Domanda:
Perché la qualità della comunicazione radio è cattiva?
ScienceSamovar
2015-11-08 23:54:16 UTC
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Perché gli aerei moderni e i centri ATC non hanno un audio di buona qualità per la comunicazione? Ad esempio in questo video:


O fondamentalmente qualsiasi altro esempio di comunicazione pilota (alcuni sono peggiori, altri sono migliori).

Questo non è terribilmente male ovviamente, ma è paragonabile a un auricolare economico da $ 4, il suono è così distorto. Ciò può causare problemi quando un pilota non capisce alcune parole e chiede di ripetere la frase. E ancora più problemi se il pilota o il supervisore di volo non sono madrelingua inglese.

C'è qualche ragione tecnica alla base di questo, come le limitazioni di antenna / segnale all'interno dell'aereo? La qualità è la stessa quando il pilota sta rullando a terra, quindi suppongo che questo non abbia nulla a che fare con la velocità o l'altitudine.

P.S. Questa domanda è in qualche modo simile, ma riguarda il sistema PA per i passeggeri, sto parlando della comunicazione pilota-ATC.

AGGIORNAMENTO
Anche se ho accettato (onestamente - per pressione dei pari) la risposta di TomMcW, che ha fornito dettagli tecnici abbastanza buoni su questo argomento, personalmente mi piace la risposta di Anthony X , che ha sottolineato il fatto molto importante che i sistemi dovrebbero essere cambiati ovunque nel mondo in un periodo di tempo molto breve e questo è probabilmente il motivo per cui non sono stati apportati cambiamenti importanti negli ultimi due decenni. Quindi suggerisco di leggere anche la sua risposta, non solo quella più votata.

È perché il segnale viene comunque trasmesso cambiando l '[ampiezza della portante] (https://en.wikipedia.org/wiki/Amplitude_modulation) (AM). L'AM è soggetto a RFI e distorsione molto più di FM / PM. Aggiungo che è anche ancora anologo mentre siamo abituati alla comunicazione digitale (telefono, CD audio, video ...)
@mins, allora ancora una volta perché è ancora AM? Esistono moltissime altre tecniche di modulazione in grado di comunicare a lungo raggio, perché non usare qualcosa di meglio? Ovviamente non tutte le bande di frequenza sono disponibili in tutti i paesi, ma è giusto aspettarsi qualche progresso in molti decenni.
Questo perché abbiamo bisogno di cambiare tutti i trasmettitori e tutti i ricevitori, ci sarebbe un periodo di transizione in cui AM e il nuovo metodo (che sarebbe compresso e digitale) sarebbero presenti. Immagino che l'ICAO abbia già un piano per questo (i dati e la voce sarebbero trasmessi in modo diverso, immagino). Si noti che la lunga trasmissione oceanica che è AM (in realtà [SSB] (https://en.wikipedia.org/wiki/Single-sideband_modulation), cioè AM senza portante e solo una banda laterale) non può usare FM che richiede un segnale più forte di FM per essere demodulato correttamente.
@mins FM non richiede un segnale più forte di AM. Al contrario, richiede molta meno potenza. Il problema è che lo spettro FM * * assegnato non si propaga su lunghe distanze, il che è una funzione della sua lunghezza d'onda, non della tecnologia.
@EJP: Il punto riguarda la comunicazione oceanica, confrontando la qualità FM rispetto a AM / SSB. Indipendentemente dalle modalità attuali e dall'attribuzione delle bande. La potenza utile ricevuta all'antenna in FM sarà circa 4 volte più debole che in SSB per la stessa potenza del trasmettitore a una data frequenza. Dalla mia esperienza, per la modulazione analogica, SSB ha le migliori prestazioni sulla distanza da HF a UHF (anche se non è la migliore qualità). Vedi questo ragazzo [confrontando entrambe le modalità] (http://www.k0nr.com/rwitte/2Mssb.html) a 144 MHz.
@mins Potrei sbagliarmi, ma penso che il motivo del segnale 4 volte più forte che una trasmissione SSB può avere su FM è semplicemente basato sul fatto che una banda laterale e la portante sono soppresse, il che significa che il trasmettitore può pompare la banda laterale più forte poiché l'alimentazione non deve essere messa nelle altre frequenze.
Il commento di @EJP's potrebbe creare confusione. Non ci sono spettri FM / AM. La banda radio utilizza AM, ma in realtà si trova proprio accanto alla banda di trasmissione FM, con una propagazione quasi identica. Le differenze si verificano in HF (ecco perché viene utilizzato per i voli oceanici). AM è inferiore a FM, ma normalmente è abbastanza comprensibile. Non ho trovato la qualità della comunicazione radio della banda aeronautica "cattiva" tranne che per l'occasione di qualcuno che ha una cattiva radio (che come prosciutto, posso riferire, si verifica anche con persone che usano FM e digitale ... :-)) .
@Steve: Hai perfettamente ragione sull'energia risparmiata in SSB, Lo stesso ragionamento vale tra FM a banda stretta e larga, sebbene l'efficienza si ottenga selezionando l '* indice di modulazione *. Le bande laterali FM non sono limitate a una singola coppia, come in AM. Ci sono tabelle ([Funzioni di Bessel] (http://electronics.stackexchange.com/questions/73334/)) che danno l'energia nel vettore e nelle bande laterali per un dato indice: ad es. per MI = 2.405 non c'è [nessuna energia nel vettore] (http://i.stack.imgur.com/ZeDpe.jpg) (ma ci sono più coppie di bande laterali, in realtà il 98% dell'energia è contenuta in 5 coppie) .
@TomMcW, bene, entrambe le risposte sono buone, è abbastanza difficile da scegliere, sarebbe bello se fosse possibile unire le risposte, ma scegliere tra risposte ugualmente buone è abbastanza difficile. Ho letto alcune discussioni su meta a riguardo, ma è ancora difficile. Hai sottolineato alcune cose positive sul lato tecnico delle cose, ma la maggior parte di esse le conoscevo già, anche se altri che leggeranno questo potrebbero non saperlo. E Anthony X ha dato alcuni buoni punti a cui non ho pensato affatto. Quindi fondamentalmente hai risposto a due diverse parti della domanda: perché il suono è di bassa qualità e perché la tecnologia non è aggiornata.
@TomMcW, Segnerei entrambi se potessi :) Comunque, spero che le persone leggano tutte le risposte e i commenti se sono interessate.
Btw +1 per aver posto una domanda che ottiene una discussione così vivace nei commenti.
@ScienceSamovar: Perché AM non FM? AM e SSB sono molto meno influenzati dagli effetti di spostamento doppler come lo è FM. FM utilizza deviazioni di frequenza relative alla frequenza portante in risposta alle modifiche ai cambiamenti nell'ampiezza audio. A velocità di volo degli aerei, il ricevitore FM non si aggancia al segnale. Con le modalità AM e SSB l'unica correzione Doppler necessaria è regolare il ricevitore di pochi khz. + / -. Per le comunicazioni a lunga distanza tramite HF, la modalità FM sarebbe illeggibile a causa di molteplici rimbalzi del segnale e distorsione di fase.
Cinque risposte:
TomMcW
2015-11-09 00:51:43 UTC
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C'è una ragione tecnica per questo. Per prima cosa devo sottolineare che la maggior parte del discorso nel video proviene dall'istruttore pilota e non passa affatto attraverso una radio. È semplicemente il suono che esce dalle sue cuffie. Ciò dimostra che lo stesso heaset sta già producendo l '"effetto radio". Fondamentalmente quello che stai ascoltando è che tutte le frequenze inferiori a circa 300 Hz e superiori a circa 4 kHz vengono drasticamente tagliate da un filtro. Ciò lascia una banda molto ristretta di frequenze audio.

Sebbene questo suono sia molto artificiale, la prima ragione è che filtra tanto rumore di fondo quanto può lasciare solo la voce. La maggior parte di ciò che rende intelligibile il parlato si verifica in questo intervallo.

La seconda ragione è che la comunicazione ATC utilizza la radio AM. Con AM la larghezza di banda audio delle frequenze audio che stai inviando corrisponde alla larghezza di banda delle frequenze radio utilizzate per inviarlo. Quindi, se invii audio a piena frequenza da 10 Hz a 10 kHz, utilizzerai una banda di frequenza molto ampia. Per fare spazio a più canali di comunicazione è necessario limitare la larghezza di banda dei segnali per non intromettersi nelle frequenze vicine.

Da wikipedia:

La qualità audio nella banda aerea è limitata dalla larghezza di banda RF utilizzata. Nel nuovo schema di spaziatura dei canali, la larghezza di banda massima di un canale in banda aerea potrebbe essere limitata a 8,33 kHz, quindi la frequenza audio più alta possibile è di 4,165 kHz. [14] Nello schema di spaziatura dei canali di 25 kHz, una frequenza audio superiore di 12,5 kHz sarebbe teoricamente possibile. [14] Tuttavia, la maggior parte delle trasmissioni vocali in banda aerea non raggiunge mai effettivamente questi limiti. Di solito, l'intera trasmissione è contenuta in una larghezza di banda da 6 kHz a 8 kHz, corrispondente a una frequenza audio superiore da 3 kHz a 4 kHz. [14] Questa frequenza, sebbene bassa rispetto al massimo della gamma uditiva umana, è sufficiente per trasmettere il parlato.

Ci sarà un limite di larghezza di banda imposto dalle autorità per massimizzare la disponibilità delle frequenze. Le radio utilizzate per l'aviazione dovranno essere certificate conformi a tali limiti. Negli Stati Uniti sarebbe la FCC (Friendly Candy Company). Ma non ho limiti di stautory specifici. Forse qualcuno li ha inventati.

Ecco una semplice spiegazione di come la larghezza di banda audio influisce sulla larghezza di banda radio.

La larghezza di banda di 4 kHz non è il problema (i telefoni utilizzano 3 kHz). Il problema è il processo di modulazione-demodulazione che non è accurato a causa delle alterazioni di ampiezza nel canale.
@mins quando dici che i telefoni usano 3 khz, ti riferisci ai moderni telefoni digitali. È un gioco completamente diverso. La frequenza portante delle trasmissioni am è influenzata dalla frequenza del segnale. Se si invia un tono da 1 khz, la trasmissione risultante è freq portante + 1 khz e freq portante - 1 khz. Una banda larga khz. Se si invia un tono da 10 khz, la frequenza è di portante + 10 khz e - 10 khz. Una banda larga 20 khz
@mins ha tolto i riferimenti a FM dalla mia risposta per evitare cornfuzion. Ho studiato radio eoni fa e da allora non ne ho più fatto niente. (Penso che la mia licenza di prosciutto sia scaduta nel 1986!) La mia memoria dei concetti è confusa.
"Fondamentalmente quello che stai ascoltando è che tutte le frequenze inferiori a circa 6 khz e superiori a circa 8 khz vengono drasticamente tagliate da un filtro. Ciò lascia una banda molto stretta di frequenze audio." @TomMcW, Trovo questa affermazione confusa. È questo quello che volevi veramente dire?
@TomMcW, Penso che tu abbia letto male il testo di Wikipedia. Il testo dice che la larghezza di banda di trasmissione totale è compresa tra 6 e 8 kHz, corrispondente a una larghezza di banda audio compresa tra 3 e 4 kHz. (Metà della larghezza di banda AM) Il limite superiore del filtro sarà quindi 3 o 4 kHz. Il limite inferiore è convenzionalmente di 300 Hz. Il testo di Wikipedia non menziona la frequenza di taglio inferiore.
@mins Ti sbagli. In FM, l'ampiezza modula la frequenza, per definizione. La deviazione di frequenza nella trasmissione corrisponde alla deviazione di ampiezza nell'ingresso e la larghezza di banda di trasmissione corrisponde ai tempi massimi di deviazione di frequenza 2. La larghezza di banda audio di una trasmissione FM è limitata solo dal trasmettitore e dal ricevitore, non dal mezzo.
@wirewrap Hai ragione, grazie. Dopo essermi fermato a pensare solo per un secondo, ho capito che 6-8 Khz ti darebbero solo sibilanti. Duh ... Modificherò la mia risposta e userò i tuoi numeri. Hanno più senso. ... e io sono un fottuto ingegnere del suono.
@EJP: Potrei sbagliarmi ma ... * La deviazione di frequenza [...] corrisponde alla deviazione di ampiezza nell'ingresso *: Il requisito di larghezza di banda tiene conto anche dell '* indice di modulazione *, che dipende dalla frequenza di modulazione. Con una modulazione sinusoidale ad ampiezza costante, l'energia non sarà equamente distribuita nella larghezza di banda, ci saranno [un numero di bande laterali la cui ampiezza dipenderà dalla frequenza] (http://i.stack.imgur.com/VzV3d. png), non sull'ampiezza, a fc-1m, fc + 1m, fc-2m, fc + 2m, ecc., come dettagliato a [pagina 32 di questo documento] (http://ece.wpi.edu/analog/ risorse / hp-am-fm.pdf).
@mins Vedi pagina 25 della tua citazione. Stai andando in tondo. L'indice di modulazione è il rapporto tra la larghezza di banda in ingresso e la deviazione della frequenza in uscita. La deviazione della frequenza di uscita non è quindi determinata dall'indice di modulazione.
1. La larghezza di banda del canale limita la larghezza di banda audio solo in schemi piuttosto ingenui (AM, FM). Schemi migliori sono noti sin dagli anni '50 e dagli anni '80 sono ampiamente utilizzati per i telefoni cellulari. 2. I filtri 300-3400 Hz per POTS sono altrettanto vecchi. I moderni filtri non lineari possono fare di meglio.
@EJP: Valori istantanei: In effetti, questa è la definizione di FM (puoi presumere che lo sappia). Continui a prendere in considerazione la relazione tempo-ampiezza visibile su un oscilloscopio, io prendo la relazione ampiezza-frequenza visibile su un analizzatore di spettro. Diciamo che non siamo d'accordo :)
Che risposta orribile e non informata che sfugge completamente al punto che anche le radio FM a due vie usate oggi hanno anche una larghezza di banda audio più stretta o più stretta! La larghezza di banda audio standard per FM VHF è stata di 3 kHz per un bel po '. Questo per ragioni tecniche. Inoltre un grosso problema che ho riscontrato con l'istruttore è che sembra (almeno a me) che il suo ingresso del microfono sembra andare in saturazione tutto il tempo. Forse sarebbe meglio ridurre il guadagno del microfono e avere un compressore della gamma dinamica correttamente impostato, se tale funzione è disponibile nelle radio mobili.
Anche in questa registrazione, non usano nemmeno i 4 kHz menzionati. Dopo aver esaminato lo spettro audio, sembra che abbiano un filtro potente che taglia praticamente tutto al di sopra di 2 kHz. La densità dello spettro di potenza sembra avere la maggioranza della potenza tra 400 Hz e 1 kHz. Ancora una volta, il ragazzo nella foto sta andando male in saturazione.
Anthony X
2015-11-09 01:35:26 UTC
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Quando furono stabiliti per la prima volta gli standard per le comunicazioni radio, si basavano sulla tecnologia del tempo: i segnali analogici filtrati per consentire la modulazione di ampiezza in una larghezza di banda limitata. Nella maggior parte delle condizioni, è abbastanza buono da trasmettere una voce intelligibile, che è il limite del suo scopo.

Il tempo e la tecnologia sono cambiati ... in teoria, un sistema digitale potrebbe trasmettere l'audio con una maggiore fedeltà e una maggiore efficienza della larghezza di banda , ma per implementare un tale sistema è necessario che tutti gli aeromobili e tutte le stazioni di terra OVUNQUE siano adeguatamente attrezzate. Non è un compito facile. Guarda come la TV è passata dall'analogico al digitale e considera che:

  1. La radio dell'aviazione è una componente fondamentale del controllo del traffico aereo e della sicurezza aerea utilizzata dagli aerei che volano abitualmente tra tutte le giurisdizioni del pianeta.
  2. Tutti (in aria ea terra) in un dato spazio aereo devono essere in grado di sentire ed essere ascoltati da tutti gli altri. Qualsiasi transizione negli standard dovrebbe avvenire senza violazione di questo principio.
  3. Gli aeromobili sono complessi da utilizzare; qualsiasi modifica alle apparecchiature deve tenere in debita considerazione i fattori umani. In che modo il passaggio a un nuovo standard radiofonico influirebbe sui compiti del pilota in merito alla selezione di radio e canali radio?
Forse anche l'analogico è più economico? "Se non è rotto, non aggiustarlo. Soprattutto se è più economico." La migrazione della TV ha spinto gli utenti della comunicazione a desiderare una qualità migliore, che probabilmente è meno prioritaria per la radio aerea. Un po 'come gli strumenti aziendali interni di tutti creati con Winforms o bootstrap invece di una soluzione personalizzata.
Inoltre, ci stiamo muovendo verso una nuova tecnologia che riduce (e in molti casi elimina) la necessità di comunicazione vocale in primo luogo, come il CPDLC.
Ma, a parte la questione pratica, perché non possiamo avere un sistema digitale (in una gamma di frequenza diversa) che ritrasmetti anche sulle onde AM standard finché tutti non sono al passo? Chiunque abbia il nuovo standard può trarre vantaggio da un audio più chiaro, con un sistema di sicurezza AM.
@jdk1.0 Sarebbe una transizione complessa e costosa, richiedendo a tutte le nazioni di concordare i nuovi standard tecnici e l'approccio di transizione, tutte le nazioni di avere una banda di frequenza appropriata libera da ogni altro uso e assegnata esclusivamente alla radio digitale, apparecchiature dual-band fabbricati e installati nelle torri di controllo di tutto il mondo e su tutti gli aeromobili. Leggi [questo wikipedia] (https://en.wikipedia.org/wiki/Airband) per una breve discussione sull'argomento; si noti che, nonostante i problemi di qualità, il sistema analogico esistente offre uno o due vantaggi in termini di sicurezza.
@Anthony-x Esatto, motivo per cui ho preceduto la mia domanda "a parte la questione pratica". In effetti, mi chiedevo quali fossero gli svantaggi della strategia di transizione _particular_ dato che magicamente abbiamo già l'attrezzatura per chiunque voglia usarla. L'unico motivo che mi viene in mente è la necessità di più larghezza di banda, come hai detto (oltre ai vantaggi in termini di sicurezza).
@jdk1.0 "Necessita di più larghezza di banda" - sì, per la transizione - sia la banda esistente che quella nuova sarebbero allocate simultaneamente, ma dopo la transizione, sarebbe richiesta meno larghezza di banda (codifica ragionevole, protocolli, ecc. Sarebbe più efficiente della larghezza di banda per fare lo stesso lavoro)
user12200
2015-11-09 10:17:01 UTC
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Le influenze esterne possono avere un impatto sui sistemi di comunicazione. Un collegamento per controllare la meteorologia spaziale:

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

Questa risposta dovrebbe essere ampliata su ...
Old_Fossil
2017-09-24 12:39:40 UTC
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La qualità dell'audio è influenzata dal modo in cui il pilota parla al microfono. Per un audio perfetto non si dovrebbe parlare direttamente nel microfono poiché ciò aumenta le frequenze dei bassi della voce degli altoparlanti e ingrandisce i pop e i sibili causati dalla normale respirazione. Parlare con il microfono a livello del mento anziché a livello delle labbra aumenta notevolmente l'intelligibilità dell'audio. La maggior parte delle apparecchiature di comunicazione di qualità contiene circuiti compander (compressione / espansione audio) per livellare l'audio. Ciò ha l'effetto di aumentare le parti più silenziose e abbassare le parti più rumorose della trasmissione a livelli ragionevoli.

Per quanto riguarda la modalità di trasmissione, sia AM o FM o SSB, si applica il principio GIGO. Garbage In La qualità audio di Garbage Out accoppiata con la sovramodulazione o la sovra deviazione nel caso di FM influenzerà negativamente l'audio ricevuto.

AM e SSB sono usati nell'aviazione perché queste modalità non sono influenzate dallo spostamento Doppler causato da un aereo in rapido movimento che sarebbe problematico con le trasmissioni FM.

SSB non è influenzato dallo spostamento Doppler? Hu, come si costringe il BFO ​​a seguire la banda laterale senza un riferimento di portante?
Un aereo a 800 km / ho 2880 m / s sta causando uno spostamento doppler di soli 9,6 ppm (parte per milione). È necessario un oszillatore a cristalli molto stabile per un errore di frequenza inferiore a 10 ppm. Gli aerei sono molto lenti rispetto alla velocità della luce.
Con SSB la portante viene soppressa o rimossa quando viene trasmessa utilizzando un modulatore bilanciato. Quando il segnale viene ricevuto, il BFO ​​(Beat Frequency Oscillator) emula la portante mancante e viene reinserito e miscelato con quel segnale e ricrea il segnale originale. Il segnale BFO diventa il riferimento della portante nel ricevitore. A seconda della banda laterale utilizzata, la frequenza del BFO ​​viene compensata in modo appropriato.
La FM è più influenzata dallo spostamento Doppler perché il fenomeno è essenzialmente un esempio di ciò che viene chiamato FM indiretto (cambiamento di frequenza causato da un oggetto in movimento). Pensa che il clacson del treno risuona dalla prospettiva dei pedoni. Quando l'aereo si avvicina alla torre, l'ATC dovrebbe sintonizzarsi con una frequenza più alta, quando atterra l'ATC e l'aereo con la stessa frequenza, quando prende l'ATC, dovrebbe sintonizzarsi più in basso per mantenere il contatto. Un dolore al sedere sia per l'ATC che per il pilota. La variazione di frequenza è di circa 31 Hz per km / h
@Uwe 800 km / h è di circa 220 m / s, non 2880 m / s come suggerisce il tuo commento. A quasi 3 km / s sei nel regno dei caccia ad alte prestazioni o dei jet da ricognizione.
@Uwe, La velocità della luce è elevata, ma la comunicazione radio dell'aereo avviene nella gamma di 100 MHz e i canali sono larghi solo 25 kHz (8,33 kHz in Europa). Nel tuo esempio: 136,025 -> 136,0251 o 4.000 ppm (12.000 ppm in Europa). (Non sono sicuro del motivo per cui sono fuori 2 ordini di grandezza rispetto a resident_heretic.)
quiet flyer
2018-10-27 13:48:14 UTC
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L '"effetto cattura" è uno dei motivi per cui la radio AM è ancora preferita alla radio FM per le comunicazioni aeree. La citazione seguente è da un documento intitolato " Applicazioni radio modulate in ampiezza nell'aviazione":

Nelle telecomunicazioni, l'effetto di cattura è un fenomeno associato alla ricezione FM in cui solo verrà demodulato il più forte dei due segnali a, o vicino, la stessa frequenza. L'effetto di cattura è definito come la soppressione completa del segnale più debole al limitatore del ricevitore (se ne ha uno) dove il segnale più debole non viene amplificato, ma attenuato . Quando entrambi i segnali sono quasi uguali in intensità, o stanno svanendo indipendentemente, il ricevitore può passare dall'uno all'altro e mostrare una scherma. In molte applicazioni commerciali, è fantastico poter ottenere una nitidezza straordinaria utilizzando le radio FM, separando i canali molto facilmente grazie all'effetto di cattura. Tuttavia, nelle applicazioni aeronautiche, la radio viene utilizzata per trasmettere segnali vocali che non richiedono molta chiarezza. Ancora più importante, l'effetto di cattura è molto dannoso in quanto "blocco attivo" significa che i segnali di emergenza non possono essere intercettati in molte situazioni!

La modulazione di ampiezza, o la trasmissione radio AM, non è soggetta all'effetto di cattura. Questo è uno dei motivi per cui l'industria aeronautica ha scelto di utilizzare AM per le comunicazioni anziché FM, consentendo la trasmissione di più segnali sullo stesso canale.

La fonte prosegue descrivendo simulazioni al computer di Comunicazioni radio AM vs FM.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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