The beam strength decreases as you move away from it's own centreline,
so is it actually that the entire modulated signal strength decreases which
when de-modulated is effectively a difference in amplitude modulation depth?
Sua pergunta é muito relevante; pode surgir naturalmente se você olhar para páginas da Web usando descrições meio corretas (por exemplo, este) para descobrir o princípio ILS.
Vamos primeiro olhar para duas explicações simplificadas que são realmente becos sem saída:
Um deslocamento preciso da linha central ou do caminho da planagem não pode ser determinado simplesmente comparando a potência relativa de dois sinais. Embora seja possível em teoria, também é praticamente impreciso e não confiável. A razão é que a amplitude final de um sinal depende de muitos fatores que não podem ser controlados de maneira confiável. Portanto, a suposição usual sobre o princípio ILS (A posição é determinada medindo a diferença de potência recebida entre dois sinais modulados por dois tons diferentes) não está correto, mas infelizmente é o que é encontrado com frequência online.
O uso do ILS, definido pela ICAO, na verdade se refere à detecção da profundidade da modulação (DM), como você já sabe. A localização do receptor em relação à linha central pode ser encontrada modulando uma portadora com dois tons (90 e 150 Hz) e comparando o DM relativo no receptor para encontrar a diferença (DDM). No entanto, como você notou corretamente, se você usa um DM constante para os tons, como pode medir um DDM variável? A resposta é que você não pode. O DM do tom relativo não varia quando você está mais próximo ou mais distante do transmissor.
Galileu poderia dizer: E ainda assim ...
O princípio baseia-se na mistura de sinais com uma diferença de fase. Quando dois sinais se combinam (interferem), a diferença de fase desempenha um papel, por exemplo,
- Quando um sinal é adicionado a uma cópia exata de si mesmo, o resultado é o dobro do sinal original.
- Quando um sinal é adicionado a uma cópia invertida de si mesmo, o resultado é zero. Um sinal senoidal é invertido ao mudar sua fase em 180 °.
- Quando um sinal é adicionado a uma cópia de si mesmo que foi deslocada por algum ângulo, o resultado fica entre zero e duas vezes o sinal, dependendo da fase relativa dos sinais.
No ILS, basicamente um sinal é enviado para referência e um sinal é enviado para comparação. No lado esquerdo da pista, o sinal para comparar é enviado em fase com a referência, no lado direito o sinal para comparar é enviado em fase de oposição com a referência.
O ILS é uma combinação de um localizador e uma inclinação, ambos os sistemas são muito semelhantes. As informações fornecidas agora se relacionam com o localizador, elas se aplicam também à ladeira, com pequenos ajustes. O projeto envolve modular a amplitude de uma transportadora. Vamos esclarecer isso primeiro.
Modulação de amplitude, profundidade de modulação, bandas laterais
Uma portadora é um sinal de radiofrequência constante (geralmente senoidal) que permanece em uma determinada frequência em todo o espectro de rádio, com toda a energia das ondas concentrada nessa frequência.
O sinal de modulação (ou modulação) é o sinal a transmitir, pode ter qualquer forma, mas, no nosso caso, sua forma é uma curva senoidal 90 Hz ou 150 Hz.
-
O processo de modulação de amplitude consiste em alterar a amplitude instantânea da portadora de acordo com a amplitude instantânea da modulação. Depois disso, o envelope externo da portadora reflete o envelope externo da modulação, mas a frequência do sinal ainda é a frequência da portadora.
O processo de modulação pode distorcer o envelope da transportadora em graus variáveis (criar picos maiores ou menores); essa é a profundidade da modulação (ou índice de modulação). O valor do índice é a amplitude pico a pico da modulação em comparação com a amplitude portadora antes da modulação. Exemplo de modulação de amplitude em 50%:
A profundidade de modulação usada para o sinal LOC é de apenas 20% (40% para o sinal G / S). Essa modulação suave deixa espaço para a operadora LOC também levar tons de identificação (em 1020 Hz) e voz ATC usada em caso de perda de comunicação.
Definição da ICAO:
The depth of modulation is the ratio of the amplitude of the modulation of the 90 Hz
or 150 Hz signal to the carrier amplitude. The DDM is the modulation depth of the
stronger signal minus the modulation depth of the weaker signal.
O desenho acima descreve a portadora modulada em uma relação de amplitude temporal. Vejamos o que acontece na relação frequência-energia. Antes da modulação, toda a energia é concentrada na frequência portadora (barra azul abaixo). O processo de modulação cria duas variáveis bandas laterais (bandas laterais inferiores e superiores, conhecidas como LSB e USB), representadas em magenta:
Espectro de uma portadora AM modulada por um único tom
O sinal de modulação é um seno puro de frequência constante, cada banda lateral contém sua energia em uma frequência específica. Se o índice de modulação for 100%, o portador constante contém 50% da energia e cada banda lateral 25%. A banda lateral assenta no eixo da frequência a uma distância da operadora igual à sua própria frequência, por exemplo, quando uma portadora 100 MHz é modulada por um tom 150 Hz, o LSB é criado em 100 MHz - 150 Hz e o USB em 100 MHz + 150 Hz.
A energia nas bandas laterais depende da profundidade da modulação. Quanto maior a profundidade da modulação, maior a energia transferida do transportador para as bandas laterais e menor a energia restante na frequência do transportador. A energia da banda lateral e a profundidade da modulação são os dois lados da mesma moeda. Nos próximos parágrafos, falarei sobre energia em vez de profundidade, mas é a mesma coisa.
Modulação do sinal ILS com tons 90 / 150 Hz
O sinal do localizador é modulado por dois tons, a referência em 90 Hz, o sinal a comparar em 150 Hz. Portanto, cada energia da banda lateral é dividida entre duas frequências:
Espectro de sinal CSB
Este sinal, conhecido como CSB (portadora e bandas laterais), será usado como está no localizador. No entanto, conforme explicado anteriormente, o elemento em fase / fora de fase deve ser enviado junto com o CSB.
Das modulações 90 / 150 Hz às modulações CSB / SBO
O transmissor localizador envia um sinal adicional com um 150 Hz invertido, conhecido como SBO (somente bandas laterais). Para este sinal, o elemento portador é removido:
Espectro de sinal SBO com modulação 150 Hz invertida
O sinal é enviado para que fique em fase de oposição com CSB no lado esquerdo da pista e em fase com CSB no lado direito.
Para resumir:
O localizador transmite CSB nos lados esquerdo e direito da matriz. O CSB contém o 150 Hz e o 90 Hz sem ajuste de fase e a portadora.
O localizador também transmite SBO que contém apenas as bandas laterais, mas onde a modulação 150 Hz é deslocada em fase pelo 180 ° em ambos os lados. O próprio sinal SBO é enviado com uma fase diferente em cada metade da matriz da antena.
Como CSB e SBO são enviados pelas antenas
A fase real entre SBO e CSB é ajustada para compensar os efeitos de modulação espacial, e o SBO é enviado com uma fase + 90 ° relativa ao CSB para as antenas à esquerda da linha central da pista e com uma fase -90 ° relativa ao CSB para as antenas à direita da enterline (os dois lados da matriz ainda possuem uma diferença de fase 180 °).
A combinação de fases opostas para o sinal SBO cria um buraco no meio do padrão de radiação SBO, parece que existem dois feixes para SBO. O CSB é irradiado centralizado neste furo:
Padrão de radiação CSB + SBO
Sobre o poder total:
- A energia irradiada do CSB é 15 W.
- A energia irradiada pela SBO é 0.6 W: parece pequena em comparação com a CSB, mas uma grande parte do 15 W é usada para a transportadora sem informação. Durante o processo de desmodulação para SBO, a transportadora CSB coerente é reutilizada, esse processo duplica a potência aparente da SBO. A diferença de poder no final é pequena.
Para atingir esse padrão de radiação, todos os sinais devem ser perfeitamente coerentes (sincronizados): modulações 90 Hz e 150 Hz, mas também modulações e portadora. Se essa condição não for atendida, o padrão de radiação resultante não está alinhado com a pista e possui uma largura aleatória.
Quando espalhados no espaço, os três sinais se misturam modulação espacial, o princípio em que o ILS se baseia e que é mais simplesmente conhecido como interferência de onda.
Modulação espacial
Um sinal (SBO) tem sua portadora suprimida, impedindo que a energia da portadora seja aumentada durante o mix CSB + SBO. Ao contrário, ao misturar as bandas laterais de cada sinal, a modulação do espaço adiciona a energia das bandas laterais onde as bandas laterais estão em fase e subtrai a energia das bandas laterais quando estão em oposição à fase.
A SBO está em fase de oposição com CSB no lado esquerdo da pista e está em fase com CSB no lado direito da pista.
Ao longo da linha central, apenas o CSB está presente, com energia igual para 90 Hz (verde) e 150 Hz (magenta). O indicador LOC será centralizado. Para criar uma área de destaque do CSB ao longo da linha central, a potência da SBO também é reduzida nas antenas centrais.
No lado esquerdo, a modulação 150 Hz foi alterada pelo 180 ° no SBO e o sinal SBO foi alterado no 180 ° em relação ao CSB no nível da antena. A modulação 150 Hz está, portanto, em fase para CSB e SBO. As energias de banda lateral são adicionadas, enquanto a energia para a modulação 90 Hz diminui porque a modulação 90 Hz no CSB e SBO está fora de fase. Portanto, há mais energia para o 150 Hz (o que significa que há uma maior profundidade de modulação). Esse efeito está ficando mais forte à medida que nos afastamos da linha central.
No lado direito, onde a modulação 150 Hz está fora de fase para CSB e SBO, a energia 150 Hz é reduzida em comparação com a energia 90 Hz nas bandas laterais, e a diferença fica mais forte à medida que nos afastamos da linha central.
Após o 10 ° a partir da linha central, o CSB não pode ser detectado, apenas o SBO pode, o indicador LOC desviará para a escala completa à esquerda ou à escala completa à direita, dependendo da fase da SBO. Outro sinal é usado para garantir um desvio de escala completa além deste ponto (consulte o sinal de liberação mais abaixo).
Se você quiser fazer alguma simulação de modulação espacial, aqui estão os detalhes dos sinais a serem mixados (veja detalhes aqui):
$ E_ {CSB} = E_C \ espaço \ cos \ espaço 2 \ pi f_C t + E_ {90} \ espaço \ sin \ espaço 2 \ pi f_ {90} t \ espaço \ cos \ espaço 2 \ pi f_C t + E_ {150} \ espaço \ sin \ espaço 2 \ pi f {150} t \ espaço \ cos \ espaço 2 \ pi F_C t $
$ E_ {SBO \ espaço 90} = K \ espaço \ sin \ espaço 2 \ pi f_ {90} t \ espaço \ cos \ espaço 2 \ pi f_C t $
$ E_ {SBO \ espaço 150} = K \ espaço \ sin \ espaço 2 \ pi f_ {150} t \ espaço \ cos \ espaço 2 \ pi f_C t $
Conversamos sobre a energia das bandas laterais. Em relação à portadora, que está presente apenas no CSB, o resultado da modulação espacial sempre contém a energia da portadora original do CSB até atingir a escala completa (o sinal de liberação fornece a portadora porque, enquanto todas as informações de modulação estão nas bandas laterais, a portadora constante é necessário sincronizar e travar o receptor e recuperar o CSB e SBO coerentes do sinal resultante de radiofreqüência modulado).
Onde o DDM finalmente aparece
Agora vamos encerrar:
- A energia portadora não é alterada pela modulação espacial, pois está presente em apenas um sinal (CSB).
- A energia das bandas laterais é aumentada ou diminuída no sinal resultante.
A energia das bandas laterais varia relativamente à energia da transportadora, mas espere ... isso é o mesmo que dizer que o DM está variando (sem realmente alterar nada no nível do transmissor).
O DDM entre 150 e 90 Hz é uma função do deslocamento do receptor da linha central (no intervalo -5 ° a + 5 °, a função é quase linear).
A modulação de espaço, na verdade, cria um DDM
O deslocamento do alinhamento é determinado pela detecção do DDM no sinal resultante.
Matriz de antena
A antena LOC é um sistema de matriz, geralmente composto por um grande número de antenas periódicas de registro, para formar um feixe direcional estreito.
Localizer array no aeroporto de Melbourne, fonte
CSB e SBO não são distribuídos igualmente para todas as antenas individuais da matriz. Antes de alcançar as antenas, sua amplitude é sintonizada para formar os três sub-feixes, e o sinal SBO é deslocado de fase:
Deslocador-misturador individual de fase de amplificador
Agora temos todos os elementos básicos para desenhar um sistema LOC:
Componentes do sistema ILS LOC
Exemplo com uma matriz de duas antenas (e resposta final à pergunta)
Vamos imaginar duas antenas alimentadas com nossos sinais CSB e SBO anteriores, com a fase SBO sendo alterada em + 90 ° para a antena 1 e em 270 ° para a antena 2.
Duas antenas com mudança de fase de 90 ° e -90 ° (270 °)
Vamos ver o que acontece quando o receptor está na linha central do P0 e a qualquer momento do P1. Para que essa explicação simplificada funcione, a distância P0 / P1 à matriz LOC deve ser muito maior que a distância d.
Receptor na linha central
O sinal recebido é a soma dos sinais enviados pelas duas antenas. Como a distância percorrida é a mesma, a fase no local do receptor também é a mesma. O sinal no ponto P0 na linha central é:
$$ S_ {P0} = K_1 \ cdot (CSB - SBO) + K_2 \ cdot (CSB + SBO) $$
Com $ K_1 $ e $ K_2 $ sendo a atenuação no espaço livre, como a atenuação é a mesma para as duas antenas, isso pode ser simplificado:
$$ S_ {P0} = K_1 \ cdot [(CSB - SBO) + (CSB + SBO)] = 2K_1 \ CDot CSB $$
No CSB, a profundidade de modulação 90 Hz é a mesma que a profundidade 150 Hz (consulte a figura anterior). diferença na profundidade da modulação (DDM) entre os tons: DDM = 0%.
Receptor no ponto P1
A distância percorrida é menor para a antena 1 e maior para a antena 2. Um condutor de fase e um atraso de fase aparecem respectivamente para a antena 1 e a antena 2. O lead da fase também é igual ao atraso da fase. Após algumas simplificações que podem ser lidas na tese vinculada:
$$ S_ {P1} (\ beta) = 2K_1 \ cdot (\ cos \ beta \ cdot CSB - \ sin \ beta \ cdot SBO) $$
com $ \ beta $ sendo a distância angular da linha central. Esta fórmula mostra:
quando $ \ beta $ é nulo (receptor na linha central), temos o resultado já visto no caso anterior,
quando $ \ beta $ é negativo ou positivo, a influência do sinal SBO aumenta e a profundidade geral da modulação entre os tons 150 e 90 Hz segue a mesma tendência até atingir -100% ou + 100%, que corresponde à ausência de influência do sinal CSB no lado do receptor.
Na fórmula acima, o sistema não depende de uma diferença para a atenuação de espaço livre para as antenas (os coeficientes K1 / K2 são assumidos iguais).
Em vez de confiar nos valores de amplitude (equívoco de dois feixes), o sistema depende da diferença de fase entre SBO e CSB:
Princípio atual do ILS, de esta fonte.
O alcance de diferença de modulação de profundidade Os valores obtidos devem ser mapeados nos valores padronizados reais para o desvio da agulha LOC, reduzindo a faixa completa para um ângulo de orientação padronizado. A especificação LOC é encontrada em Anexo da ICAO 10 à Convenção de Chicago, volume 1, anexo C:
Essa configuração é obtida ajustando o amplificador do deslocador de fase de cada antena individual (o amplificador é realmente comum a todas as antenas). Este amplificador reduz a influência do sinal SBO no DDM.
Sinal de folga
Até agora, assumimos que o sinal localizador é composto apenas pela orientação do curso, misturando os dois sinais originais CSB e SBO. Mas é muito difícil obter um feixe altamente direcional real, como o feixe de percurso, sem criar lóbulos indesejados:
Padrão de radiação da antena de feixe, fonte
O problema com os lobos secundários é que uma aeronave se aproximando alinhada com um deles o considerará o lobo principal e se aproximará da pista usando um curso errado. Existem algumas técnicas para minimizar esses lóbulos indesejados, mas nenhuma é prática para matrizes grandes como um sistema LOC. As alternativas são bloquear as ondas indesejadas após a irradiação ou inundá-las, a solução usada para o ILS.
Uma réplica do curso, o sinal de liberação, é enviado com o sinal do curso para ofuscar os lobos secundários.
O sinal de folga tem um nível de potência de 10 dB menor que o nível do curso (um décimo da potência) e é irradiado com um padrão menos direcional (menos antenas individuais para formar o feixe):
Curso e autorização
Os localizadores de hoje usam um sistema de dupla frequência, isso significa que os sinais de curso e liberação são enviados em frequências separadas.
Quando um ILS tem uma frequência VHF publicada f, o sinal do curso do localizador é realmente enviado em f + 4.75 kHz e a folga em f - 4.75 kHz. Os dois sinais podem usar as mesmas antenas ou antenas dedicadas na matriz. Exemplo de sinais enviados para cada uma das antenas 14 de uma matriz Thales LLZ (consulte acima para saber quais são os sinais de curso, liberação, CSB e SBO):
Thales Dual Frequency - Antena localizadora
A maioria das informações sobre ILS vem do Tese 1983 apresentada pelo capitão Dennis M. McCollum, BS. Respeitoso agradecimento ao autor.