¿Cómo se logra variar la profundidad de modulación mediante los transmisores terrestres del localizador?

La intensidad del haz disminuye a medida que se aleja de su propia línea central, entonces, ¿realmente disminuye toda la intensidad de la señal modulada, lo que cuando se demodula es efectivamente una diferencia en la profundidad de la modulación de amplitud?

Tu pregunta es muy buena. La profundidad de modulación es la relación entre la amplitud de modulación y la amplitud de la portadora. Cambiar la fuerza relativa de una señal cambia ambas amplitudes en la relación, pero mantiene la relación sin cambios. De hecho, ningún DDM puede aparecer de esta manera.

Los tonos de 90 y 150 Hz no se utilizan directamente . El corazón del sistema que crea el DDM son dos señales: CSB (portadora y bandas laterales, vea a continuación qué es una banda lateral) y SBO (solo bandas laterales) y ¡sorpresa! contienen la misma cantidad de tonos de 90 y 150 Hz y se transmiten en igual cantidad a ambos lados de la pista.

Ahora los puntos clave de ILS:

• La fase SBO depende del lado de la pista (+/-90°, CSB se mantiene sin cambios)
• La fase del tono de 150 Hz se invierte en SBO (90 Hz se mantiene sin cambios).

Como SBO contiene solo las bandas laterales cuando CSB y SBO interfieren en el espacio, solo las bandas laterales pueden interferir realmente, la portadora que se encuentra en CSB no se altera.

Cuando las bandas laterales interfieren, la forma en que están construidas (ajustando las fases) hace que los 150 Hz sean más prominentes en el lado izquierdo de la pista y menos prominentes en el lado derecho (detalles a continuación, los dibujos lo aclararán). Asi que:

• La amplitud de la portadora no ha cambiado en el proceso.
• La amplitud de las bandas laterales ha sido alterada.

Como las bandas laterales son la modulación, en efecto hay un cambio en el DM (la relación entre la modulación y la amplitud de la portadora), y aparece mágicamente un DDM que aumenta a medida que nos alejamos de CSB, es decir, a medida que nos alejamos de la línea central.

Innumerables descripciones simplificadas ponen el foco en 90 y 150 Hz, cada uno supuestamente transmitido en un lado específico de la pista (ver imagen arriba). No entienden que el ILS no se basa en la comparación de amplitud, sino en la comparación de profundidad de modulación.

Dos últimos puntos:

• No se puede determinar una ubicación precisa simplemente usando la intensidad de la señal recibida (RSS) de dos o más señales. El posicionamiento basado en RSS mejorado por algoritmos de promediación se encuentra comúnmente para posicionamiento aproximado ( por ejemplo, en redes celulares ) porque el costo es marginal, pero RSS depende de muchos factores que no se pueden controlar.

• Por otro lado, la fase de una señal permanece inalterada hasta que la señal se refleja, difracta o ingresa a un material con un índice de refracción diferente. Al tomar las medidas de protección adecuadas en la zona de Fresnel , el ILS basado en fases es, por lo tanto, muy confiable. La fase se utiliza en muchas aplicaciones de radio sofisticadas. Perder el papel de la fase en el ILS (y el VOR convencional ) es en realidad perder la inteligencia de estas tecnologías.

Si este resumen despertó su curiosidad por más detalles, simplemente continúe, pero para una buena comprensión, primero debemos aclarar algunas nociones: Fase, modulación y bandas laterales.

Comparación de fase y fase

Al representar una señal, por ejemplo, una señal sinusoidal, podemos observar diferentes parámetros. A menudo dibujamos la amplitud en función del tiempo (lado derecho):

^{Dos representaciones de una señal: Fase/amplitud y tiempo/amplitud}

También podemos imaginar un círculo con una escala de 0° a 360°, un punto que viaja en esta escala en el tiempo de un ciclo de señal (lado izquierdo arriba).

La fase es el valor del ángulo. Normalmente nos interesa la diferencia de fase de dos señales con la misma frecuencia:

^{Diferencia de fase}

Las dos señales pueden estar en fase (sin diferencia), en oposición de fase (180°), en cuadratura (90°) o tener cualquier diferencia de fase. La diferencia de fase juega un papel importante cuando dos señales interfieren:

• Si la señal está en fase, la amplitud del resultado es la suma de las amplitudes individuales.
• Si las señales están en oposición de fase, las amplitudes se restan.
• Para cualquier otra diferencia de fase, la amplitud del resultado está entre cero y la suma de las amplitudes individuales.

En el ILS, básicamente se envía una señal de referencia (CSB) y una señal de comparación (SBO). SBO en un lado crea interferencias aditivas con CSB e interferencias sustractivas en el otro lado. Pero en realidad debido a que 150 Hz se invierte en SBO, en el lado aditivo, en el centro del área de interferencia, 150 Hz se cancela a sí mismo, 90 Hz duplica su amplitud. Por otro lado 150 Hz duplica su amplitud, 90 Hz se anula. A medida que nos alejamos del centro del área de interferencia, este efecto aditivo/sustractivo disminuye hasta que SBO permanece inalterado porque estamos fuera del área CSB.

Ahora aclaremos la parte relacionada con la modulación y la profundidad de la modulación.

Modulación de amplitud, profundidad de modulación, bandas laterales

La modulación se relaciona con una portadora, que es solo un nombre elegante para una señal de RF constante (generalmente sinusoidal) a una frecuencia dada, por lo tanto, con toda la energía de la onda concentrada en esta frecuencia. La frecuencia de la portadora suele ser muy grande en comparación con la modulación.

La señal moduladora (o modulación) es la señal a transmitir, puede tener cualquier forma, pero en nuestro caso su forma es una curva sinusoidal de 90 Hz o 150 Hz.

La modulación de amplitud consiste en cambiar la amplitud instantánea de la portadora de acuerdo con la amplitud instantánea de la modulación. Una vez hecho esto, la envolvente exterior de la portadora refleja la envolvente exterior de la modulación:

^{Portadora modulada al 50%}

La modulación puede imprimirse a una profundidad variable (picos más altos o más pequeños). Esto se mide por el índice de modulación, también conocido como profundidad de modulación. El valor del índice es una relación de amplitud: amplitud de modulación/amplitud de portadora.

La profundidad de modulación utilizada para la señal LOC es solo del 20 % (40 % para la señal G/S) para dejar algo de espacio para los tonos de identificación en 1020 Hz.

Definición de la OACI para la profundidad de modulación ILS:

La profundidad de modulación es la relación de la amplitud de la modulación de la señal de 90 Hz o 150 Hz a la amplitud de la portadora. El DDM es la profundidad de modulación de la señal más fuerte menos la profundidad de modulación de la señal más débil.

Veamos cómo se distribuye la energía según la frecuencia.

^{Espectro de una portadora AM modulada por un tono sinusoidal}

Antes de la modulación, toda la energía se concentra en la frecuencia de la portadora (barra azul debajo). El proceso de modulación crea dos bandas laterales variables : inferior (LSB) y superior (USB), representadas en magenta.

Si el índice de modulación es del 100%, la portadora contiene el 66% de la energía y cada banda lateral el 17% ( explicación matemática ). Cuando una portadora de 100 MHz es modulada por un tono de 150 Hz, el LSB se crea a 100 MHz - 150 Hz y el USB a 100 MHz + 150 Hz.

Cuanto mayor sea la profundidad de la modulación, mayor será la energía transferida desde la portadora a las bandas laterales y menor la energía restante en la frecuencia de la portadora. La energía de banda lateral y la profundidad de modulación son las dos caras de la misma moneda. En los próximos párrafos hablaré de energía más que de profundidad, pero es lo mismo.

Modulación de la señal ILS con tonos de 90/150 Hz

La señal del localizador está modulada por dos tonos, la referencia a 90 Hz, la señal a comparar a 150 Hz. Por lo tanto, cada energía de banda lateral se divide entre dos frecuencias:

^{Espectro de señal CSB}

Esta señal, conocida como CSB (portadora y bandas laterales), se utilizará tal cual en el localizador. Sin embargo, como se explicó anteriormente, el elemento en fase/fuera de fase debe enviarse junto con CSB.

Desde modulaciones de 90/150 Hz hasta modulaciones CSB/SBO

El transmisor del localizador envía una señal adicional con 150 Hz invertidos, conocida como SBO (solo bandas laterales). Para esta señal se cancela el elemento portador ( modulación DSB-SC ):

^{Espectro de señal SBO con modulación de 150 Hz invertida}

La señal se envía en oposición de fase con CSB en el lado izquierdo de la pista y en fase con CSB en el lado derecho (esto se hace usando desfasadores a nivel de antena, ver más abajo).

Para resumir:

• El localizador transmite CSB en los lados izquierdo y derecho de la matriz. CSB contiene 150 Hz y 90 Hz sin ajuste de fase y la portadora.

• El localizador también transmite SBO que contiene solo las bandas laterales, pero donde la modulación de 150 Hz está desfasada 180° en ambos lados. La señal SBO en sí se envía con una fase diferente en cada mitad del conjunto de antenas.

Cómo CSB y SBO son enviados por las antenas

La fase real entre SBO y CSB se ajusta para compensar los efectos de la modulación espacial, y SBO se envía con una fase de +90° con respecto a CSB para las antenas a la izquierda del eje de la pista, y con una fase de -90° con respecto a CSB para las antenas de la derecha del enterline (los dos lados del arreglo todavía tienen una diferencia de fase de 180°).

La combinación de fases exactamente opuestas para la señal SBO cancela el campo EM en el centro, dividiendo el patrón de radiación SBO en dos partes, parece que hay dos haces para SBO. CSB se irradia centrado en este agujero:

^{Patrón de radiación CSB + SBO}

Los elementos que componen CSB y SBO deben estar sincronizados. Las fases se ajustan cuidadosamente para formar el patrón de radiación (es decir, alinear el localizador con la línea central y establecer su ancho) y para garantizar la linealidad del DDM en la parte central.

Cuando se esparcen en el espacio, las tres señales se mezclan por modulación espacial , el principio en el que se basa el ILS y que se conoce más simplemente como interferencia de ondas .

Modulación espacial

Una señal (SBO) tiene su portadora suprimida evitando que la energía de la portadora aumente durante la mezcla CSB+SBO. Por el contrario, cuando se mezclan las bandas laterales de cada señal, la modulación espacial suma la energía de las bandas laterales donde las bandas laterales están en fase y resta la energía de las bandas laterales cuando están en oposición de fase.

SBO está en oposición de fase con CSB en el lado izquierdo de la pista y está en fase con CSB en el lado derecho de la pista.

• A lo largo de la línea central solo está presente CSB, con la misma energía para 90 Hz (verde) y 150 Hz (magenta). El indicador LOC estará centrado. Para crear un área prominente de CSB a lo largo de la línea central, la potencia de SBO también se reduce en las antenas centrales.

• En el lado izquierdo, la modulación de 150 Hz se ha desplazado 180° en SBO, y la señal SBO se ha desplazado 180° en relación con CSB a nivel de antena. Por lo tanto, la modulación de 150 Hz está en fase para CSB y SBO. Se agregan energías de banda lateral, mientras que la energía para la modulación de 90 Hz disminuye porque la modulación de 90 Hz en CSB y SBO está desfasada. Entonces, hay más energía para 150 Hz (lo que significa que hay una mayor profundidad de modulación). Este efecto es cada vez más fuerte a medida que nos alejamos de la línea central.

• En el lado derecho, donde la modulación de 150 Hz está desfasada para CSB y SBO, la energía de 150 Hz se reduce en comparación con la energía de 90 Hz en las bandas laterales, y la diferencia se hace más fuerte a medida que nos alejamos de la línea central.

Más allá de los 10° desde la línea central, no se puede detectar CSB, solo SBO, el indicador LOC se desviará a la escala completa a la izquierda o a la derecha dependiendo de la fase de SBO. Se usa otra señal para asegurar una desviación de escala completa más allá de este punto (ver la señal de autorización más abajo).

Si quieres hacer alguna simulación de modulación espacial, aquí están los detalles de las señales a mezclar (ver detalles aquí ):

^{$E_{CSB} = E_C \space \cos \space 2 \pi f_C t + E_{90} \space \sin \space 2 \pi f_{90} t \space \cos \space 2 \pi f_C t + E_{150} \space \sin \space 2 \pi f_{150} t \space \cos \space 2 \pi F_C t$
$E_{SBO \space 90} = K \space \sin \space 2 \pi f_{90} t \space \cos \space 2 \pi f_C t$
$E_{SBO \space 150} = K \space \sin \space 2 \pi f_{150} t \space \cos \space 2 \pi f_C t$}

Hablamos de la energía de las bandas laterales. En cuanto a la portadora, que solo está presente en CSB, el resultado de la modulación espacial siempre contiene la energía de la portadora CSB original hasta alcanzar la escala completa (entonces la señal de despeje proporciona la portadora porque mientras toda la información de modulación está en las bandas laterales, la portadora constante es necesarios para sincronizar y bloquear el receptor y recuperar la CSB y SBO coherentes de la señal resultante de radiofrecuencia modulada).

Donde finalmente aparece el DDM

Ahora vamos a terminar:

• La energía portadora no cambia por la modulación espacial ya que está presente en una sola señal (CSB).
• La energía de las bandas laterales aumenta o disminuye en la señal resultante.

La energía de las bandas laterales varía en relación con la energía de la portadora, pero espera... esto es lo mismo que decir que la DM está variando (sin cambiar realmente nada en el nivel del transmisor).

El DDM entre 150 y 90 Hz es una función del desplazamiento del receptor desde la línea central (en el rango de -5° a +5° la función es casi lineal).

^{La modulación espacial en realidad crea un DDM}

El desplazamiento de alineación se determina detectando el DDM en la señal resultante.

Conjunto de antenas

La antena LOC es un sistema de matriz, generalmente hecho de una gran cantidad de antenas logarítmicas periódicas individuales , para formar un haz direccional estrecho.

^{Conjunto de localizadores en el aeropuerto de Melbourne, fuente}

CSB y SBO no se distribuyen por igual a todas las antenas individuales del arreglo. Antes de llegar a las antenas, su amplitud se sintoniza para formar los tres subhaces y la señal SBO se desfasa:

^{Amplificador individual-cambiador de fase-mezclador}

Ahora tenemos todos los elementos básicos para dibujar un sistema LOC:

^{Componentes del sistema ILS LOC}

Ejemplo con una matriz de dos antenas (y respuesta final a la pregunta)

Imaginemos dos antenas alimentadas con nuestras señales CSB y SBO anteriores con un desplazamiento de fase SBO de +90° para la antena 1 y de 270° para la antena 2.

^{Dos antenas con desfase de 90° y -90° (270°)}

Veamos qué sucede cuando el receptor está en la línea central en P0 y en cualquier punto P1. Para que esta explicación simplificada funcione, la distancia al arreglo LOC (D) debe ser mucho mayor que la distancia entre las antenas y la línea central (d).

Receptor en la línea central

La señal recibida es la suma de las señales enviadas por las dos antenas. Como la distancia recorrida es la misma, la fase en la ubicación del receptor también es la misma. La señal en el punto P0 en la línea central es:

$$S_{P0} = K_1 \cdot (CSB - SBO) + K_2 \cdot (CSB + SBO)$$

Con$K_1$y$K_2$siendo la atenuación en el espacio libre, como la atenuación es la misma para ambas antenas, esto se puede simplificar:

$$S_{P0} = K_1 \cdot [(CSB - SBO) + (CSB + SBO)] = 2K_1 \cdot CSB$$

En CSB, la profundidad de modulación de 90 Hz es la misma que la de 150 Hz (ver figura anterior) No hay diferencia de profundidad de modulación (DDM) entre los tonos: DDM = 0%.

Receptor en el punto P1

La distancia recorrida es más corta para la antena 1 y más larga para la antena 2. Aparecen un adelanto y un atraso de fase respectivamente para la antena 1 y la antena 2. El adelanto de fase también es igual al atraso de fase. Después de una simplificación que se puede leer en la tesis enlazada:

$$S_{P1} (\beta) = 2K_1 \cdot (\cos \beta \cdot CSB - \sin \beta \cdot SBO)$$

con$\beta$siendo la distancia angular desde la línea central. Esta fórmula muestra:

• cuándo$\beta$es nulo (receptor en la línea central), tenemos el resultado ya visto en el caso anterior,

• cuándo$\beta$es negativa o positiva, la influencia de la señal SBO aumenta y la profundidad total de la modulación entre los tonos de 150 y 90 Hz sigue la misma tendencia hasta alcanzar el -100 % o el +100 %, lo que corresponde a la ausencia de influencia de la señal CSB en el lado del receptor.

^{Principio actual de la ILS, de esta fuente .}

El rango de diferencia de modulación de profundidad obtenido debe mapearse en los valores estandarizados reales para la desviación de la aguja LOC, reduciendo el rango completo a un ángulo de guía estandarizado. Las especificaciones LOC se encuentran en el anexo 10 de la OACI del Convenio de Chicago , volumen 1, anexo C:

Este ajuste se obtiene sintonizando el amplificador del desfasador de cada antena individual (el amplificador es en realidad común a todas las antenas). Este amplificador reduce la influencia de la señal SBO en el DDM.

Señal de autorización

Hasta ahora hemos asumido que la señal del localizador está compuesta únicamente por la guía de rumbo mezclando las dos señales originales CSB y SBO. Pero es muy difícil obtener un haz altamente direccional real, como el haz de rumbo, sin crear lóbulos no deseados:

^{Patrón de radiación de la antena del haz, fuente}

El problema con los lóbulos secundarios es que una aeronave que se aproxima alineada con uno de ellos lo verá como el lóbulo principal y se aproximará a la pista con un rumbo incorrecto. Existen algunas técnicas para minimizar estos lóbulos no deseados, pero ninguna es práctica para arreglos grandes como un sistema LOC. Las alternativas son bloquear las ondas no deseadas después de que se radian, o inundarlas, la solución utilizada para ILS.

Una réplica del curso, la señal de autorización , se envía con la señal del curso para eclipsar los lóbulos secundarios.

La señal de autorización tiene un nivel de potencia de 10 dB menos que el nivel del curso (una décima parte de la potencia) y se radia con un patrón menos direccional (menos antenas individuales para formar el haz):

^{Curso y autorización}

Los localizadores actuales utilizan un sistema de doble frecuencia, lo que significa que las señales de rumbo y autorización se envían en frecuencias separadas.

Cuando un ILS tiene una frecuencia VHF f publicada, la señal de rumbo del localizador se envía realmente en f + 4,75 kHz y la autorización en f - 4,75 kHz. Las dos señales pueden usar las mismas antenas o antenas dedicadas en el arreglo. Ejemplo de señales enviadas a cada una de las 14 antenas de un arreglo Thales LLZ (consulte arriba para saber qué son las señales de rumbo, autorización, CSB y SBO):

^{Thales Dual Frequency – Antena Localizadora}

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La mayor parte de la información sobre ILS proviene de la tesis de 1983 presentada por el capitán Dennis M. McCollum, BS . Respetuoso agradecimiento al autor.

¡Ok, probablemente la mejor explicación de ILS! ¡bien hecho! Enseño ILS a ingenieros y técnicos de mantenimiento, usted podría hacer mi trabajo, ¡estoy seguro! ¡Gracias por usar mi artículo de Modulación espacial de Wikipedia también!. aunque no es completamente interferencia/superposición de ondas, es mucho más complejo, pero lo suficientemente cercano.

Una vez más, los valores de DDM y SDM se explicaron bien: los artículos de Wikipedia para esos también son míos, LOL.

El DDM está determinado por el fasor resultante combinado (versión electrónica de vectores, que se utiliza para representar señales en lugar de fuerzas), suma/resta de la potencia de la onda portadora del CSB y las dos profundidades de modulación de frecuencia diferentes de 90 y 150 Hz, ambas del 20 % a la antena y la potencia SBO (solo banda lateral) y las profundidades de modulación de 90 y 150 Hz, ¡otra vez una suma/resta fasorial!

Cuando todas esas fases y potencias se combinan en el espacio (aéreo) donde el avión las recibe, la pantalla del ILS mide efectivamente una diferencia de corriente en la aguja indicadora de entre -150 microamperios y +150 microamperios.

si el avión se aproxima a la línea central, el DDM es 20% 90 Hz y 20% 150 Hz = 0 % de diferencia entre ellos, la aguja permanece centrada, el avión está en la línea central.

La autorización está en una frecuencia diferente, pero dentro del ancho de banda del canal de aviónica para el curso (concepto difícil), por lo que no cancela los lóbulos laterales, ¡los inunda! Los lóbulos laterales del curso que no están dentro de la ruta del curso navegable en sí.

El concepto ILS es simple pero la tecnología (¡de 1938!) ¡está increíblemente bien diseñada! Lo he estado enseñando durante 15 años y CADA vez que doy una clase, aprendo algo más sobre este sistema, he trabajado en RADAR, máquinas de resonancia magnética, escáneres CT y equipos de medicina nuclear: ¡está ahí arriba en lo que está en juego con la tecnología!