Как достигается различная глубина модуляции наземными передатчиками курсового радиомаяка?

Сила луча уменьшается по мере того, как вы удаляетесь от его собственной центральной линии, так что на самом деле сила всего модулированного сигнала уменьшается, что при демодуляции фактически является разницей в глубине амплитудной модуляции?

Ваш вопрос действительно хороший. Глубина модуляции – это отношение между амплитудой модуляции и амплитудой несущей. Изменение относительной силы сигнала изменяет соотношение обеих амплитуд, но сохраняет соотношение неизменным. Никакой DDM действительно не может появиться таким образом.

Тоны 90 и 150 Гц напрямую не используются . Сердцем системы, создающей DDM, являются два сигнала: CSB (несущая и боковые полосы, см. ниже, что такое боковая полоса) и SBO (только боковые полосы) и сюрприз! они содержат одинаковое количество тонов частотой 90 и 150 Гц и передаются в равном количестве по обеим сторонам взлетно-посадочной полосы.

Теперь ключевые моменты ИЛС:

• Фаза SBO зависит от стороны ВПП (+/-90°, CSB не изменяется)
• Фаза тона 150 Гц инвертируется в SBO (90 Гц не изменяется).

Поскольку SBO содержит только боковые полосы, когда CSB и SBO интерферируют в пространстве, фактически интерферировать могут только боковые полосы, несущая, обнаруженная в CSB, не изменяется.

Когда боковые полосы создают помехи, способ их построения (путем настройки фаз) делает 150 Гц более заметными слева от полосы и менее заметными справа (подробности ниже, рисунки пояснят). Так:

• Амплитуда несущей не изменилась в процессе
• Изменена амплитуда боковых полос.

Поскольку боковые полосы представляют собой модуляцию, фактически происходит изменение DM (соотношение между модуляцией и амплитудой несущей), и волшебно появляется DDM, увеличиваясь по мере удаления от CSB, то есть по мере удаления от центральной линии.

В бесчисленных упрощенных описаниях основное внимание уделяется частотам 90 и 150 Гц, каждая из которых якобы передается на определенной стороне взлетно-посадочной полосы (см. Изображение выше). Они упускают из виду, что ILS основана не на сравнении амплитуды, а на сравнении глубины модуляции.

Два последних пункта:

• Точное местоположение нельзя определить, просто используя мощность принимаемого сигнала (RSS) двух или более сигналов. Позиционирование на основе RSS, улучшенное с помощью алгоритмов усреднения, обычно используется для грубого позиционирования ( например, в сотовых сетях ), поскольку затраты незначительны, но RSS зависит от многих факторов, которые невозможно контролировать.

• С другой стороны, фаза сигнала остается неизменной до тех пор, пока сигнал не отразится, не дифрагирует или не попадет в материал с другим показателем преломления. Таким образом, за счет принятия соответствующих мер защиты в зоне Френеля фазовая ИЛС очень надежна. Фаза используется во многих сложных радиоприложениях. Отсутствие роли фазы в ILS (и обычном VOR ) на самом деле означает отсутствие хитрости этих технологий.

Если это резюме увеличило ваше любопытство к более подробной информации, просто продолжайте, но для хорошего понимания нам нужно сначала уточнить несколько понятий: Фаза, модуляция и боковые полосы.

Фаза и сравнение фаз

При представлении сигнала, например синусоидального сигнала, мы можем рассматривать различные параметры. Часто мы изображаем амплитуду как функцию времени (правая сторона):

^{Два представления сигнала: фаза/амплитуда и время/амплитуда}

Мы также можем представить круг со шкалой от 0° до 360°, точку, перемещающуюся по этой шкале за время цикла сигнала (слева вверху).

Фаза - это значение угла. Обычно нас интересует разность фаз двух сигналов с одинаковой частотой:

^{Разность фаз}

Два сигнала могут быть в фазе (без разницы), в противофазе (180°), в квадратуре (90°) или иметь любую разность фаз. Разность фаз играет важную роль при интерференции двух сигналов:

• Если сигнал находится в фазе, амплитуда результата представляет собой сумму отдельных амплитуд.
• Если сигналы находятся в противофазе, амплитуды вычитаются.
• Для любой другой разности фаз амплитуда результата находится между нулем и суммой отдельных амплитуд.

В ILS в основном один сигнал отправляется для сравнения (CSB) и один сигнал для сравнения (SBO). SBO, с одной стороны, создает аддитивные помехи CSB и субстрактные помехи, с другой стороны. Но на самом деле из-за того, что 150 Гц инвертируются в SBO, на аддитивной стороне, в центре области интерференции, 150 Гц компенсируют себя, 90 Гц удваивают свою амплитуду. С другой стороны, 150 Гц удваивают свою амплитуду, 90 Гц отменяется. По мере того, как мы удаляемся от центра области интерференции, этот аддитивный/вычитающий эффект уменьшается до тех пор, пока SBO не останется без изменений, потому что мы находимся вне зоны CSB.

Теперь давайте проясним часть, связанную с модуляцией и глубиной модуляции.

Амплитудная модуляция, глубина модуляции, боковые полосы

Модуляция относится к несущей, которая является просто причудливым названием постоянного (обычно синусоидального) радиочастотного сигнала на заданной частоте, поэтому вся волновая энергия сосредоточена на этой частоте. Частота несущей обычно очень велика по сравнению с модуляцией.

Модулирующий сигнал (или модуляция) — это сигнал для передачи, он может иметь любую форму, но в нашем случае его форма — это синусоида с частотой 90 Гц или 150 Гц.

Амплитудная модуляция заключается в изменении мгновенной амплитуды несущей в соответствии с мгновенной амплитудой модуляции. После этого внешняя огибающая несущей отражает внешнюю огибающую модуляции:

^{Несущая модулирована на 50%}

Модуляция может отпечатываться на переменной глубине (более высокие или меньшие пики). Это измеряется индексом модуляции, также известным как глубина модуляции. Значение индекса представляет собой отношение амплитуд: амплитуда модуляции/амплитуда несущей.

Глубина модуляции, используемая для сигнала LOC, составляет всего 20 % (40 % для сигнала G/S), чтобы оставить место для опознавательных тонов на частоте 1020 Гц.

Определение ИКАО для глубины модуляции ILS:

Глубина модуляции — это отношение амплитуды модуляции сигнала 90 Гц или 150 Гц к амплитуде несущей. DDM представляет собой глубину модуляции более сильного сигнала минус глубину модуляции более слабого сигнала.

Давайте посмотрим, как энергия распределяется по частоте.

^{Спектр несущей AM, модулированный синусоидальным тоном}

Перед модуляцией вся энергия концентрируется на несущей частоте (синяя полоса внизу). В процессе модуляции создаются две переменные боковые полосы : нижняя (LSB) и верхняя (USB), обозначенные пурпурным цветом.

Если индекс модуляции равен 100 %, несущая содержит 66 % энергии, а каждая боковая полоса — 17 % ( математическое объяснение ). Когда несущая 100 МГц модулируется тоном 150 Гц, LSB создается на частоте 100 МГц - 150 Гц, а USB на частоте 100 МГц + 150 Гц.

Чем больше глубина модуляции, тем больше энергии передается от несущей в боковые полосы и тем меньше энергии остается на несущей частоте. Энергия боковой полосы и глубина модуляции — две стороны одной медали. В следующих абзацах я буду говорить об энергии, а не о глубине, но это то же самое.

Модулирование сигнала ILS тонами 90/150 Гц

Сигнал курсового радиомаяка модулируется двумя тонами, опорный на частоте 90 Гц, сигнал для сравнения на частоте 150 Гц. Поэтому энергия каждой боковой полосы делится между двумя частотами:

^{Спектр сигнала CSB}

Этот сигнал, известный как CSB (несущая и боковые полосы), будет использоваться как есть в локализаторе. Однако, как объяснялось ранее, элемент «синфазный/нефазовый» должен отправляться вместе с CSB.

От модуляции 90/150 Гц до модуляции CSB/SBO

Передатчик курсового радиомаяка посылает дополнительный сигнал с инвертированной частотой 150 Гц, известный как SBO (только боковые полосы). Для этого сигнала элемент несущей отменяется ( модуляция DSB-SC ):

^{Спектр сигнала SBO с инвертированной модуляцией 150 Гц}

Сигнал передается в противофазе с CSB с левой стороны взлетно-посадочной полосы и в фазе с CSB с правой стороны (это делается с помощью фазовращателей на уровне антенны, см. ниже).

Подвести итоги:

• Локализатор передает CSB по левой и правой сторонам массива. CSB содержит как 150 Гц, так и 90 Гц без подстройки фазы, а также несущую.

• Курсовой также передает SBO, который содержит только боковые полосы, но где модуляция 150 Гц сдвинута по фазе на 180° в обе стороны. Сам сигнал SBO отправляется с разной фазой на каждую половину антенной решетки.

Как антенны посылают CSB и SBO

Фактическая фаза между SBO и CSB регулируется для компенсации эффектов пространственной модуляции, и SBO передается с фазой +90° относительно CSB для антенн слева от осевой линии ВПП и с фазой -90° относительно CSB. для антенн справа от линии входа (две стороны решетки все еще имеют разность фаз 180 °).

Комбинация прямо противоположных фаз для сигнала SBO компенсирует ЭМ поле в центре, разделяя диаграмму направленности SBO на две части, кажется, что для SBO есть два луча. CSB излучается с центром в этом отверстии:

^{Диаграмма направленности CSB+SBO}

Элементы, составляющие CSB и SBO, должны быть синхронизированы. Фазы тщательно регулируются для формирования диаграммы направленности (т.е. совмещения лоализатора с центральной линией и установки его ширины) и для обеспечения линейности ЦМР в центральной части.

При распространении в пространстве три сигнала смешиваются посредством пространственной модуляции , принципа, на котором основана ILS и который более известен как волновая интерференция .

Пространственная модуляция

Один сигнал (SBO) имеет подавленную несущую, что предотвращает увеличение энергии несущей во время микширования CSB+SBO. Наоборот, при смешивании боковых полос каждого сигнала пространственная модуляция добавляет энергию боковых полос, когда боковые полосы находятся в фазе, и вычитает энергию боковых полос, когда они находятся в противофазе.

SBO находится в противофазе с CSB на левой стороне взлетно-посадочной полосы и в фазе с CSB на правой стороне взлетно-посадочной полосы.

• Вдоль центральной линии присутствует только CSB с одинаковой энергией для 90 Гц (зеленый) и 150 Гц (пурпурный). Индикатор LOC будет в центре. Чтобы создать заметную область CSB вдоль центральной линии, мощность SBO также уменьшается на центральных антеннах.

• С левой стороны модуляция 150 Гц смещена на 180° в SBO, а сигнал SBO сдвинут на 180° относительно CSB на уровне антенны. Таким образом, модуляция 150 Гц совпадает по фазе для CSB и SBO. Энергия боковой полосы добавляется, а энергия для модуляции 90 Гц уменьшается, поскольку модуляция 90 Гц в CSB и SBO не совпадает по фазе. Так что на 150 Гц энергии больше (а значит и глубина модуляции больше). Этот эффект усиливается по мере удаления от центральной линии.

• На правой стороне, где модуляция 150 Гц не совпадает по фазе для CSB и SBO, энергия 150 Гц уменьшается по сравнению с энергией 90 Гц в боковых полосах, и разница становится сильнее по мере удаления от центральной линии.

За 10° от центральной линии CSB не может быть обнаружен, только SBO может быть обнаружен, индикатор LOC будет отклоняться на полную шкалу влево или на полную шкалу вправо в зависимости от фазы SBO. Другой сигнал используется для обеспечения полного отклонения шкалы от этой точки (см. сигнал зазора ниже).

Если вы хотите симулировать пространственную модуляцию, вот подробная информация о сигналах для микширования (подробности см. здесь ):

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

Мы говорили об энергии боковых полос. Что касается несущей, которая присутствует только в CSB, то результат пространственной модуляции всегда содержит энергию исходной несущей CSB до достижения полной шкалы (затем сигнал очистки предоставляет несущую, потому что, хотя вся информация о модуляции находится в боковых полосах, постоянная несущая необходимо для синхронизации и синхронизации приемника и извлечения когерентных CSB и SBO из результирующего модулированного радиочастотного сигнала).

Где наконец появляется DDM

Теперь подведем итоги:

• Энергия несущей не изменяется при пространственной модуляции, поскольку она присутствует только в одном сигнале (CSB).
• Энергия боковых полос увеличивается или уменьшается в результирующем сигнале.

Энергия боковых полос меняется относительно энергии несущей, но подождите... это то же самое, что сказать, что DM меняется (без фактического изменения чего-либо на уровне передатчика).

DDM между 150 и 90 Гц является функцией смещения приемника от центральной линии (в диапазоне от -5° до +5° функция является квазилинейной).

^{Пространственная модуляция фактически создает DDM.}

Смещение выравнивания определяется обнаружением DDM в результирующем сигнале.

Антенная решетка

Антенна LOC представляет собой решетчатую систему, обычно состоящую из большого количества отдельных логопериодических антенн , формирующих узкий направленный луч.

^{Массив локализатора в аэропорту Мельбурна, источник}

CSB и SBO не распределяются равномерно по всем отдельным антеннам массива. Перед достижением антенн их амплитуда настраивается для формирования трех подлучей, а сигнал SBO сдвигается по фазе:

^{Индивидуальный усилитель-фазовращатель-смеситель}

Теперь у нас есть все основные элементы для рисования системы LOC:

^{Компоненты системы ILS LOC}

Пример с массивом из двух антенн (и окончательный ответ на вопрос)

Давайте представим две антенны, на которые подаются наши более ранние сигналы CSB и SBO со сдвигом фазы SBO на +90° для антенны 1 и на 270° для антенны 2.

^{Две антенны с фазовым сдвигом 90° и -90° (270°)}

Давайте посмотрим, что происходит, когда приемник находится на центральной линии в точке P0 и в любой точке P1. Чтобы это упрощенное объяснение работало, расстояние до массива LOC (D) должно быть намного больше, чем расстояние между антеннами и осевой линией (d).

Приемник по центральной линии

Принятый сигнал представляет собой сумму сигналов, отправленных двумя антеннами. Поскольку пройденное расстояние одинаково, фаза в месте расположения приемника также одинакова. Сигнал в точке P0 на центральной линии:

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

С$K_1$и$K_2$затухание в свободном пространстве, так как затухание одинаково для обеих антенн, это можно упростить:

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

В CSB глубина модуляции 90 Гц такая же, как и 150 Гц (см. предыдущий рисунок). Между тонами нет разницы в глубине модуляции (DDM): DDM = 0%.

Приемник в точке P1

Пройденное расстояние меньше для антенны 1 и больше для антенны 2. Опережение по фазе и отставание по фазе возникают соответственно для антенны 1 и антенны 2. Опережение по фазе также равно отставанию по фазе. После некоторого упрощения, которое можно прочитать в связанном тезисе:

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

с$\beta$угловое расстояние от центральной линии. Эта формула показывает:

• когда$\beta$имеет значение null (приемник на центральной линии), мы имеем результат, уже наблюдаемый в предыдущем случае,

• когда$\beta$отрицательное или положительное, влияние сигнала SBO увеличивается, и общая глубина модуляции между тонами 150 и 90 Гц следует той же тенденции, пока не достигнет -100% или +100%, что соответствует отсутствию влияния сигнала CSB на стороне приемника.

^{Фактический принцип ILS, из этого источника .}

Полученный диапазон разности модуляции глубины необходимо сопоставить с фактическими стандартизированными значениями отклонения стрелки LOC, уменьшив полный диапазон до стандартизированного угла наведения. Спецификация LOC находится в приложении 10 ИКАО к Чикагской конвенции , том 1, приложение C:

Эта настройка получается путем настройки усилителя фазовращателя от каждой отдельной антенны (фактически усилитель общий для всех антенн). Этот усилитель уменьшает влияние сигнала SBO на DDM.

Сигнал очистки

До сих пор мы предполагали, что сигнал курсового радиомаяка состоит только из наведения по курсу, смешивая два исходных сигнала CSB и SBO. Но очень сложно получить настоящий узконаправленный луч, такой как курсовой, без создания нежелательных лепестков:

^{Диаграмма направленности направленной антенны, источник}

Проблема со вторичными лепестками заключается в том, что самолет, приближающийся к одному из них, увидит его как главный лепесток и будет приближаться к взлетно-посадочной полосе, используя неправильный курс. Есть несколько методов минимизации этих нежелательных лепестков, но ни один из них не подходит для больших массивов, таких как система LOC. Альтернативой является блокирование нежелательных волн после их излучения или их затопление, решение, используемое для ILS.

Копия курса, сигнал разрешения , отправляется с сигналом курса, чтобы затмить вторичные лепестки.

Сигнал разрешения имеет уровень мощности на 10 дБ меньше уровня курса (десятая часть мощности) и излучается с меньшей диаграммой направленности (меньше отдельных антенн для формирования луча):

^{Курс и оформление}

Современные курсовые радиомаяки используют двухчастотную систему, это означает, что сигналы курса и разрешения передаются на разных частотах.

Когда ILS имеет опубликованную УКВ-частоту f, сигнал курсового радиомаяка фактически передается на частоте f + 4,75 кГц, а разрешение на частоте f - 4,75 кГц. Два сигнала могут использовать одни и те же антенны или специальные антенны в решетке. Пример сигналов, отправляемых на каждую из 14 антенн массива Thales LLZ (см. выше, что такое сигналы курса, разрешения, CSB и SBO):

^{Thales Dual Frequency – Антенна курсового маяка}

---

Большая часть информации о ILS взята из диссертации 1983 года, представленной капитаном Деннисом М. Макколлумом, бакалавром медицины . Уважительное спасибо автору.

Хорошо, вероятно, лучшее объяснение движения ILS! отличная работа! Я преподаю ILS инженерам по техническому обслуживанию и техникам, я уверен, что вы могли бы выполнять мою работу! Спасибо, что воспользовались моей статьей о космической модуляции из Википедии! хотя это не совсем волновая интерференция/суперпозиция, это намного сложнее, но достаточно близко.

Значения DDM и SDM еще раз были хорошо объяснены - статьи в Википедии для них тоже мои, LOL.

DDM определяется комбинированным результирующим вектором (электронная версия векторов, используемых для представления сигналов, а не сил), сложением/вычитанием мощности несущей волны CSB и глубиной модуляции двух разных частот 90 и 150 Гц, обе 20% при антенна и мощность SBO (только боковая полоса) и глубина модуляции 90 и 150 Гц, опять же сложение/вычитание вектора!

Когда все эти фазы и мощности объединяются в (воздушном) пространстве, где их принимает самолет, дисплей ILS эффективно измеряет разницу тока в стрелке индикатора между -150 микроампер и +150 микроампер.

если самолет приближается к центральной линии, DDM составляет 20% 90 Гц и 20% 150 Гц = 0 % Разница между ними, стрелка остается в центре - самолет находится на центральной линии.

Клиренс на другой частоте, но в пределах полосы пропускания канала авионики для Курса, (сложная концепция) так что боковые лепестки он не отменяет - он их заглушает! Боковые лепестки курса, которые сами по себе не находятся в пределах навигационного пути курса.

Концепция ILS проста, но технология (с 1938 года!) невероятно хорошо спроектирована! Я преподаю ее уже 15 лет, и КАЖДЫЙ раз, когда я провожу занятия, я узнаю что-то новое об этой системе, я работал с радарами, аппаратами МРТ, компьютерными томографами и оборудованием для ядерной медицины — это высоко в области технологий!