hiệu. Nguyên lý hoạt động “trên ngón tay” có thể được giải thích như sau. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có một đèn hiệu thông thường phát ra một chùm ánh sáng xanh hẹp, đèn này quay 1 lần mỗi phút. Rõ ràng, cứ mỗi phút chúng ta sẽ thấy một tia sáng, nhưng một tia sáng như vậy không mang nhiều thông tin. Hãy thêm cái thứ hai vào đèn hiệu không định hướng một ngọn đèn đỏ nhấp nháy vào lúc chùm hải đăng “đi qua” hướng về phía bắc. Bởi vì Đã biết chu kỳ của các tia sáng và tọa độ của đèn hiệu, bằng cách tính toán độ trễ giữa các tia sáng màu đỏ và màu xanh lá cây, bạn có thể tìm ra góc phương vị về phía bắc. Nó đơn giản. Vẫn phải làm điều tương tự, nhưng sử dụng radio. Điều này đã được giải quyết bằng cách thay đổi các giai đoạn. Hai tín hiệu được sử dụng để truyền: pha của tín hiệu thứ nhất không đổi (tham chiếu), pha của tín hiệu thứ hai (có thể thay đổi) thay đổi một cách phức tạp tùy thuộc vào hướng của bức xạ - mỗi góc có sự dịch pha riêng. Do đó, mỗi máy thu sẽ nhận được một tín hiệu có độ lệch pha “riêng”, tỷ lệ với góc phương vị của đèn hiệu. Công nghệ “điều chế không gian” được thực hiện bằng cách sử dụng một ăng-ten đặc biệt (Alford Loop, xem KDPV) và một phương pháp điều chế đặc biệt, khá phức tạp. Đó thực sự là chủ đề của bài viết này.
Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có một đèn hiệu kế thừa thông thường, hoạt động từ những năm 50 và truyền tín hiệu ở dạng điều chế AM thông thường bằng mã Morse. Có lẽ, ngày xưa, người hoa tiêu đã thực sự lắng nghe những tín hiệu này bằng tai nghe và đánh dấu chỉ đường bằng thước kẻ và la bàn trên bản đồ. Chúng tôi muốn thêm các chức năng mới vào tín hiệu, nhưng theo cách không làm “phá vỡ” khả năng tương thích với các chức năng cũ. Chủ đề này quen thuộc, không có gì mới... Nó được thực hiện như sau - một âm 30 Hz tần số thấp được thêm vào tín hiệu AM, thực hiện chức năng của tín hiệu pha tham chiếu và thành phần tần số cao, được mã hóa theo tần số điều chế ở tần số 9.96 KHz, truyền tín hiệu pha thay đổi. Bằng cách chọn hai tín hiệu và so sánh các pha, chúng ta thu được góc mong muốn từ 0 đến 360 độ, đây là góc phương vị mong muốn. Đồng thời, tất cả điều này sẽ không cản trở việc nghe đèn hiệu “theo cách thông thường” và vẫn tương thích với các máy thu AM cũ hơn.
Hãy chuyển từ lý thuyết sang thực hành. Hãy khởi chạy bộ thu SDR, chọn điều chế AM và băng thông 12 KHz. Tần số đèn hiệu VOR có thể dễ dàng tìm thấy trực tuyến. Trên quang phổ, tín hiệu trông như thế này:
Trong trường hợp này, tín hiệu đèn hiệu được truyền ở tần số 113.950 MHz. Ở trung tâm, bạn có thể thấy đường điều chế biên độ và tín hiệu mã Morse dễ nhận biết (.- - ... có nghĩa là AMS, Amsterdam, Sân bay Schiphol). Ở khoảng cách 9.6 KHz tính từ sóng mang, có thể nhìn thấy hai đỉnh đang truyền tín hiệu thứ hai.
Hãy ghi lại tín hiệu ở định dạng WAV (không phải MP3 - nén mất dữ liệu sẽ “giết chết” toàn bộ cấu trúc của tín hiệu) và mở nó trong GNU Radio.
Giải mã
Bước 1. Hãy mở tệp có tín hiệu đã ghi và áp dụng bộ lọc thông thấp cho tệp đó để có được tín hiệu tham chiếu đầu tiên. Biểu đồ GNU Radio được hiển thị trong hình.
Kết quả: tín hiệu tần số thấp ở 30 Hz.
Bước 2: giải mã tín hiệu pha thay đổi. Như đã đề cập ở trên, nó nằm ở tần số 9.96 KHz, chúng ta cần chuyển nó về tần số XNUMX và đưa nó vào bộ giải điều chế FM.
Biểu đồ đài phát thanh GNU:
Thế là xong, vấn đề đã được giải quyết. Chúng ta thấy hai tín hiệu, độ lệch pha của tín hiệu này biểu thị góc từ máy thu đến đèn hiệu VOR:
Tín hiệu khá nhiễu và có thể cần phải lọc bổ sung để cuối cùng tính toán độ lệch pha, nhưng tôi hy vọng nguyên tắc này rõ ràng. Đối với những người đã quên cách xác định độ lệch pha, một hình ảnh từ :
May mắn thay, bạn không phải thực hiện tất cả điều này một cách thủ công: đã có sẵn trong Python, giải mã tín hiệu VOR từ các tệp WAV. Thực ra, nghiên cứu của anh ấy đã truyền cảm hứng cho tôi nghiên cứu chủ đề này.
Những người quan tâm có thể chạy chương trình trong bảng điều khiển và nhận góc hoàn thiện theo độ từ tệp đã ghi:
Những người hâm mộ hàng không thậm chí có thể tự tạo bộ thu di động bằng RTL-SDR và Raspberry Pi. Nhân tiện, trên mặt phẳng “thực”, chỉ báo này trông giống như thế này:
Hình ảnh ©
Kết luận
Những tín hiệu “từ thế kỷ trước” như vậy chắc chắn rất thú vị để phân tích. Thứ nhất, chúng là những DRM khá đơn giản, hiện đại hay đặc biệt là GSM, không thể giải mã “trên ngón tay” được nữa. Chúng sẵn sàng được chấp nhận và không có chìa khóa hoặc mật mã. Thứ hai, có lẽ trong tương lai chúng sẽ trở thành lịch sử và được thay thế bằng định vị vệ tinh và các hệ thống kỹ thuật số hiện đại hơn. Thứ ba, nghiên cứu các tiêu chuẩn như vậy cho phép bạn tìm hiểu các chi tiết lịch sử và kỹ thuật thú vị về cách giải quyết các vấn đề bằng cách sử dụng cơ sở mạch và phần tử khác của thế kỷ trước. Vì vậy, chủ sở hữu máy thu có thể được khuyên nên nhận những tín hiệu như vậy khi chúng vẫn đang hoạt động.
Như thường lệ, chúc mọi người thử nghiệm vui vẻ.
Nguồn: www.habr.com