¿Por qué la calidad de la comunicación por radio es mala?

¿Por qué los aviones modernos y los centros ATC no tienen audio de buena calidad para la comunicación? Por ejemplo en este video:


O básicamente cualquier otro ejemplo de comunicación piloto (algunos son peores, otros son mejores).

Esto no es terriblemente malo, por supuesto, pero es comparable a un auricular barato de $ 4, el sonido está muy distorsionado. Esto puede causar problemas cuando un piloto no entiende algunas palabras y pide repetir la oración. Y aún más problemas si el piloto o el despachador de vuelo no son hablantes nativos de inglés.

¿Hay alguna razón técnica detrás de esto, como limitaciones de antena/señal dentro del avión? La calidad es la misma cuando el piloto solo está rodando en tierra, así que supongo que esto no tiene nada que ver con la velocidad o la altitud.

PD : Esta pregunta es algo similar, pero se trata del sistema de megafonía para pasajeros, estoy hablando de comunicación piloto-ATC.

ACTUALIZAR
Aunque acepté (honestamente, por presión de grupo) la respuesta de TomMcW, quien brindó detalles técnicos bastante buenos sobre este tema, personalmente me gusta la respuesta de Anthony X, quien señaló un hecho muy importante de que los sistemas deben cambiarse en todo el mundo en un período de tiempo muy corto y esa es probablemente la razón por la que no se realizaron cambios importantes durante las últimas dos décadas. Así que sugiero leer su respuesta también, no solo la más votada.

Es porque la señal todavía se transmite cambiando la amplitud de la portadora (AM). AM está sujeta a RFI y distorsión mucho más que FM/PM. Agregue que también es analógico mientras estamos acostumbrados a la comunicación digital (teléfono, CD de audio, video...)
@mins, entonces, una vez más, ¿por qué sigue siendo AM? Hay una gran cantidad de otras técnicas de modulación capaces de comunicación de largo alcance, ¿por qué no usar algo mejor? Por supuesto, no todas las bandas de frecuencia están disponibles en todos los países, pero es justo esperar algún progreso en muchas décadas.
Eso es porque necesitamos cambiar todos los transmisores y todos los receptores. Habría un período de transición donde AM y el nuevo método (que sería comprimido y digital) estarían presentes. Supongo que la OACI ya tiene un plan para eso (supongo que los datos y la voz se transmitirían de manera diferente). Tenga en cuenta que la transmisión oceánica larga que es AM (en realidad SSB , es decir, AM sin la portadora y solo una banda lateral) no puede usar FM, que requiere una señal más fuerte que FM para demodularse correctamente.
@mins FM no requiere una señal más fuerte que AM. Por el contrario, requiere mucha menos energía. El problema es que el espectro de FM asignado no se propaga a largas distancias, lo cual es una función de su longitud de onda, no de la tecnología.
@EJP: El punto es sobre la comunicación oceánica, comparando la calidad de FM con la de AM/SSB. Independientemente de los modos actuales y la atribución de bandas. La potencia útil recibida en la antena en FM será unas 4 veces menor que en SSB para la misma potencia del transmisor a una frecuencia dada. Según mi experiencia, para la modulación analógica, SSB tiene el mejor rendimiento de distancia de HF a UHF (aunque no es la mejor calidad). Vea a este tipo comparando ambos modos a 144 MHz.
@mins Podría estar equivocado, pero creo que la razón de la señal 4 veces más fuerte que una transmisión SSB puede tener sobre FM se basa simplemente en el hecho de que una banda lateral y la portadora están suprimidas, lo que significa que el transmisor puede bombear la banda lateral más fuerte ya que no es necesario poner energía en las otras frecuencias.
El comentario de @EJP puede ser un poco confuso. No hay espectros de FM/AM. La banda de radio usa AM, pero en realidad está justo al lado de la banda de transmisión de FM, con una propagación casi idéntica. Las diferencias ocurren en HF (por eso se usa para vuelos oceánicos). AM es inferior a FM, pero normalmente es bastante inteligible. No he encontrado que la calidad de la comunicación de radio de la banda de aviación sea "mala", excepto en la ocasión en que alguien tiene una radio defectuosa (que, como aficionado, puedo informar que también ocurre con personas que usan FM y digital ... :-)) .
@Steve: Tiene toda la razón sobre la energía ahorrada en SSB. El mismo razonamiento se aplica entre FM de banda estrecha y ancha, aunque la eficiencia se obtiene seleccionando el índice de modulación . Las bandas laterales de FM no se limitan a un solo par, como en AM. Hay tablas ( funciones de Bessel ) que dan la energía en la portadora y las bandas laterales para un índice dado: por ejemplo, para MI = 2.405 no hay energía en la portadora (pero hay más pares de bandas laterales, en realidad el 98% de la energía está contenida en 5 pares).
@TomMcW, bueno, ambas respuestas son buenas, es bastante difícil elegir, sería bueno si fuera posible fusionar respuestas, pero elegir entre respuestas igualmente buenas es bastante difícil. He leído algunas discusiones sobre meta al respecto, pero aún es difícil. Usted señaló algunas cosas buenas sobre el aspecto técnico de las cosas, pero la mayoría de ellas ya las sabía, aunque es posible que otros que lean esto no lo sepan. Y Anthony X dio algunos buenos puntos en los que no pensé en absoluto. Básicamente, respondiste dos partes diferentes de la pregunta: por qué el sonido es de baja calidad y por qué la tecnología no está actualizada.
@TomMcW, marcaría ambos si pudiera :) De todos modos, espero que la gente lea todas las respuestas y comentarios si están interesados.
Por cierto, +1 por hacer una pregunta que genera una discusión tan animada en los comentarios.
@ScienceSamovar: ¿Por qué AM y no FM? AM y SSB se ven mucho menos afectados por los efectos de cambio Doppler como FM. FM utiliza desviaciones de frecuencia relativas a la frecuencia de la portadora en respuesta a los cambios en la amplitud del audio. A las velocidades a las que vuelan los aviones, el receptor de FM no se sincronizaría con la señal. Con los modos AM y SSB, la única corrección Doppler necesaria es ajustar el receptor unos pocos khz.+/-. Para comunicaciones de larga distancia a través de HF, el modo FM sería ilegible debido a múltiples rebotes de señal y distorsión de fase.

Respuestas (5)

Hay una razón técnica para esto. Primero, debo señalar que la mayor parte del discurso en el video proviene del instructor piloto y no pasa por una radio en absoluto. Es simplemente el sonido directamente de sus auriculares. Eso demuestra que el mismo auricular ya está produciendo el "efecto de radio". Básicamente, lo que está escuchando es que todas las frecuencias por debajo de los 300 Hz y por encima de los 4 kHz son cortadas drásticamente por un filtro. Eso deja una banda muy estrecha de frecuencias de audio.

Aunque este sonido es muy artificial, la primera razón es que filtra la mayor cantidad posible de ruido de fondo dejando solo la voz. La mayor parte de lo que hace que el habla sea inteligible ocurre en este rango.

La segunda razón es porque la comunicación atc usa radio AM. Con AM, el ancho de banda de audio de las frecuencias de audio que está enviando corresponde al ancho de banda de las frecuencias de radio utilizadas para enviarlo. Entonces, si envía audio de frecuencia completa desde 10 Hz hasta 10 kHz, utilizará una banda de frecuencia muy amplia. Para hacer espacio para más canales de comunicación, debe limitar el ancho de banda de las señales para no inmiscuirse en las frecuencias cercanas.

De wikipedia:

La calidad de audio en la banda de aire está limitada por el ancho de banda de RF utilizado. En el esquema de espaciado de canales más nuevo, el mayor ancho de banda de un canal de banda aérea podría estar limitado a 8,33 kHz, por lo que la frecuencia de audio más alta posible es 4,165 kHz.[14] En el esquema de separación de canales de 25 kHz, teóricamente sería posible una frecuencia de audio superior de 12,5 kHz.[14] Sin embargo, la mayoría de las transmisiones de voz de banda aérea en realidad nunca alcanzan estos límites. Por lo general, toda la transmisión está contenida dentro de un ancho de banda de 6 kHz a 8 kHz, que corresponde a una frecuencia de audio superior de 3 kHz a 4 kHz.[14] Esta frecuencia, aunque baja en comparación con la parte superior del rango auditivo humano, es suficiente para transmitir el habla.

Habrá un límite de ancho de banda impuesto por las autoridades para maximizar la disponibilidad de frecuencias. Las radios utilizadas para la aviación deberán estar certificadas de conformidad con esos límites. En Estados Unidos sería la FCC (Friendly Candy Company). Pero no tengo los límites legales específicos. Tal vez a alguien se le ocurran.

Aquí hay una explicación simple de cómo el ancho de banda de audio afecta el ancho de banda de radio.

El ancho de banda de 4 kHz no es el problema (los teléfonos usan 3 kHz). El problema es el proceso de modulación-demodulación que no es preciso debido a alteraciones de amplitud en el canal.
@mins cuando dice que los teléfonos usan 3 khz, se refiere a los teléfonos digitales modernos. Ese es un juego de pelota completamente diferente. La frecuencia de la portadora de las transmisiones am se ve afectada por la frecuencia de la señal. Si envía un tono de 1 khz, la transmisión resultante es frecuencia portadora + 1 khz y frecuencia portadora - 1 khz. Una banda de khz de ancho. Si envía un tono de 10 khz, es frecuencia de portadora + 10 khz y - 10 khz. Una banda de 20 khz de ancho
@mins eliminó las referencias a FM de mi respuesta para evitar confusiones. Estudié radio hace eones y no he vuelto a hacer nada con ella desde entonces. (¡Creo que mi licencia de radioaficionado expiró en 1986!) Mi memoria de los conceptos es borrosa.
"Básicamente, lo que estás escuchando es que todas las frecuencias por debajo de los 6 khz y por encima de los 8 khz son cortadas drásticamente por un filtro. Eso deja una banda muy estrecha de frecuencias de audio". @TomMcW, encuentro esta declaración confusa. ¿Es esto lo que realmente querías decir?
@TomMcW, creo que leyó mal el texto de Wikipedia. El texto dice que el ancho de banda de transmisión total es de 6 a 8 kHz correspondiente a un ancho de banda de audio de 3 a 4 kHz. (La mitad del ancho de banda de AM) El corte del filtro superior será entonces de 3 o 4 kHz. El corte inferior es convencionalmente 300 Hz. El texto de Wikipedia no menciona la frecuencia de corte inferior.
@mins Estás equivocado. En FM, la amplitud modula la frecuencia, por definición. La desviación de frecuencia en la transmisión corresponde a la desviación de amplitud en la entrada, y el ancho de banda de transmisión corresponde a la desviación de frecuencia máxima veces 2. El ancho de banda de audio de una transmisión de FM está limitado solo por el transmisor y el receptor, no por el medio.
@wirewrap Tienes razón, gracias. Después de detenerme a pensar por un segundo, me di cuenta de que 6-8 Khz solo te darían sibilantes. Duh... Editaré mi respuesta y usaré tus números. Tienen más sentido. ... y soy un maldito ingeniero de sonido.
@EJP: Puede que me equivoque, pero... La desviación de frecuencia [...] corresponde a la desviación de amplitud en la entrada : el requisito de ancho de banda también tiene en cuenta el índice de modulación , que depende de la frecuencia de modulación. Con una modulación sinusoidal a amplitud constante, la energía no se distribuirá por igual en el ancho de banda, habrá un número de bandas laterales cuya amplitud dependerá de la frecuencia , no de la amplitud, en fc-1m, fc+1m, fc- 2m, fc+2m, etc, como se detalla en la página 32 de este documento .
@mins Consulte la página 25 de su cita. Estás dando vueltas en círculos. El índice de modulación es la relación entre el ancho de banda de entrada y la desviación de frecuencia de salida. Por lo tanto, la desviación de la frecuencia de salida no está determinada por el índice de modulación.
1. El ancho de banda del canal solo limita el ancho de banda de audio en esquemas bastante ingenuos (AM, FM). Se conocen mejores esquemas desde la década de 1950, y desde la década de 1980 tienen un amplio uso comercial para teléfonos móviles. 2. Los filtros de 300-3400 Hz para POTS son igualmente antiguos. Los filtros no lineales modernos pueden hacerlo mejor.
@EJP: valores instantáneos: de hecho, esa es la definición de FM (puede suponer que lo sé). Sigues tomando la relación tiempo-amplitud visible en un osciloscopio, yo estoy tomando la relación amplitud-frecuencia visible en un analizador de espectro. Digamos que no estamos de acuerdo :)
¡Qué respuesta tan horrible y desinformada que pierde por completo el punto de que incluso las radios FM de dos vías que se usan hoy en día también tienen un ancho de banda de audio estrecho o más estrecho! El ancho de banda de audio estándar para FM VHF ha sido de 3 kHz durante bastante tiempo. tanto technical reasonpara También un gran problema que he visto con el instructor es que parece (al menos para mí) que la entrada de su micrófono parece estar saturando todo el tiempo. Quizás sería mejor reducir la ganancia del micrófono y tener un compresor de rango dinámico correctamente configurado, si tal función está disponible en las radios móviles aéreas.
Además, en esta grabación, ni siquiera están usando los 4 kHz mencionados. Después de echar un vistazo al espectro de audio, parece que tienen un filtro fuerte que corta prácticamente todo lo que está por encima de los 2 kHz. Parece que la densidad del espectro de potencia tiene la mayoría de la potencia entre 400 Hz y 1 kHz. Una vez más, el tipo de la foto se está saturando gravemente.

Cuando se establecieron por primera vez los estándares para la comunicación por radio, se basaron en la tecnología de la época: señales analógicas filtradas para permitir la modulación de amplitud en un ancho de banda limitado. En la mayoría de las condiciones, es lo suficientemente bueno para transmitir una voz inteligible, que es el límite de su propósito.

El tiempo y la tecnología han cambiado... en teoría, un sistema digital podría transmitir audio con mayor fidelidad y mayor eficiencia de ancho de banda, pero implementar dicho sistema requeriría que todas las aeronaves y todas las estaciones terrestres EN TODAS PARTES estén debidamente equipadas. No es una tarea fácil. Solo mire cómo la televisión pasó de analógica a digital y considere que:

  1. La radio de aviación es un componente fundamental del control del tráfico aéreo y la seguridad aérea que utilizan las aeronaves que vuelan habitualmente entre todas las jurisdicciones del planeta.
  2. Todos (en el aire y en tierra) en un espacio aéreo determinado deben poder escuchar y ser escuchados por todos los demás. Cualquier transición en los estándares tendría que ocurrir sin violar este principio.
  3. Las aeronaves son complejas de operar; cualquier cambio en el equipo debe tener debidamente en cuenta los factores humanos. ¿Cómo afectaría la transición a un nuevo estándar de radio a las tareas del piloto con respecto a la selección de radios y canales de radio?
¿Es el analógico quizás más barato también? "Si no está roto, no lo arregles. Especialmente si es más barato". La migración de la televisión tuvo la motivación de los usuarios de comunicaciones que querían una mejor calidad, lo que probablemente sea una prioridad menor para la radio de aviación. Algo así como que las herramientas internas de la empresa de todos se construyen con Winforms o bootstrap en lugar de una solución personalizada.
Además de eso, estamos pasando a una nueva tecnología que reduce (y en muchos casos elimina) la necesidad de comunicación de voz en primer lugar, como CPDLC.
Pero, aparte del problema práctico, ¿por qué no podemos tener un sistema digital (en un rango de frecuencia diferente) que también retransmita en las ondas de AM estándar hasta que todos estén al día? Cualquiera con el nuevo estándar puede aprovechar un audio más claro, con un mecanismo de seguridad AM.
@jdk1.0 Sería una transición compleja y costosa, que requeriría que todas las naciones acuerden los nuevos estándares técnicos y el enfoque de transición, que todas las naciones tengan una banda de frecuencia apropiada libre de cualquier otro uso y asignada exclusivamente a radio digital, banda dual equipos fabricados e instalados en torres de control de todo el mundo, y en todas las aeronaves. Lea esta wikipedia para una breve discusión del tema; Tenga en cuenta que, a pesar de los problemas de calidad, el sistema analógico existente tiene una o dos ventajas de seguridad.
@Anthony-x Correcto, por eso comencé mi pregunta con "aparte del problema práctico". En efecto, me preguntaba sobre las desventajas de la estrategia de transición en particular dado que mágicamente tenemos el equipo listo para cualquiera que quiera usarlo. La única razón por la que puedo pensar es en necesitar más ancho de banda, como mencionaste (así como las ventajas de seguridad).
@ jdk1.0 "Necesita más ancho de banda" - sí, para la transición - tanto la banda existente como la nueva se asignarían simultáneamente, pero después de la transición, se requeriría menos ancho de banda (la codificación razonable, los protocolos, etc. serían más eficientes en ancho de banda para hacer el mismo trabajo)

Las influencias externas pueden tener un impacto en los sistemas de comunicación. Un enlace para consultar el clima espacial:

http://www.swpc.noaa.gov/

Esta respuesta debe ampliarse ...

La calidad del audio se ve afectada por la forma en que el piloto habla al micrófono. Para un audio perfecto, no se debe hablar directamente al micrófono, ya que esto aumenta las frecuencias graves de la voz de los altavoces y magnifica los chasquidos y silbidos causados ​​por la respiración normal. Hablar con el micrófono al nivel de la barbilla en lugar de al nivel de los labios aumenta en gran medida la inteligibilidad del audio. La mayoría de los equipos de comunicación de calidad contienen circuitos compander (compresión/expansor de audio) para nivelar el audio. Esto tiene el efecto de aumentar las partes más silenciosas y reducir las partes más fuertes de la transmisión a niveles razonables.

En cuanto al modo de transmisión, ya sea AM, FM o SSB, se aplica el principio GIGO. Garbage In La calidad de audio de Garbage out junto con la sobremodulación o la sobredesviación en el caso de FM afectará negativamente al audio recibido.

AM y SSB se utilizan en la aviación porque estos modos no se ven afectados por el cambio Doppler causado por un avión que se mueve rápidamente, lo que sería problemático con las transmisiones de FM.

¿La SSB no se ve afectada por el desplazamiento Doppler? Hu, ¿cómo obligar al BFO ​​a seguir la banda lateral sin una referencia de portadora?
Un avión a 800 km/h o 2880 m/s está provocando un desplazamiento Doppler de solo 9,6 ppm (parte por millón). Necesita un oscilador de cristal muy estable para un error de frecuencia inferior a 10 ppm. Los aviones son muy lentos en comparación con la velocidad de la luz.
Con SSB, la portadora se suprime o elimina cuando se transmite utilizando un modulador balanceado. Cuando se recibe la señal, el BFO ​​(Oscilador de frecuencia de batido) emula la portadora faltante y se reinserta y mezcla con esa señal y recrea la señal original. La señal BFO ​​se convierte en la referencia de la portadora en el receptor. Dependiendo de la banda lateral que se utilice, la frecuencia del BFO ​​se compensa adecuadamente.
La FM se ve más afectada por el desplazamiento Doppler porque el fenómeno es esencialmente un ejemplo de lo que se denomina FM indirecta (cambio de frecuencia causado por un objeto en movimiento). Piense en la bocina del tren a todo volumen desde la perspectiva de los peatones. A medida que el avión se acercaba a la torre, el ATC tendría que sintonizar una frecuencia más alta, cuando el ATC aterrizaba y el avión tenía la misma frecuencia, cuando tomaba el ATC, tendría que sintonizar una frecuencia más baja para mantener el contacto. Un dolor en el trasero tanto para el ATC como para el piloto. La variación de frecuencia es de unos 31 Hz por km/h
@Uwe 800 km/h es aproximadamente 220 m/s, no 2880 m/s como implica su comentario. A casi 3 km/s, se encuentra en el reino de los aviones de combate o de reconocimiento de alto rendimiento.
@Uwe, la velocidad de la luz es rápida, pero la comunicación por radio de los aviones tiene lugar en el rango de 100 MHz y los canales tienen solo 25 kHz de ancho (8,33 kHz en Europa). En su ejemplo: 136.025 -> 136.0251, o 4.000 ppm (12.000 ppm en Europa). (No estoy seguro de por qué estoy fuera de 2 órdenes de magnitud frente a resident_heretic).

El "efecto de captura" es una de las razones por las que la radio AM todavía se prefiere a la radio FM para las comunicaciones de aviación. La siguiente cita es de un documento titulado " Aplicaciones de radio moduladas en amplitud en la aviación ":

En telecomunicaciones, el efecto de captura es un fenómeno asociado con la recepción de FM en el que solo se demodula la más fuerte de dos señales en la misma frecuencia o cerca de ella. El efecto de captura se define como la supresión completa de la señal más débil en el limitador del receptor. (si lo tiene) donde la señal más débil no se amplifica, sino que se atenúa. Cuando ambas señales tienen casi la misma intensidad o se desvanecen de forma independiente, el receptor puede cambiar de una a otra y exhibir vallas. En muchas aplicaciones comerciales, es fantástico poder lograr una claridad notable usando radios FM y al mismo tiempo segregar los canales muy fácilmente gracias al efecto de captura. Sin embargo, en aplicaciones de aviación, la radio se usa para transmitir señales de voz que no requieren mucha claridad. Más importante,

La transmisión de modulación de amplitud, o radio AM, no está sujeta al efecto de captura. Esta es una de las razones por las que la industria de la aviación ha optado por utilizar AM para las comunicaciones en lugar de FM, lo que permite la transmisión de múltiples señales en el mismo canal.

La fuente continúa describiendo simulaciones por computadora de comunicaciones de radio AM vs FM.

¿Sería práctico equipar un receptor de FM con un indicador que estimara la fuerza total de las señales en el canal que no sea el transmisor más fuerte , por ejemplo, multiplicando una señal recibida con ancho de banda limitado por una portadora sintetizada que estaba desfasada 90 grados con respecto al señal primaria detectada?
¿Por qué la calidad de la comunicación por radio es mala?
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