Actualmente, no existen tantos estándares de comunicación que, por un lado, sean curiosos e interesantes, por otro lado, su descripción no ocupa 500 páginas en formato PDF. Uno de ellos, fácil de decodificar, es la señal de radiobaliza omnidireccional (VOR) VHF utilizada en la navegación aérea.
VOR Beacon (c) wikimedia.org
Primero, una pregunta para los lectores: ¿cómo generar una señal para que el uso de una antena receptora omnidireccional pueda determinar la dirección? La respuesta está debajo del corte.
Información general
El sistema de rango omnidireccional de muy alta frecuencia (VOR) se ha utilizado para la navegación aeronáutica desde los años 50 del siglo pasado y consta de radiobalizas de alcance relativamente corto (100-200 km) que operan en el rango de frecuencia VHF 108-117 MHz. Ahora, en la época de los gigahercios, el nombre de muy alta frecuencia en relación con tales frecuencias suena gracioso y en sí mismo habla de la edad de este estándar, pero por cierto, las balizas NDB todavía funcionan , operando en el rango de onda media de 400-900 kHz.
Colocar una antena direccional en una aeronave es constructivamente inconveniente, por lo que surgió el problema de cómo codificar la información sobre la dirección a la baliza en la propia señal. El principio de "en los dedos" se puede explicar de la siguiente manera. Imaginemos que tenemos una baliza ordinaria que emite un haz estrecho de luz verde, cuya lámpara gira una vez por minuto. Obviamente, una vez por minuto veremos un destello de luz, pero uno de esos destellos no contiene mucha información. Agreguemos un segundo no direccional a la balizauna lámpara roja que parpadea cuando el haz del faro "pasa" en dirección norte. Porque Se conoce el período de los destellos y las coordenadas de la baliza, calculando el retardo entre los destellos rojo y verde, se puede encontrar el acimut hacia el norte. Es simple. Queda por hacer lo mismo, pero con la ayuda de la radio. Esto se solucionó cambiando las fases. Se utilizan dos señales para la transmisión: la fase de la primera es constante (referencia), la fase de la segunda (variable) cambia de manera compleja según la dirección de la radiación; cada ángulo tiene su propio desplazamiento de fase. Así, cada receptor recibirá una señal con su "propio" desplazamiento de fase proporcional al azimut de la baliza. La tecnología de "modulación espacial" se lleva a cabo utilizando una antena especial (Alford Loop, ver KDPV) y una modulación especial bastante inteligente. Cuál, de hecho, es el tema de este artículo.
Imaginemos que tenemos una baliza heredada regular que ha estado en funcionamiento desde los años 50 y transmite señales en modulación de código Morse AM convencional. Probablemente, alguna vez, el navegante escuchó estas señales con auriculares y marcó las direcciones con una regla y un compás en el mapa. Queremos añadir nuevas funciones a la señal, pero para no “romper” la compatibilidad con las antiguas. El tema es familiar, nada nuevo ... Se hizo de la siguiente manera: se agregó un tono de baja frecuencia de 30 Hz a la señal de AM, que actúa como una fase de referencia de la señal, y un componente de alta frecuencia, codificado por modulación de frecuencia a una frecuencia de 9,96 KHz, transmite una señal de fase variable. Seleccionando dos señales y comparando las fases, obtenemos el ángulo deseado de 0 a 360 grados, que es el acimut deseado. Donde,todo esto no estará de más para escuchar la baliza "normalmente" y seguir siendo compatible con los antiguos receptores de AM.
Pasemos de la teoría a la práctica. Iniciemos el receptor SDR, elija modulación AM y ancho de banda de 12 KHz. Las frecuencias VOR se pueden encontrar fácilmente en la red. En el espectro, la señal se ve así:
en este caso, la señal de la baliza se transmite a una frecuencia de 113,950 MHz. En el centro hay una línea de modulación de amplitud fácilmente reconocible y señales en código Morse (.- -… que significa AMS, Amsterdam, aeropuerto de Schiphol). A una distancia de 9,6 kHz de la portadora, se ven dos picos que transmiten la segunda señal.
Grabemos la señal en WAV (no MP3; la compresión con pérdida "matará" toda la estructura de la señal) y la abriremos en GNU Radio.
Descodificación
Paso 1 . Vamos a abrir el archivo con la señal grabada y aplicarle un filtro de paso bajo para obtener la primera señal de referencia. El gráfico de GNU Radio se muestra en la figura.
Resultado: una señal de baja frecuencia a 30 Hz.
Paso 2 : decodifica la señal de fase variable. Como se mencionó anteriormente, está ubicado a una frecuencia de 9.96 KHz, necesitamos transferirlo a frecuencia cero y alimentarlo al demodulador de FM.
GNU Radio Graph:
Eso es todo, problema resuelto. Vemos dos señales, cuya diferencia de fase indica el ángulo entre el receptor y el VOR:
la señal es bastante ruidosa y es posible que se requiera un filtrado adicional para el cálculo final de la diferencia de fase, pero se espera que el principio sea claro. Para aquellos que han olvidado cómo se determina la diferencia de fase, una imagen de aviation.stackexchange.com:
Afortunadamente, no tiene que hacer todo esto manualmente: hay un proyecto Python listo para usar que decodifica señales VOR de archivos WAV. De hecho, estudiarlo me inspiró a estudiar este tema.
Los interesados pueden ejecutar el programa en la consola y obtener un ángulo listo en grados a partir de un archivo ya grabado: los
fanáticos de la aviación pueden incluso hacerse un receptor portátil de RTL-SDR y Raspberry Pi. Por cierto, en un avión "real" este indicador se ve así:
Imagen © www.aopa.org
Conclusión
Estas señales "del siglo pasado" son definitivamente interesantes para el análisis. En primer lugar, son DRM bastante simples, modernos, o incluso más GSM, no podrás decodificar así con los dedos. Están abiertos a recibir, no tienen claves ni criptografía. En segundo lugar, es posible que en el futuro pasen a la historia y sean sustituidos por la navegación por satélite y los sistemas digitales más modernos. En tercer lugar, el estudio de dichos estándares le permite descubrir detalles técnicos e históricos interesantes sobre cómo se resolvieron los problemas en una base de elementos y circuitos diferentes del siglo pasado. Por lo tanto, se puede recomendar a los propietarios de receptores que reciban dichas señales mientras aún estén funcionando.
Como de costumbre, buena suerte a todos.