Derzeit gibt es nicht so viele Kommunikationsstandards, die einerseits neugierig und interessant sind, andererseits dauert ihre Beschreibung nicht 500 Seiten im PDF-Format. Eines davon, das leicht zu dekodieren ist, ist das in der Flugnavigation verwendete VHF-Signal (Omni-Directional Radio Beacon, VOR).
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Zunächst eine Frage an die Leser: Wie kann ein Signal erzeugt werden, damit mithilfe einer omnidirektionalen Empfangsantenne die Richtung bestimmt werden kann? Die Antwort ist unter dem Schnitt.
allgemeine Informationen
Das VOR-System ( Very High Frequency Omni-Directional Range ) wird seit den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts für die Luftfahrtnavigation verwendet und besteht aus Funkbaken mit relativ kurzer Reichweite (100 bis 200 km), die im UKW-Frequenzbereich von 108 bis 117 MHz arbeiten. Jetzt, in der Epoche des Gigahertz, klingt der Name sehr hohe Frequenz in Bezug auf solche Frequenzen lustig und spricht an sich für das Alter dieses Standards, aber übrigens funktionieren NDB- Beacons immer noch und arbeiten im mittleren Wellenbereich von 400-900 kHz.
Das Platzieren einer Richtantenne in einem Flugzeug ist konstruktiv unpraktisch, so dass das Problem auftrat, wie Informationen über die Richtung zum Leuchtfeuer im Signal selbst codiert werden. Das Prinzip "an den Fingern" kann wie folgt erklärt werden. Stellen wir uns vor, wir haben ein gewöhnliches Leuchtfeuer, das einen schmalen grünen Lichtstrahl aussendet, dessen Lampe sich einmal pro Minute dreht. Natürlich sehen wir einmal pro Minute einen Lichtblitz, aber ein solcher Blitz enthält nicht viele Informationen. Fügen wir dem Beacon eine zweite ungerichtete hinzuEine rote Lampe, die blinkt, wenn der Leuchtturmstrahl die Nordrichtung "passiert". weil Die Periode der Fackeln und die Koordinaten des Leuchtfeuers sind bekannt. Wenn Sie die Verzögerung zwischen den roten und grünen Blitzen berechnen, finden Sie den Azimut im Norden. Es ist einfach. Es bleibt dasselbe zu tun, aber mit Hilfe des Radios. Dies wurde durch Ändern der Phasen gelöst. Für die Übertragung werden zwei Signale verwendet: Die Phase des ersten ist konstant (Referenz), die Phase des zweiten (variabel) ändert sich je nach Strahlungsrichtung auf komplexe Weise - jeder Winkel hat seine eigene Phasenverschiebung. Somit empfängt jeder Empfänger ein Signal mit seiner "eigenen" Phasenverschiebung proportional zum Azimut zur Bake. Die Technologie der "räumlichen Modulation" wird unter Verwendung einer speziellen Antenne (Alford Loop, siehe KDPV) und einer speziellen, ziemlich cleveren Modulation durchgeführt. Welches ist in der Tat das Thema dieses Artikels.
Stellen wir uns vor, wir haben ein reguläres Legacy-Beacon, das seit den 50er Jahren in Betrieb ist und Signale in herkömmlicher AM-Morsecode-Modulation überträgt. Wahrscheinlich hat der Navigator diese Signale einmal tatsächlich mit Kopfhörern abgehört und die Anweisungen mit einem Lineal und einem Kompass auf der Karte markiert. Wir möchten dem Signal neue Funktionen hinzufügen, um jedoch die Kompatibilität mit den alten Funktionen nicht zu beeinträchtigen. Das Thema ist bekannt, nichts Neues ... Es wurde wie folgt vorgegangen: Dem AM-Signal, das als Referenzphase des Signals dient, wurde ein niederfrequenter 30-Hz-Ton hinzugefügt, und eine durch Frequenzmodulation bei einer Frequenz von 9,96 kHz codierte Hochfrequenzkomponente, die ein variables Phasensignal überträgt. Durch Auswahl von zwei Signalen und Vergleichen der Phasen erhalten wir den gewünschten Winkel von 0 bis 360 Grad, der der gewünschte Azimut ist. Dabei,All dies schadet nicht, wenn Sie das Beacon "normal" hören und mit alten AM-Empfängern kompatibel bleiben.
Gehen wir von der Theorie zur Praxis. Starten wir den SDR-Empfänger, wählen Sie AM-Modulation und 12-KHz-Bandbreite. VOR-Frequenzen können leicht im Netz gefunden werden. Im Spektrum sieht das Signal folgendermaßen aus:
In diesem Fall wird das Beacon-Signal mit einer Frequenz von 113,950 MHz übertragen. In der Mitte gibt es eine leicht erkennbare Amplitudenmodulationslinie und Signale im Morsecode (.- -… was AMS, Amsterdam, Flughafen Schiphol bedeutet). In einer Entfernung von 9,6 kHz vom Träger sind zwei Spitzen sichtbar, die das zweite Signal übertragen.
Nehmen wir das Signal in WAV auf (nicht in MP3 - verlustbehaftete Komprimierung "tötet" die gesamte Signalstruktur) und öffnen es in GNU Radio.
Dekodierung
Schritt 1 . Öffnen wir die Datei mit dem aufgezeichneten Signal und wenden einen Tiefpassfilter an, um das erste Referenzsignal zu erhalten. Das GNU Radio-Diagramm ist in der Abbildung dargestellt.
Ergebnis: ein niederfrequentes Signal bei 30 Hz.
Schritt 2 : Decodieren Sie das variable Phasensignal. Wie oben erwähnt, liegt es bei einer Frequenz von 9,96 kHz. Wir müssen es auf die Frequenz Null übertragen und dem FM-Demodulator zuführen.
GNU Radio Graph:
Das war's, Problem gelöst. Wir sehen zwei Signale, deren Phasendifferenz den Winkel vom Empfänger zum VOR-Beacon angibt:
Das Signal ist ziemlich verrauscht, und für die endgültige Berechnung der Phasendifferenz kann eine zusätzliche Filterung erforderlich sein, aber das Prinzip ist hoffentlich klar. Für diejenigen, die vergessen haben, wie die Phasendifferenz bestimmt wird, ein Bild von aviation.stackexchange.com:
Glücklicherweise müssen Sie dies nicht alles manuell tun: Es gibt ein vorgefertigtes Python- Projekt , das VOR-Signale aus WAV-Dateien decodiert. Das Studium hat mich dazu inspiriert, dieses Thema zu studieren.
Interessenten können das Programm in der Konsole ausführen und aus einer bereits aufgezeichneten Datei einen vorgefertigten Winkel in Grad erhalten:
Luftfahrtfans können sich sogar einen tragbaren Empfänger von RTL-SDR und Raspberry Pi machen. In einem "echten" Flugzeug sieht dieser Indikator übrigens ungefähr so aus:
Bild © www.aopa.org
Fazit
Solche Signale "aus dem letzten Jahrhundert" sind definitiv für die Analyse interessant. Erstens handelt es sich um recht einfaches, modernes DRM oder noch mehr um GSM. Sie können dies nicht an Ihren Fingern dekodieren. Sie sind offen für den Empfang, sie haben keine Schlüssel und keine Kryptographie. Zweitens ist es möglich, dass sie in Zukunft Geschichte werden und durch Satellitennavigation und modernere digitale Systeme ersetzt werden. Drittens können Sie durch das Studium solcher Standards interessante technische und historische Details darüber herausfinden, wie Probleme auf einer anderen Schaltungs- und Elementbasis des letzten Jahrhunderts gelöst wurden. So können die Besitzer von Empfängern angewiesen werden, solche Signale zu empfangen, während sie noch arbeiten.
Wie immer viel Glück an alle.