“analisis del equipo medidor de
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN
INGENIERÍA AERONÁUTICA
SEMINARIO DE AVIÓNICA
“ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE
DISTANCIA EN LAS AERONAVES Y
PROPUESTA DE USO DEL SISTEMA
GALILEO COMO MEJORA
TECONOLOGICA”
Carlo Antonio Villegas Castro* Jorge Javier García Andrade*
* Ingeniero Aeronáutico [email protected]
* Ingeniero Aeronáutico [email protected]
AGRADECIMIENTOS
DOY GRACIAS:
A DIOS POR DARME LA FUERZA PARA CONSEGUIR ESTE
TRIUNFO PROFESIONAL
A MI
FAMILIA
POR SER EL PILAR DE MI FORMACIÓN
A LA ESIME
TICOMAN
POR HABER DESARROLLADO MIS CAPACIDADES Y
PERMITIRME ESTAR DENTRO DE SUS AULAS DONDE
APRENDI A SER PROFESIONAL.
A MIS
PROFESORES
POR QUE EN ELLOS ENCONTRÉ LA INSPIRACIÓN Y
LA FUENTE DE CONOCIMIENTO QUE HOY ME
PERMITE CONCLUIR ESTA ETAPA PROFESIONAL
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INDICE GENERAL
INDICE GENERAL 2 RESUMEN 4 INTRODUCCION 5 Capítulo 1. TRANSMISORES, RECEPTORES Y LINEAS DE TRANSMISION 1.1 RECEPTORES Y TRANSMISORES 6 1.1.1 TRANSMISOR. 6 1.1.2 OSCILADOR DE RF. 6 1.1.3 SEPARACIÓN 9 1.2 ESTABILIDAD DE FRECUENCIA. 11 1.3 AMPLIFICADORES DE RF 11 1.4 MODULADORES. 19 1.5 AMPLITUD MODULADA. 20 1.6 SISTEMAS DE BANDA LATERAL ÚNICA Y BANDA LATERAL DOBLE 24 1.7 MODULACIÓN EN ANGULO 26 1.8 FRECUENCIA MODULADA (FM) 28 1.9 TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 31 1.9.1 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE CONDUCTOR PARALELO 31 1.9.2 CABLE DE PAR TRENZADO 32 1.9.3 PAR DE CABLES PROTEGIDO CON ARMADURA. 33 1.10 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN COAXIAL O CONCÉNTRICA 33 1.10.1 BALUNES. 35 1.11 DEFINICIÓN DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN 36 1.12 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 36 1.13 DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL CIRCUITO 37 1.14 CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSMISIÓN 38 1.14.1 IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA. 38 1.15 CÁLCULO DE IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA (Z0) 38 1.16 CONSTANTE DE PROPAGACIÓN 39 1.17 FACTOR DE VELOCIDAD 40 1.18 LONGITUD ELÉCTRICA DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 42 1.19 PÉRDIDAS EN LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 43 1.19.1 PÉRDIDA DEL CONDUCTOR 43 1.19.2 PÉRDIDA POR RADIACIÓN 43 1.19.3 PÉRDIDA POR CALENTAMIENTO DEL DIELÉCTRICO 43 1.19.4 PÉRDIDA POR ACOPLAMIENTO 43 1.20 CORONA (DESCARGAS LUMINOSAS) 44 1.21 ONDAS INCIDENTES Y REFLEJADAS 44 1.22 LÍNEAS RESONANTES Y NO RESONANTES 44 1.23 COEFICIENTE DE REFLEXIÓN 45 1.23.1 RELACIÓN DE ONDA ESTACIONARIA 46 1.23.2 ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA LÍNEA ABIERTA 47 1.23.3 ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA LÍNEA EN CORTOCIRCUITO 49
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Capítulo 2. ANALISIS DEL DME 2.1 HARDWARE 50 2.2 TIEMPO DE REPETICIÓN 51 2.3 CALCULO DE DISTANCIA 51 2.4 PRESICIÓN 51 2.5 TERMINAL DME 52 2.5.1 TERMINAL EN APROXIMACION 52 2.6 PRINCIPIOS DE OPERACION 53 2.7 DESCRIPCION DEL DME Y ANALISIS DEL DIAGRAMA A BLOQUES 56 Capítulo 3. PROPUESTA DE MEJORA TECNOLOGICA 3.1 SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACION POR SATELITE 64 3.2 LOS GNSS Y SU USO EN LA AVIACION COMO SISTEMA DE NAVEGACION 65 3.3 SISTEMA GALILEO 66 3.3.1 PROPUESTA COMO SISTEMA DE NAVEGACION AEREA 67 3.3.2 BENEFICIOS DEL USO DEL SISTEMA GALILEO EN LA AVIACION 68 Capítulo 4. CONCLUSIONES 69 GLOSARIO 70 BIBLIOGRAFIA 71
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RESUMEN
En esta tesina se analiza el sistema del Equipo Medidor de Distancia (DME),
considerando su principio de funcionamiento, características, componentes y diagramas a
bloques, tomando en consideración los fundamentos básicos de la transmisión de
información en las frecuencias determinadas para ello.
Del mismo modo se hace referencia a los receptores y transmisores de AM y FM
básicos que ilustran el principio de funcionamiento de un sistema básico de
comunicaciones.
OBJETIVO
La presente tesina tiene un objetivo general y un objetivo especifico. El objetivo general es
analizar el funcionamiento de los DME en cuanto a su aporte directo en la aviación, su
funcionamiento electrónico y matemático. A su vez se busca enfatizar el hecho que los
DME siguen siendo parte de la aviónica fundamental en una aeronave.
Con el objetivo especifico se busca realizar una difusión de un sistema totalmente nuevo
de navegación, el cual se presenta en forma de propuesta de mejora tecnológica en esta
tesina con el que se cambiaria de forma drástica la navegación de las aeronaves como la
conocemos al día de hoy y que sustituiría diferentes sistemas como lo es el DME.
METODOLOGIA
En el presente trabajo se muestra un método analítico, con lo cual se busca realizar una
disolución del tema en fragmentos para su mejor entendimiento. Tomando en cuenta el
objetivo especifico de este documento es que esta tesina esta segmentada en capítulos
los cuales explican las partes fundamentales del funcionamiento de un DME.
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INTRODUCCIÓN
DE LOS DME
En aviación el sistema DME representa un sistema critico para las aeronaves, ya que es
de fundamental importancia que se tenga conocimiento continuo en tiempo real de la
posición de la aeronave, para lo cual se utilizan diferentes sistemas de navegación como
lo son el VOR, ADF el Radar y/o el DME.
Específicamente hablando el DME permite realizar gracias a un cálculo de distancias,
operaciones de aproximación, que se consideran críticas en la aviación entre otras
operaciones.
Este es un sistema que cumple con las características de seguridad que forman parte del
conjunto de factores que son esenciales para el control total de las aeronaves, y que
garantizan la seguridad en vuelo. Siendo un sistema tan importante, este se instala en
todas las aeronaves y es ocupado en todos los aeropuertos del mundo
Por lo antes mencionado el vuelo con instrumentos de medición garantiza un
porcentaje de accidentes bajo, y es de este modo que se vuelven indispensables dichos
instrumentos.
JUSTIFICACION
Este ejemplar se ha llevado a cabo para que se comprenda el funcionamiento de
un medidor de distancia entre la tierra y una aeronave que la sobrevuela.
Fundamentando todos los principios básicos del funcionamiento de un equipo de
medición como lo es el DME.
El principal objetivo es desglosar de una manera mas clara como funciona este
equipo para el apoyo de la comunidad Politécnica en su aprendizaje.
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CAPITULO 1 TRANSMISORES, RECEPTORES Y LINEAS DE TRANSMISION
1.1 RECEPTORES Y TRANSMISORES
1.1.1 TRANSMISOR.
Dispositivo capaz de generar, modular y amplificar una señal de radio frecuencia que al
circular por la antena genera un campo electromagnético alterno de una frecuencia igual a
la corriente de radio frecuencia, la cual es radiada por esta antena hacia el espacio en
forma de lo que llamamos ondas de radio.
Un equipo transmisor básico está compuesto de los siguientes bloques: Un oscilador de
RF, un pre amplificador excitador, de RF, un amplificador de AF un modulador y
amplificador final o de potencia.
1.1.2 OSCILADOR DE RF.
En sistemas de radio, los osciladores de onda senoidal establecen las frecuencias de
portadora del transmisor y excitan a las etapas mezcladoras que convierten las señales
de una frecuencia a otra. Estos papeles los desempeñan también, en medida pequeña
pero que tiende a crecer, los osciladores de onda cuadrada y los sintetizadores aunque
para mayor parte de las aplicaciones, los osciladores de onda senoidal continúan siendo
la fuente más económica de formas de onda sinusoidal.
Un oscilador de onda senoidal es un circuito que mediante amplificación y
retroalimentación genera una salida senoidal (frecuencia de portadora). Su elemento
activo es normalmente un transistor BJT o FET y la frecuencia de operación se determina
con un circuito sintonizado o XTAL piezoeléctrico en el que la trayectoria de
retroalimentación, para la elección de un oscilador se debe de tener en cuenta:
a) Frecuencia de operación
b) Amplitud de salida
c) Estabilidad de frecuencia
d) Estabilidad de amplitud
e) Pureza de la forma de onda de salida
f) Posibilidad de que ocurran modos de oscilación indeseables.
Los criterios para que se establezcan la oscilación en un circuito que tenga
retroalimentación será cuando la señal de retroalimentación sea mayor que la de entrada
y en fase con ella, se iniciaran las oscilaciones y crecerán en amplitud, hasta que la
saturación reduzca la ganancia alrededor del bucle de retroalimentación a la unidad.
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Existen varios tipos de osciladores pero se prefieren los de base común para osciladores
de RF pues:
1.-Reducen al mínimo la retroalimentación dentro del transistor, permitiendo un mejor
control de la retroalimentación global mediante elementos de circuitos externos.
2.- La ganancia en corriente tiene un desplazamiento de fase pequeño y casi constante en
amplitud hasta una frecuencia de alrededor de
(fa / 2) (fT / 2)
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Donde:
fa = Frecuencia alta
fT = Frecuencia de transición.
Existen diferentes configuraciones de circuitos osciladores los cuales tienen aplicaciones
específicas y rangos de frecuencia propios, todos ellos en base común (figuras 2, 3 y 4).
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1.1.3 SEPARACIÓN.
En cualquier oscilador, la frecuencia y la amplitud de la oscilación se efectúan en cierto
grado por la impedancia de carga a la que se entrega la salida de un oscilador. Resulta
entonces una buena practica incluir una etapa de separación entre el oscilador y cualquier
carga que tenga tendencia a variar por modulación, vibración mecánica u otra causa. El
amplificador intermedio debe tener una alta impedancia de entrada para minimizar sus
efectos de carga; debe estar neutralizado, de tal suerte que las variaciones de la carga de
salida no se reflejen a la entrada y debe también tener una impedancia de salida pequeña
de tal manera que las variaciones de carga no tengan mucho efecto sobre el voltaje de
salida. Una etapa de colector común o de drenaje común satisface muchas de estas
condiciones.
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1.2 ESTABILIDAD DE FRECUENCIA.
La inestabilidad en frecuencia de un oscilador proviene de los cambios en impedancia de
carga, de variaciones en el voltaje de alimentación de potencia y de cambios provocados
por la temperatura en los valores de las componentes que determinan la frecuencia los
dos primeros problemas se eliminan con la separación adecuada y regulación de voltajes.
Los efectos por cambios de temperatura se reduce al mínimo escogiendo componentes
individuales cuyos cambios en valor se cancelan por cambios en las otras componentes.
En casos extremos puede ser necesario encerrar al oscilador en una cámara mantenida a
temperatura constante para aquellos casos donde la temperatura sea un factor importante
a considerar.
La estabilidad de frecuencia máxima lo dan los osciladores a cristal, con cortes que
minimicen los cambios de la frecuencia del oscilador con variaciones de temperatura. El
corte tipo GT es potencialmente insensible a la temperatura, aunque su frecuencia
máxima de oscilación se limita a unos pocos centenares de Khz. Los cristales en corte AT
usados ampliamente operan dentro de un rango de frecuencia mayor con cambios de
temperatura de solo unas pocas partes por millón entre –50 y 100°C.
1.3 AMPLIFICADORES DE RF
Los amplificadores de RF se usan para amplificar frecuencias de las señales que se
transmiten por radio. Contrario a los amplificadores de audio y video que funcionan en un
amplio ancho de frecuencias, el amplificador de RF amplifica una banda angosta (más
selectivo). Sin embargo por medio de la sintonización se puede trasladar este ancho de
banda.
Los amplificadores se utilizan en donde la eficiencia y la salida de potencia de un circuito
amplificador son los parámetros importantes. Los tipos de amplificadores usados
comúnmente son los amplificadores clase A, B, C, D, E, F, G, H y S, salvo los de clase A,
los demás amplificadores se diferencian por su configuración y métodos de operación.
Los de clase A se parecen a los amplificadores de RF de señal débil.
Los amplificadores clase A y B tienen una ganancia de potencia apreciable producen una
réplica amplificada del voltaje de señal de entrada o de la onda de corriente y se usan
comúnmente en transmisores de banda lateral, única (SSB) y multimodo, donde se
requiere la producción exacta de la envolvente y de la fase de la señal. Los circuitos
sintonizados o los filtros de paso bajo no son componentes integrales de los
amplificadores clase A o B; no obstante, se incluyen a menudo para asegurar la supresión
adecuada de armónicas.
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Como el ancho de banda de una señal de RF común es una fracción pequeña de la
frecuencia de portadora (y el ancho de banda del AP), las señales no deseadas a la salida
del amplificador de poder, se puede dividir en tres categorías. La figura describe las
relaciones de estas señales con la señal deseada, que en este caso consiste de dos
tonos de amplitudes iguales de frecuencia fc fm. La no linealidad del amplificador produce
dos tipos de señales no deseadas: llamadas armónicas y los productos de distorsión por
intermodulación (IMD). Los productos IMD (identificados como órdenes tercero, quinto,
séptimo y noveno en la figura son prominentes cerca de la frecuencia de portadora.
Causan distorsión en la señal recibida e interferencia de canal adyacentes o ambas. Otras
señales no deseadas incluyen oscilaciones subarmonicas y parásitas y productos de
mezclador; se les llama productos espurios o simplemente “spurs”. En un amplificador de
potencia de RF, las armónicas y alguno de los productos espurios se pueden eliminar con
filtros; sin embargo, los IMD generados deben ser de un nivel aceptablemente bajo.
Los amplificadores clase A con emisor común se muestra en la figura anterior, es
semejante al amplificador análogo en señal débil. En una aplicación del AP, la resistencia
de la carga es por lo general lo suficientemente pequeña para que los efectos de la
resistencia y reactancia de derivación del dispositivo sean insignificantes.
Los amplificadores de potencia de RF en clase A se usan mas comúnmente como
amplificadores de excitación en bajo nivel. En estas aplicaciones, la potencia consumida
por el amplificador clase A es una porción relativamente pequeña de la potencia total del
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transmisor. Los AP clase A se utilizan también en frecuencias de microondas, donde
resulta difícil emplear otras clases de amplificación.
Los amplificadores clase B son mas eficientes que los A para amplificadores de RF lineal;
de ahí que se use la B con frecuencia en amplificadores lineales de potencia media y alta
potencia. La configuración más común es el circuito acoplado a trasformador en
contrafase de la figura anterior. La alta eficiencia puede atribuirse a la corriente de
colector nula en los transistores cuando sus voltajes de colector son los mas altos. Es
importante observar que en la amplificación clase B, ningún dispositivo por si mismo
produce una replica amplificada de la entrada del amplificador. Se secciona la señal, es
amplificada eficientemente y después reensamblada.
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Los amplificadores clase C se usan cuando no se requiere de una amplificación lineal de
RF y pueden utilizar la mayor eficiencia y sencillez ofrecidas por esta clase de
amplificadores. Tales aplicaciones incluyen amplificadores de señales de CW, FM y AM
(en banda lateral doble y portadora completa). Las señales de CW y FM tienen como
máximo dos posibles amplitudes; la variación de amplitud que se requiere para una señal
de AM se realiza por variación del voltaje de alimentación del AP.
El circuito o filtro de salida sintonizado es una parte necesaria de un amplificador en clase
C, es más que un simple medio de reducir el contenido armónico en la salida. En la
mayoría de las aplicaciones donde se usa la clase C, es aceptable un circuito o red de
acoplamiento de banda estrecha (en lugar de un filtro de banda ancha). El circuito de
banda angosta sintonizada, o la red acopladora pueden, por supuesto, utilizarse con APs
lineales en clases A y B cuando no se requiera operación en banda ancha.
La topología de circuito del amplificador de potencia clásico C es la misma que la del
amplificador clase A. El dispositivo activo esta también energizado para operar como
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fuente de corriente. Sin embargo, la forma de onda de corriente que produce no es la
corriente sinusoidal deseada en la carga. La eficiencia de la operación clase C puede
aumentarse hacia el 100 %, reduciendo el ángulo de conducción hacia cero.
Los amplificadores clase D fueron analizados primeramente por BEXANDALL y han
aparecido recientemente en transmisores de radiodifusión de AM y transmisores de HF de
baja potencia. Un amplificador clase D emplea un par de dispositivos activos y un circuito
de salida sintonizado.
Los dispositivos activos se energizan para operar como un conmutador de dos polos que
define una forma de voltaje o de corriente rectangular .El circuito de salida se sintoniza en
la frecuencia de conmutación y elimina sus armónicas, originando una salida sinusoidal.
La eficiencia de un amplificador clase D idealizado es de 100% La eficiencia incrementada
de esos AP proviene de las técnicas que reducen el producto promedio voltaje corriente
de colector (es decir, la disipación de potencia). En los APs en modo de conmutación
(clase D, E, y S) lo anterior se realiza empleando los dispositivos activos como
conmutadores en lugar de usarlos como fuente de corriente. Como un conmutador ideal
tiene cero voltaje en sus terminales o cero corriente a través de el en todo tiempo, no
disipa potencia. Otros AP de alta eficiencia (clase F, G y H) usan técnicas de circuito
especiales, incluyendo resonadores armónicos y voltajes múltiples de alimentación, para
reducir el producto voltaje-corriente de colector.
Un AP de alta eficiencia esta, por supuesto, implementado con dispositivos reales y, por lo
tanto, sujeto a los efectos de voltaje y resistencia de saturación, a reactancias parásitas y
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a tiempos de conmutación no nulos, que reducen su eficiencia respecto a la de un
amplificador idealizado.
Un amplificador en clase E utiliza un solo transistor energizado para operar como un
conmutador, conectado a una red de carga pasiva. La red de carga menos complicada
consiste en un circuito sintonizado en serie (Lo-Co) que conecta el colector a la carga y
una capacitancia C que desvía a tierra al colector. La capacitancia C en derivación, esta
formada por la capacitancia C1 inherente al transistor y la C2 que se agrega para hacer
que el amplificador opere en la forma deseada. Como la clase E puede utilizar la
capacitancia en derivación con el conmutador, las perdidas de potencia que ocurrirían en
la operación clase C, a causa de esa capacitancia, pueden eliminarse mejorando así la
eficiencia global del amplificador.
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Figura 12 Amplificador de RF clase F
La clase F es probablemente el más antiguo método en práctica para mejorar la eficiencia
de un amplificador de potencia y se le conoce también como “biarmónica”, “poliarmónica”,
“clase C”, “clase D de terminación única”, “clase C de alta eficiencia” y “multiresonante”.
Un amplificador clase F se caracteriza por una red de carga que resuena en una o mas
frecuencias armónicas, así como en la de portadora. El dispositivo activo opera por lo
general, básicamente como fuente de corriente o fuente de corriente saturante, como
sucede en el clásico AP clase C.
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Figura 13 Amplificador de RF clase S
Figura 14 Modulador clase S
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La técnica clase S se inventó en 1932, aunque se popularizo solo en la última década por
poder ya disponer de circuitos integrados, que permitieron se pusiera en práctica. Esta
técnica se puede usar tanto para amplificar como para modular en amplitud. Ambas
configuraciones utilizan transistores y diodos para formar un conmutador de dos
posiciones, como en un amplificador clase D. Sin embargo, la forma de onda de voltaje
rectangular se aplica a un filtro de paso bajo, que permite que solo aparezca en la carga
su componente de voltaje de CC o su componente promedio de voltaje. Las anchuras de
pulso de diferentes tasas de operación producen salidas promedio diferentes: La variación
controlada de la anchura de pulso origina entonces que la salida varíe para dar lugar a
una señal deseada. Dichas características los hacen propios para la amplificación de
pulsos y la modulación por anchura de pulso (PWM). La eficiencia de amplificador clase S
ideal es del 100%.
1.4 MODULADORES.
La modulación es el proceso mediante el cual el contenido de la información de una señal
de audio (información), video o de datos se transfiere a una onda portadora de RF antes
de transmitirse.
Un modulador puede hacer que alguna característica de la señal de RF varíe en
proporción directa a la forma de la onda moduladora; a este proceso se le llama
modulación analógica. Los moduladores mas complicados convierten a digital y codifican
la señal moduladora antes de la modulación.
Un modulador lo podemos considerar como una caja negra con dos entradas y una salida.
En una entrada penetra una señal de modulación vm (t) la otra entrada se conecta a un
oscilador de portadora que produce un voltaje senoidal con amplitud constante y
frecuencia fc. La salida es de la forma de onda modulada.
Figura 15 Diagrama de voltaje modulador visto como caja negra
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Donde:
F(t) = A (t) cos wc + (t) = A (t) cos (t)
Cuya amplitud A(t) o el ángulo (t), ambos, son controlados por Vm (t). En modulación en
amplitud (AM), la envolvente de portadora A(t) varía, mientras (t) permanece constante;
en la modulación de ángulo A(t) se fija y la señal moduladora controla a (t). La
modulación de ángulo puede ser en frecuencia o en fase, dependiendo de la relación
entre el ángulo (t) y la señal moduladora.
1.5 AMPLITUD MODULADA.
La modulación en amplitud (AM) en forma de llavero alterno en transmisores de telegrafía,
es el tipo más antiguo de modulación. Hoy en día la modulación de amplitud se usa
extensamente en aquellas aplicaciones audibles analógicas que requieren receptores
simples (por ejemplo, la radiodifusión comercial), o que se transmite por propagación
ionosférica y requieren anchos de banda estrechos (como la comunicación de aviones
transcontinentales).
Cuando varía la amplitud de una onda de acuerdo con otra onda, que en alguna forma
represente información, a dicho proceso lo llamaremos modulación en amplitud. La onda
que se modula es la portadora y la otra es la onda o señal moduladora. En esta
modulación, la amplitud de pico a pico o de máximo a máximo, de la señal de información,
siguen las variaciones de amplitud de la onda moduladora de tal manera que siempre esta
dentro de una envolvente formada por la onda moduladora.
Existen varias formas de AM relacionadas entre si; difieren en sus métodos de generación
y en sus espectros. La forma más sencilla, llamada a menudo AM “directa” se puede
generar colocando el voltaje modulador en serie con la alimentación de colector en un
amplificador RF en clase C que se excita hasta la saturación.
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Figura 16 Esquema simple para la generación de ondas de AM.
Cuando el voltaje modulador es positivo, el amplificador recibe un voltaje mayor del
colector y consecuentemente entrega una señal de salida más alta; cuando es negativo el
voltaje de colector y la salida del amplificador es linealmente proporcional al voltaje
modulador. Si el voltaje F(t) de salida del amplificador es linealmente proporcional al
voltaje instantáneo de colector, el F(t) se relaciona con el voltaje modulador vm (t) por:
F(t) = K Vcc + vm (t) cos wct]
Donde Vcc es el voltaje de alimentación de colector y K es una constante de
proporcionalidad. Obviamente, los picos negativos de Vm (t) no deben reducir el voltaje de
colector total hasta un punto donde el amplificador deje de operar, esta condición se
denomina sobremodulación, e introduce distorsión.
Para examinar la AM con más detalle, supóngase un voltaje modulador senoidal de
frecuencia única:
vm (t) = Vm cos wct
F(t) = K Vcc + Vm cos wmt cos wct
Entonces
O con Vc = KVcc,
F(t) = Vc [ 1 + (Vm / Vcc) cos wmt ] cos wct
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O bien
F(t) = Vc (1 + ma cos wmt) cos wct
En donde Vc es la amplitud del voltaje de portadora sin modulación, ma se denomina
índice de modulación o factor de modulación, y la envolvente de la onda modulada se
expresa por
A(t) = Vc (1 + ma cos wmt)
Obsérvese que la desviación de la envolvente, con relación a su valor no modulado, es
proporcional en todo momento al valor de la señal moduladora. Cuando ma se expresa
como porcentaje, se llama porcentaje de modulación. El valor de ma no debe exceder a la
unidad o al 100% en los picos negativos, para evitar la distorsión.
El comportamiento en el dominio del tiempo de F(t) se observa mejor, trazando a F(t)
para valores fijos de wm y wc, y para diferentes valores de ma. Para ma < 1 la amplitud de
portadora varia en proporción a (1 + ma cos wmt ), y la frecuencia de portadora que se
puede calcular a partir de los intervalos entre dos cruces por cero sucesivos de F(t)
permanece constante en fc, para ma > 1, la ecuación no es valida para los tiempos en que
(1 + ma cos wmt ) sea menor que cero: cuando esto sucede, la salida del amplificador es
cero.
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Figura 17 Formas de onda de AM con diferentes valores de ma, la envolvente se muestra con la
línea discontinua.
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Como la información esta en la envolvente de la onda, se puede recobrar rectificando la
onda modulada con un sistema de detección simple, como se ilustra en la figura.
Figura 18 Circuito de detección simple de AM, ilustrando la recuperación de una señal moduladora
V3(t) de frecuencia única, a partir de una señal V1(t) en AM.
1.6 SISTEMAS DE BANDA LATERAL ÚNICA Y BANDA LATERAL DOBLE.
Una forma de generar AM sin portadora es multiplicar una portadora de RF no modulada
por una onda moduladora en un mezclador balanceado (modulador), tal como se muestra
en la figura si se supone un voltaje modulador de frecuencia única y una portadora de
amplitud unitaria, la forma de onda modulada F(t) esta dada por :
F (t) = Vm cos wmt cos wct
Una vez filtrados los productos del mezclador no deseados. Empleando igualdades
trigonométricas la ecuación anterior se puede expresar como:
F(t) = (Vm / 2) cos (wc + wm ) t + ( Vm / 2) cos (wc - wm) t
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Figura 19 Generación de una onda DSB/SC con modulador balanceada.
Para mostrar que la forma de onda modulada consiste en dos componentes de frecuencia
lateral, pero sin portadora (con modulación no sinusoidal habría bandas laterales superior
e inferior). Por esta razón se denomina modulación de amplitud, doble banda lateral, onda
portadora suprimida abreviada por lo general como DSB/SC. La representación fasorial de
esta onda se muestra en la figura siguiente, denotando como Vu y Vl las componentes de
frecuencias superior e inferior respectivamente, como antes. Obsérvese que los fasores
de las dos frecuencias laterales forman ángulos iguales respecto al eje real y que su suma
siempre se encuentra a lo largo de este eje. La forma de onda correspondiente a la onda
DSB/SC se muestra en la figura siguiente con la envolvente denotada como A(t).
Figura 20 (a) Representación fasorial de la onda DSB; las componentes de frecuencias laterales
superior e inferior se suman siempre a lo largo del eje real; (b) Representación en el dominio del
tiempo de la onda DSB/SC; A(t) es la envolvente de la onda.
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Como no existe portadora, toda la potencia presente en F(t) se localiza en las bandas
laterales; por lo tanto, en DSB/SC toda la potencia de salida del transmisor se canaliza
hacia la transmisión de información ,mientras que en la AM ordinaria menos de un tercio
de la potencia total porta la información de modulación. Nótese también que no aparece
índice de modulación en la ecuación anterior; en el rango de voltajes de modulación que
se puede acomodar, queda limitado solo por el rango dinámico del modulador y de las
etapas amplificadoras lineales subsecuentes. Aunque la modulación DSB/SC utiliza la
potencia de transmisión más eficientemente que la AM no hay diferencia en el ancho de
banda requerido. Ambos requieren un ancho de banda igual al doble de la frecuencia fn de
modulación mas elevada .Como la envolvente de la onda DSB/SC es una replica de onda
completa rectificada de la señal moduladora no se puede usar el detector de envolvente
simple de la figura sin reintroducir primeramente la portadora.
Como el espectro de la onda DSB/SC lleva la misma información en ambas bandas
laterales superior e inferior, se puede eliminar una banda lateral sin degradar el contenido
de la información.
Puede eliminarse la banda lateral indeseable, ya sea por filtrado o utilizando moduladores
especializados que cancelan una banda lateral durante el proceso de modulación. En
cualquier caso la señal resultante es de amplitud modulada de banda lateral única, sin
portadora, denotada usualmente con SSB/SC. Esta señal SSB requiere la mitad del ancho
de banda y también la mitad de potencia de una onda DSB/SC. Como en el caso de la
onda DSB/SC, la portadora debe reintroducirse al receptor en el proceso de detección.
1.7 MODULACIÓN EN ANGULO.
La forma de onda modulada, esta dada por
F(t) = A(t) cos wct + (t) = A(t) cos (t)
Es descrita completamente por una amplitud A(t), una frecuencia de portadora fc y un
ángulo de fase (t). En AM, la envolvente de portadora A(t) varía como se muestra en la
figura siguiente mientras que (t) permanece constante. En modulación de ángulo, la A(t)
esta fija y la señal moduladora controla a (t). La modulación en ángulo puede ser en
frecuencia o en fase, dependiendo de la relación exacta entre (t) y la señal moduladora.
Los sistemas de modulación en ángulo son inherentemente insensibles a fluctuaciones de
amplitud debidas a ruido, particularmente a ruido impulsivo. Resultan, por ello, adecuadas
tanto para radiodifusión normal como para radiocomunicación móvil. Los bajos
requerimientos de potencia y relativa simplicidad de los moduladores angulares, son
ventajas adicionales en aplicaciones móviles.
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Figura 21 Efecto de la modulación sinusoidal de AM, PM y FM. A) Onda moduladora; b)
envolvente de la onda; c) ángulo de la onda PM; d) frecuencia de la onda PM; e) frecuencia de la
onda FM; f) ángulo de la onda FM.
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1.8 FRECUENCIA MODULADA (FM)
En FM, así como en la de AM la RF varia según una señal moduladora, sin embargo, en
AM cambia la amplitud de la portadora, en tanto que en FM varia la frecuencia de la
portadora, cuando la portadora esta modulada en frecuencia su amplitud no cambia, pero
su frecuencia aumenta o disminuye con respecto a la frecuencia central o de reposo; la
portadora modulada fluctúa arriba y abajo de la frecuencia central.
La frecuencia de una portadora FM es igual a la frecuencia central, cuando la señal
moduladora varia en dirección positiva, la frecuencia de la portadora también aumenta;
llega a un máximo cuando la amplitud de la señal de modulación alcanza un valor máximo
positivo. Luego cuando la señal moduladora disminuye en amplitud, la frecuencia de la
portadora disminuye también y regresa a su frecuencia central, cuando la citada señal
regresa a la amplitud de cero.
De la misma manera, las variaciones de frecuencia de la portadora siguen las variaciones
de amplitud negativa de la señal moduladora excepto que la frecuencia de la portadora
disminuye al hacerse mas negativa la señal de modulación; luego aumenta, para alcanzar
de nuevo su frecuencia central cuando la señal moduladora termine su medio ciclo
negativo y regrese a cero.
La modulación de frecuencia resulta cuando la desviación w de frecuencia instantánea
w(t) respecto a la portadora wc es directamente proporcional a la amplitud instantánea del
voltaje modulador, como se ilustra en la figura anterior.
Como w(t) = dt
d
= wc + dt
td
La desviación w de w (t) esta dada por:
w (t) = w(t) - wc = dt
td
En modulación de frecuencia, w (t) se hace proporcional al voltaje modulador vm(t); es
decir,
w (t) = kw vm(t)
Donde kw es la sensibilidad del modulador en rad/seg/V.
29
Como (t) y w (t) están relacionadas por la ecuación anterior, entonces;
(t) =
t
wk0 vm(t)dt + (0)
La sustitución de esta ecuación, en la ecuación base de modulación de ángulo con (0)
supuesta nula, de la expresión para una onda modulada en frecuencia:
FFM (t) = A cos wct + kw
t
mv0 (t)dt
Definición de índice de modulación para FM
Si un voltaje modulador de la forma
vm (t) = Vmsen wmt
Se aplica a un modulador de fase, su salida será
FPM (t) = A cos (wct + mp sen wmt)
La aplicación del voltaje modulador.
vm (t) = Vm cos wmt
a un modulador de frecuencia, producirá:
FFM (t) = Acos ( wct + m
mw
w
Vk
sen wmt)
De w (t) y vm(t) se deduce que el producto Kw Vm es la desviación de frecuencia que
corresponde al voltaje modulador pico. Si la desviación pico se define como w, donde
w = Kw Vm
la expresión para la onda modulada en frecuencia se puede expresar como
FFM (t) = A cos (wct + mw
w
sen wmt)
o bien
FFM (t) = A cos ( wct + mf
f
sen wmt)
30
Si se define un índice de modulación como
mf = mw
w
= mf
f
entonces:
FFM (t) = A cos (wct + mf sen wmt)
y las formas de onda PM y FM de los modelos matemáticos son idénticos para índices de
modulación iguales. Con esta definición de índice de modulación, la dependencia de los
espectros de formas de onda PM y FM en el índice de modulación puede debatirse
simultáneamente
En conclusión, debe observarse que la frecuencia instantánea de las ondas PM y FM se
puede calcular de la relación.
w(t) = dt
td
Para las señales moduladoras especificadas de FM y PM respectivamente los resultados
son como sigue:
w(t) PM = wc + wm cos wmt
w (t) FM = wc + w cos wmt
La relación entre las variaciones instantáneas de fase y frecuencia en las ondas PM y FM
con modulación sinuosidal se muestra en la figura anterior.
Las Frecuencias DME están conectados con VHF omnidireccional (VOR), las frecuencias
y un interrogador DME está diseñado para ajustarse automáticamente a la
correspondiente frecuencia DME cuando las frecuencias asociadas VOR están
seleccionadas. El Interrogador de un avión DME utiliza frecuencias de 1025 a 1150 MHz.
Los DME pueden transmitir en un canal en el rango de 962 a 1150 MHz y recibir en un
canal correspondiente entre 962 a 1213 MHz. La banda se divide en 126 canales para los
interrogatorios y 126 canales de respuesta. Las frecuencias de interrogación y la
respuesta siempre difieren en un 63 MHz. La separación de todos los canales es de 1
MHz con un ancho espectro de la señal de 100 kHz.
Las referencias técnicas a los canales X e Y se refieren sólo a la separación de los
pulsos individuales en el par de impulsos DME, 12 microsegundos de espacio para los
canales X y 30 microsegundos de espaciado de canales Y.
31
Las instalaciones DME se identifican con la frecuencia de 1350 Hz en clave morse de
código de tres pulsos. Si se coloca en sincronía con un VOR o ILS, tendrá el código de
una misma identidad como la instalación de los VOR o ILS . Además, el DME se
identificará entre los datos de la instalación. La identidad de DME es de 1350 Hz para
diferenciarse del tono Hz 1020 de la VOR o del localizador ILS.
1.9 TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
1.9.1 Líneas de transmisión de conductor paralelo
Línea de transmisión de cable abierto. Una línea de transmisión de cable abierto es un
conductor paralelo de dos cables, y se muestra en la figura. Consiste simplemente de dos
cables paralelos, espaciados muy cerca y solo separados por aire. Los espaciadores no
conductivos se colocan a intervalos periódicos para apoyarse y mantener se a la
distancia, entre la constante de los conductores. La distancia entre los dos conductores
generalmente está entre 2 y 6 pulgadas.
El dieléctrico es simplemente el aire, entre y alrededor de los dos conductores en donde
se propaga la onda TEM. La única ventaja real de este tipo de línea de transmisión es su
construcción sencilla. Ya que no hay cubiertas, las pérdidas por radiación son altas y es
susceptible a recoger ruido.
Estas son las desventajas principales de una línea de transmisión de cable abierto. Por lo
tanto, las líneas de transmisión de cable abierto normalmente operan en el modo
balanceado.
Figura 22 Cables gemelos de doble terminal.
32
Los cables gemelos son otra forma de línea de transmisión para un conductor paralelo de
dos cables. Los cables gemelos frecuentemente son llamados cable de cinta.
Figura 23 Cables gemelos de doble terminal.
Los cables gemelos esencialmente son igual que una línea de transmisión de cable
abierto, excepto que los espaciadores que están entre los dos conductores se reemplazan
con un dieléctrico sólido continuo. Esto asegura los espacios uniformes a lo largo de todo
el cable, que es una característica deseable por razones que se explicarán posteriormente
en este capítulo. Típicamente, la distancia entre los dos conductores es de 5/16 de
pulgada, para el cable de transmisión de televisión. Los materiales dieléctricos más
comunes son el teflón y el polietileno.
1.9.2 Cable de par trenzado.
Un cable de par trenzado se forma doblando ("trenzando") dos conductores aislados
juntos. Los pares se trenzan frecuentemente en unidades y las unidades, a su vez, están
cableadas en el núcleo. Estas se cubren con varios tipos de fundas, dependiendo del uso
que se les vaya a dar. Los pares vecinos se trenzan Con diferente inclinación (el largo de
la trenza) para poder reducir la interferencia entre los pares debido a la inducción mutua.
Las constantes primarias del cable de par trenzado son sus parámetros eléctricos
(resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia). Que están sujetas a variaciones
con el ambiente físico como temperatura, humedad y tensión mecánica, y que dependen
de las variaciones en la fabricación. En la figura siguiente se muestra un cable de par
trenzado.
33
Figura 24 Cable par trenzado.
1.9.3 Par de cables protegido con armadura.
Para reducir las pérdidas por radiación e interferencia, frecuentemente se encierran las
líneas de transmisión de dos cables paralelos en una malla metálica conductiva. La malla
se conecta a tierra y actúa como una protección. La malla también evita que las señales
se difundan más allá de sus límites y evita que la interferencia electromagnética llegue a
los conductores de señales. En la figura anterior se muestra un par de cables paralelos
protegido. Consiste de dos conductores de cable paralelos separados por un material
dieléctrico sólido. Toda la estructura está encerrada en un tubo trenzado conductivo y
luego cubierto con una capa protectora de plástico.
1.10 Líneas de transmisión coaxial o concéntrica
Las líneas de transmisión de conductores paralelos son apropiadas para las aplicaciones
de baja frecuencia. Sin embargo, en las frecuencias altas, sus pérdidas por radiación y
pérdidas dieléctricas, así como su susceptibilidad a la interferencia externa son excesivas.
Por lo tanto, los conductores coaxiales se utilizan extensamente, para aplicaciones de alta
frecuencia, para reducir las pérdidas y para aislar las trayectorias de transmisión. El cable
coaxial básico consiste de un conductor central rodeado por un conductor exterior
concéntrico (distancia uniforme del centro). A frecuencias de operación relativamente
altas, el conductor coaxial externo proporciona una excelente protección contra la
interferencia externa. Sin embargo, a frecuencias de operación más bajas, el uso de la
protección no es costeable. Además, el conductor externo de un cable coaxial general
mente está unido a tierra, lo que limita su uso a las aplicaciones desbalanceadas.
34
Esencialmente, hay dos tipos de cables coaxiales: líneas rígidas llenas de aire Y líneas
sólidas flexibles. El material aislante es un material de polietileno sólido no conductivo que
proporciona soporte, así como aislamiento eléctrico entre el conductor interno y el
externo. El conductor interno es un cable de cobre flexible que puede ser sólido o hueco.
Figura 25 estructura de cable coaxial.
Los cables coaxiales rígidos llenos de aire son relativamente caros de fabricar, y el
aislante de aire tiene que estar relativamente libre de humedad para minimizar las
pérdidas Los cables coaxiales sólidos tienen pérdidas menores y son más fáciles de
construir, de instalar, y de dar mantenimiento. Ambos tipos de cables coaxiales son
relativamente inmunes a la radiación externa, ellos en si irradian muy poca, y pueden
operar a frecuencias más altas que sus contrapartes de cables paralelos. Las desventajas
básicas de las líneas de transmisión coaxial es que son caras y tienen que utilizarse en el
modo desbalanceado.
Figura 26 cable coaxial rígido.
35
1.10.1 Balunes.
Un dispositivo de circuitos que se utiliza para conectar una línea de transmisión
balanceada a una carga desbalanceada se llama balun (balanceado a desbalanceado). 0
más comúnmente, una línea de transmisión desbalanceada, como un cable coaxial, se
puede conectar a una carga balanceada, como una antena, utilizando Un transformador
especial con un primario desbalanceado y un bobinado secundario con conexión central.
El conductor externo (protector) de una línea de transmisión coaxial desbalanceada
generalmente se conecta a tierra. A frecuencias relativamente bajas, pile de utilizarse un
transformador ordinario para aislar la tierra de la carga. El balun debe tener una
protección electrostática conectada a tierra física para minimizar los efectos de capacitan
cías dispersas.
Figura 27 Balun común para HF y VHF.
Para las frecuencias relativamente altas, existen varios tipos diferentes de balunes para
las líneas de transmisión.
El tipo más común es un balun de banda angosta, llamados a veces balun choque,
camisa o balun de bazuca. Se coloca alrededor una camisa de un cuarto de longitud de
onda y se conecta al conductor externo de un cable coaxial. En consecuencia, la
impedancia que se ye, desde la línea de transmisión, está formada por una camisa y el
conductor externo y es igual a infinito (o sea, que el conductor externo ya no tiene una
36
impedancia de cero a tierra). Así que, uno de los cables del par balanceado se puede
conectar a la camisa sin hacer un cortocircuito a la señal. El segundo conductor se
conecta al conductor interno del cable coaxial.
1.11 DEFINICIÓN DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Es cualquier sistema de conductores, semiconductores, o la combinación de
ambos, que puede emplearse para transmitir información, en la forma de energía
eléctrica o electromagnética entre dos puntos.
Son circuitos en frecuencias muy altas donde las longitudes de onda son cortas,
estas actúan como circuitos resonantes y aun como componentes reactivos en
VHF y UHF y frecuencias microondas.
1.12 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Figura 28 Línea de transmisión de dos cables paralelos, circuito equivalente eléctrico.
37
1.13 DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL CIRCUITO
R.- Resistencia total en Serie de la línea por unidad de longitud, incluyendo ambos
conductores. Unidades: Ohms/metro.
L.- Inductancia total en Serie de la línea por unidad de longitud, incluyendo la inductancia
debida al flujo magnético interno y externo a los conductores de la línea. Henrios/metro.
G.- Conductancia en paralelo de la línea por unidad de longitud. Es una representación de
las pérdidas que son proporcionales al cuadrado de la tensión entre los conductores o al
cuadrado del campo eléctrico en el medio. Generalmente G representa una pérdida
interna molecular de los materiales aislantes dieléctricos. Siemens/metro.
C.- Capacidad en paralelo de la línea por unidad de longitud. Farads/metro.
Nota.- Los símbolos definidos tienen diferentes significados y dimensiones que los
empleados en el análisis de circuitos eléctricos. En el caso de las líneas de tx, tratadas
como redes de dos puertos con longitudes no despreciables, dichos símbolos representan
resistencia, inductancia, etc, por unidad de longitud.
Las corrientes en la línea están acompañadas de un campo magnético. La inductancia
distribuida de la línea es una medida de la energía almacenada en este campo magnético
en una unidad de longitud de línea y por unidad de corriente.
Existe pérdida de potencia a medida que las corrientes de línea fluyen por los
conductores. La resistencia distribuida de la línea es una medida de la pérdida de
potencia en la unidad de longitud de la línea y por unidad de corriente.
La diferencia de potencial de la línea está asociada a un campo eléctrico. La capacitancia
distribuida es una medida de la energía almacenada en este campo, en la unidad de
longitud de la línea por unidad de diferencia de potencial.
Existe pérdida de potencia en el espacio entre los conductores. La conductancia
distribuida de la línea es una medida de esta pérdida, en la unidad de longitud de la línea
por unidad de tensión.
La existencia de coeficientes de circuito distribuido en paralelo sugiere la posibilidad de
que las corrientes del conductor pueden ser diferentes en distintas secciones
transversales de la línea. Corrientes de conducción o corrientes de desplazamiento fluirán
entre los conductores en función de la tensión entre ellos o de su tasa de cambio con el
tiempo, respectivamente. Las corrientes en la línea en dos secciones transversales
separadas, difieren en una cantidad de corriente transversal en la parte de línea tratada.
38
1.14 CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSMISIÓN
Las características de una línea de transmisión se llaman constantes secundarias y se
determinan con las cuatro constantes primarias. Las constantes secundarias son
impedancia característica y constante de propagación.
1.14.1 IMPEDANCIA CARACTERISTICA.
Para una máxima transferencia de potencia, desde la fuente a la carga (o sea, sin energía
reflejada), una línea de transmisión debe terminar se en una carga puramente resistiva
igual a la impedancia característica de la línea. La impedancia característica (Z0 de una
línea de transmisión es una cantidad compleja que se expresa en ohms, que idealmente
es independiente de la longitud de la línea, y que no puede medirse. La impedancia
característica (que a veces se llama resistencia a descarga) se define como la impedancia
que se ve desde una línea infinitamente larga o la impedancia que se ve desde el largo
finito de una línea que se termina en una carga totalmente resistiva igual a la impedancia
característica de la línea. Una línea de transmisión almacena energía en su inductancia y
capacitancia distribuida. Si la línea es infinitamente larga, puede almacenar energía
indefinidamente; está entrando energía a la línea desde la fuente y ninguna se regresa.
Por lo tanto, la línea actúa como un resistor que disipa toda la energía. Se puede simular
línea infinita si se termina una línea finita con una carga puramente resistiva igual a Z toda
la energía que entra a la línea desde la fuente se disipa en la carga (esto supone una
línea totalmente sin pérdidas).
1.15 CÁLCULO DE IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA (Z0)
Nota. Las formulas siguientes llevan todo un proceso que no describiré, me limitare solo a
su forma general y simplificación. Solo manejare para altas frecuencias, ya que considero
más práctico y comprensible.
Para frecuencias extremadamente altas, la inductancia y la capacitancia dominan
Puede verse de la ecuación anterior que para frecuencias altas, la impedancia
característica en una línea de transmisión se acerca a una constante, es independiente de
la frecuencia y longitud, y se determina solo por la inductancia y capacitancia. También
39
puede verse que el ángulo de fase es de 0°. Por lo tanto, Z, es totalmente resistiva y toda
la energía incidente se absorberá por la línea.
Desde un enfoque puramente resistivo, puede deducirse fácilmente que la impedancia
vista, desde la línea de transmisión, hecha de un número infinito de secciones se acerca
ala impedancia característica.
1.16 CONSTANTE DE PROPAGACIÓN.
La constante de propagación (a veces llamada el coeficiente de propagación) se utiliza
para expresar la atenuación (pérdida de la señal) y el desplazamiento de fase por unidad
de longitud de una línea de transmisión. Conforme se propaga una onda, a lo largo de la
línea de transmisión, su amplitud se reduce con la distancia viajada. La constante de
propagación se utiliza para determinar la reducción en voltaje o corriente en la distancia
conforme una onda TEM se propaga a lo largo de la línea de transmisión.
Para una línea infinitamente larga, toda la potencia incidente se disipa en la resistencia
del cable, conforme la onda se propague a lo largo de la línea. Por lo tanto, con una línea
infinitamente larga o una línea que se ve como infinitamente larga, como una línea finita
se termina en un carga acoplada (Z = ZL), no se refleja ni se regresa energía nuevamente
a la fuente. Matemáticamente, la constante de propagación es
La constante de propagación es una cantidad compleja definida por
Ya que un desplazamiento de fase de 2 rad ocurre sobre una distancia de una longitud de
onda
40
A frecuencias de radio e intermedias wL> R y wC> G por lo tanto
1.17 FACTOR DE VELOCIDAD
Una consideración importante en aplicaciones de líneas de transmisión es que la
velocidad de la señal en la línea de transmisión es más lenta que la velocidad de una
señal en el espacio libre. La velocidad de propagación de una señal en un cable es menor
que la velocidad de propagación de la luz en el espacio libre, por una fracción llamada
factor de velocidad.
La velocidad a la que viaja una onda electromagnética, en una línea de transmisión,
depende de la constante dieléctrica del material aislante que separa los dos conductores.
El factor de velocidad se puede obtener, aproximadamente, con la formula
en donde Er es la constante dieléctrica de un material determinado (permeabilidad del
material relativo a la permeabilidad del vació, la relación E/Er,).
La constante dieléctrica es simplemente la permeabilidad relativa del material. La
constante dieléctrica relativa del aire es 1.0006. Sin embargo, la constante dieléctrica de
los materiales comúnmente utilizados en las líneas de transmisión varían de 1.2 a 2.8,
dando factores de velocidad desde 0.6 a 0.9. Los factores de velocidad para varias
41
configuraciones comunes para líneas de transmisión se indican anteriormente así como
las constantes dieléctricas para varios materiales.
La constante dieléctrica depende del tipo de material que se utilice. Los inductores
almacenan energía magnética y los capacitadores almacenan energía eléctrica. Se
necesita una cantidad finita de tiempo para que un inductor o capacitor tome o dé energía.
Por lo tanto, la velocidad a la cual una onda electromagnética se propaga a lo largo de
una línea de transmisión varia con la inductancia y la capacitancia del cable. Se puede
mostrar que el tiempo T= vL Por lo tanto, la inductancia, la capacitancia, y la velocidad de
propagación están relacionadas matemáticamente por la formula.
Velocidad X tiempo = distancia
Por lo tanto,
Substituyendo por el tiempo da
Si la distancia se normaliza a 1 m, la velocidad de propagación para una línea sin
perdidas es:
42
1.18 LONGITUD ELÉCTRICA DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
La longitud de una línea de transmisión relativa a la longitud de onda que se propaga
hacia abajo es una consideración importante, cuando se analiza el comportamiento de
una línea de transmisión. A frecuencias bajas (longitudes de onda grandes), el voltaje a lo
largo de la línea permanece relativamente constante. Sin embargo, para frecuencias altas
varias longitudes de onda de la señal pueden estar presentes en la línea al mismo tiempo
Por lo tanto, el voltaje a lo largo de la línea puede variar de manera apreciable. En
consecuencia, la longitud de una línea de transmisión frecuentemente se da en longitudes
de onda, en lugar de dimensiones lineales.
Los fenómenos de las líneas de transmisión se aplican a las líneas largas. Generalmente,
una línea de transmisión se define como larga si su longitud excede una dieciseisava
parte de una longitud de onda; de no ser así, se considera corta. Una longitud
43
determinada, de línea de transmisión, puede aparecer corta en una frecuencia y larga en
otra frecuencia.
Por ejemplo, un tramo de 10 m de línea de transmisión a 1000 Hz es corta = 300,000 m;
10 m es solamente una pequeña fracción de una longitud de onda). Sin embargo, la
misma línea en 6 GHz es larga (A = 5 cm; la línea es de 200 longitudes de onda de
longitud).
1.19 PÉRDIDAS EN LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Para propósitos de análisis se consideran las líneas sin pérdidas o ideales, como todo en
la electrónica se considera ideal, pero no lo son. En las líneas existen ciertos tipos de
pérdidas a continuación haré una breve descripción de ellas.
1.19.1 PÉRDIDA DEL CONDUCTOR:
Como todos los materiales semiconductores tienen cierta resistencia finita, hay una
pérdida de potencia inherente e inevitable.
1.19.2 PÉRDIDA POR RADIACIÓN:
Si la separación, entre los conductores en una línea de transmisión, es una fracción
apreciable de una longitud de onda, los campos electroestáticos y electromagnéticos que
rodean al conductor hacen que la línea actúe como antena y transfiera energía a cualquier
material conductor cercano.
1.19.3 PÉRDIDA POR CALENTAMIENTO DEL DIELÉCTRICO:
Una diferencia de potencial, entre dos conductores de una línea de transmisión causa la
pérdida por calentamiento del dieléctrico. El calor es una forma de energía y tiene que
tomarse de la energía que se propaga a lo largo de la línea. Para líneas dieléctricas de
aire, la pérdida de calor es despreciable. Sin embargo, para líneas sólidas, se incrementa
la pérdida por calentamiento del dieléctrico con la frecuencia.
1.19.4 PÉRDIDA POR ACOPLAMIENTO:
La pérdida por acoplamiento ocurre cada vez que una conexión se hace de o hacia una
línea de transmisión o cuando se conectan dos partes separadas de una línea de
transmisión. Las conexiones mecánicas son discontinuas (lugares donde se encuentran
materiales diferentes). Las discontinuidades tienden a calentarse, a radiar energía, y a
disipar potencia
44
1.20 CORONA (DESCARGAS LUMINOSAS)
La corona es una descarga luminosa que ocurre entre los dos conductores de una „línea
de transmisión, cuando la diferencia de potencial, entre ellos, excede el voltaje de ruptura
del aislante dieléctrico. Generalmente, una vez que ocurre una corona, se puede destruir
la línea de transmisión.
1.21 ONDAS INCIDENTES Y REFLEJADAS
Una línea de transmisión ordinaria es bidireccional; la potencia puede propagarse,
igualmente bien, en ambas direcciones. El voltaje que se propaga, desde la fuente hacia
la carga, se llama voltaje incidente, y el voltaje que se propaga, desde la carga hacia la
fuente se llama voltaje reflejado. En forma similar, hay corrientes incidentes y reflejadas.
En consecuencia, la potencia incidente se propaga hacia la carga y la potencia reflejada
se propaga hacia la fuente. El voltaje y la corriente incidentes, siempre están en fase para
una impedancia característica resistiva. Para una línea infinitamente larga, toda la
potencia incidente se almacena por la línea y no hay potencia reflejada. Además, si la
línea se termina en una carga totalmente resistiva, igual a la impedancia característica de
la línea, la carga absorbe toda la potencia incidente (esto supone una línea sin pérdidas).
Para una definición más práctica, la potencia reflejada es la porción de la potencia
incidente que no fue absorbida por la carga. Por lo tanto, la potencia reflejada nunca
puede exceder la potencia incidente.
1.22 LÍNEAS RESONANTES Y NO RESONANTES
Una línea sin potencia reflejada se llama línea no resonante o plana. En una línea plana,
el voltaje y la corriente son constantes, a través de su longitud, suponiendo que no hay
pérdidas. Cuando la carga es un cortocircuito o circuito abierto, toda la potencia incidente
se refleja nuevamente hacia la fuente. Si la fuente se reemplazara con un circuito abierto
o cortocircuito y la línea no tuviera pérdidas, la energía que está presente en la línea se
reflejaría de un lado a otro (oscilara), entre las terminaciones de la carga y la fuente, en
forma similar a la potencia en un circuito tanque. Esto se llama línea resonante. En una
línea resonante, la energía se transfiere en forma alternada entre los campos magnéticos
y eléctricos de la inductancia y la capacitancia distribuidas. La figura muestra una fuente,
una línea de transmisión, y una carga con sus ondas incidentes y reflejadas
correspondientes.
45
Figura 29 Diagrama de Línea de transmisión de Ondas
1.23 COEFICIENTE DE REFLEXIÓN
El coeficiente de reflexión (a veces llamado el coeficiente de la reflexión), es una cantidad
vectorial que representa a la relación del voltaje reflejado al voltaje incidente 0 corriente
reflejada a la corriente incidente. Matemáticamente, el coeficiente de reflexión es gamma,
f, definido por
46
o también:
1.23.1 RELACIÓN DE ONDA ESTACIONARIA
La relación de onda estacionaria (SWR), se define como la relación del voltaje máximo
con el voltaje mínimo, o de la corriente máxima con la corriente mínima de una onda.
Figura 30 Desarrollo de una onda estacionaria en una línea de transmisión de las diferentes tipos de onda.
La relación de onda estacionaria (SWR), se define como la relación del voltaje máximo
con el voltaje mínimo, o de la corriente máxima con la corriente mínima de una onda. A
ello también se llama relación de voltajes de onda estacionaria. (VSWR). En esencia es
una medida de la falta de compensación entre la impedancia de carga y la impedancia
característica de la línea de transmisión.
47
La ecuación correspondiente es :
(Adimensional)
Los máximos de voltaje (Vmax) se presentan cuando las ondas incidentes y reflejadas
están en fase (es decir, sus máximos pasan por el mismo punto de la línea, con la misma
polaridad) y los mínimos de voltaje (Vmin) se presentan cuando las ondas incidentes y
reflejadas están desfasadas 180º. La ecuación queda:
1.23.2 ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA LÍNEA ABIERTA
Cuando las ondas incidentes de voltaje y corriente alcanzan una terminación abierta, nada
de la potencia se absorbe; toda se refleja nuevamente a la fuente. La onda de voltaje
incidente se refleja exactamente, de la misma manera, como si fuera a continuar a lo largo
de una línea infinitamente larga. Sin embargo. La corriente incidente se refleja 180°
invertida de cómo habría continuado si la línea no estuviera abierta. Conforme pasen las
ondas incidentes y reflejadas, las ondas estacionarias se producen en la línea. La figura
muestra las ondas estacionarias de voltaje y de corriente, en una línea de transmisión que
está terminada en un circuito abierto. Puede verse que la onda estacionaria de voltaje
tiene un valor máximo, en la terminación abierta, y una longitud de onda de un cuarto de
valor mínimo en el circuito abierto. La onda estacionaria de corriente tiene un valor
mínimo, en la terminación abierta, y una longitud de onda de un cuarto de valor máximo
en el circuito abierto. Es lógico suponer que del voltaje máximo ocurre a través de un
circuito abierto y hay una corriente mínima.
48
Las características de una línea de transmisión terminada en un circuito abierto pueden
resumirse como sigue:
1. La onda incidente de voltaje se refleja de nuevo exactamente como si fuera a continuar
(o sea, sin inversión de fase).
2. La onda incidente de la corriente se refleja nuevamente 1800 de como habría
continuado.
3. La suma de las formas de ondas de corriente reflejada e incidente es mínima a circuito
abierto.
4. La suma de las formas de ondas de corriente reflejada e incidente es máxima a circuito
abierto.
Figura 31 Diagrama de onda estacionaria en una línea abierta.
49
1.23.3 ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA LÍNEA EN CORTOCIRCUITO
Así como en una línea de circuito abierto nada de la potencia incidente será adsorbida por
la carga, cuando una línea de transmisión se termina en un cortocircuito. Sin embargo,
con una línea en corto, el voltaje incidente y las ondas de corriente se reflejan,
nuevamente de la manera opuesta La onda de voltaje se refleja 1800 invertidos de cómo
habría continuado, a lo largo de una línea infinitamente larga, y la onda de corriente se
refleja exactamente de la misma manera como si no hubiera corto.
Las características de una línea de transmisión terminada en corto puede resumir como
sigue:
1. La onda estacionaria de voltaje se refleja hacia atrás 180 invertidos de cómo habría
continuado.
2. La onda estacionaria de corriente Se refleja, hacia atrás, como si hubiera
continuado.
3. La suma de las formas de ondas incidentes y reflejadas es máxima en el corto.
4. La suma de las formas de ondas incidentes y reflejadas es cero en el corto.
Para una línea de transmisión terminada en un cortocircuito o circuito abierto, el
coeficiente de reflexión es 1 (el peor caso) y la SWR es infinita (también la condición de
peor caso).
Figura 32 Diagrama de onda estacionaria en una línea de corto circuito.
50
CAPITULO 2 ANALISIS DEL DME
La medición del tiempo de transmisión y reacción de los pulsos aleatorios y la
determinación de la distancia de manera indirecta es el principio básico de operación de
un DME.
Para entender más a fondo el funcionamiento de un DME debemos tener los siguientes
conceptos bien planteados.
2.1 HARDWARE
El sistema DME se compone de un transmisor UHF / receptor (interrogador) en la
aeronave y un receptor UHF / transmisor (equipo) en el suelo.
Figura 32 Circuito de un DME.
51
2.2 TIEMPO DE REPETICION
El avión interroga a los equipos de tierra con una serie de pulsos pares (interrogatorios) y,
después de un tiempo preciso (típicamente 50 microsegundos), las respuestas estación
de tierra con una secuencia idéntica de la respuesta de pulso pares. El receptor DME en
las búsquedas de aeronaves para el pulso de los pares (X-mode = 12 espacio de
microsegundos) con el intervalo de tiempo adecuado entre ellos, lo cual está determinado
por el patrón de cada aeronave individual de interrogatorio particular. El interrogador de
aviones seguros a la estación de tierra DME, una vez que entiende que la secuencia de
pulsos en particular es la secuencia de interrogatorio que envió originalmente. Una vez
que el receptor está bloqueado en el, tiene una ventana más estrecha en la que buscar
los ecos y pueden retener bloqueo.
2.3 CALCULO DE DISTANCIA
Un pulso de radio tarda alrededor de 12,36 microsegundos en viajar 1 milla náutica (1.852
m) desde y hacia, lo que también se conoce como un radar de milla. La diferencia de
tiempo entre la interrogación y la respuesta de 1 milla náutica (1.852 m) menos 50
microsegundos de retraso del equipo de tierra, se mide por los circuitos de tiempo del
interrogador y traducida en una medición de distancia (distancia oblicua), mostrado en
millas náuticas, y luego se muestran en la pantalla de la cabina del piloto DME.
La fórmula de la distancia, distancia = velocidad * tiempo, es utilizado por el receptor
DME para calcular su distancia de la estación de tierra DME. La tasa para el cálculo es la
velocidad del pulso de radio, que es la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000.000
m / s, o 186.000 km / s). El tiempo en el cálculo (tiempo total - 50μs) / 2.
2.4 PRECISIÓN
La precisión de las estaciones de tierra DME es de 185 m (± 0.1 nmi). Es importante
entender que el DME ofrece la distancia física entre la aeronave y el equipo DME. Esta
distancia se refiere a menudo como "distancia oblicua" y depende trigonométricamente de
la altura sobre el equipo y la distancia al suelo de la misma.
Por ejemplo, un avión justo encima de la estación DME a 6000 pies (1 nmi) de altura
todavía se muestran 1,0 nmi (1,9 km) en la lectura DME. El avión esta técnicamente a una
52
milla de distancia, a sólo una milla hacia arriba. El rango de Error Slant es más
pronunciada en las mayores altitudes, que cerca de la estación DME.
Las Radio-ayudas a la navegación deben mantener un cierto grado de precisión, teniendo
en cuenta los estándares internacionales, tal y como lo marcan organismos como la FAA,
la AESA, la OACI, etc. Para asegurar este detalle, las organizaciones de inspección
periódicamente verifican en vuelo los parámetros críticos con las aeronaves debidamente
equipadas para calibrar y certificar la precisión DME.
La OACI recomienda una precisión de 0,25 nmi más 1.25% de la distancia medida.
2.5 TERMINAL DME
Una TERMINAL DME, conocida como TDME en las cartas de navegación, es un DME
que está diseñado para proporcionar una lectura de 0 en el umbral de la pista,
independientemente de la ubicación física del equipo. Que se asocia típicamente con ILS
o de aproximación por instrumentos.
Los Receptores de DME, o interrogadores, son producidos por varios fabricantes. Algunos
interrogadores DME proporcionan un rango de 300 millas náuticas, y también puede dar
razón de la información de aproximación. En los interrogadores muchas tienen un sistema
de auto prueba automático incorporado. Normalmente, los interrogadores DME no tiene
una unidad de control independiente, el equipo se controla desde un mando común "VHF
NAV. El canal de DME apropiada se selecciona automáticamente cuando una frecuencia
VOR está seleccionada. También hay un número limitado de instalaciones ILS DME
donde es co-situado de manera que proporcionan la distancia del umbral de pista y está
disponible por la sincronización de frecuencia con el ILS seleccionado.
2.5.1 TERMINAL EN APROXIMACION
Ejemplo:
20 NM DME Arco
A. En torno al DME comenzar un giro de 90 ° a la derecha para alinearse al arco 20
DME. Una regla de oro que puede ser utilizada para el cálculo de los puntos de
ventaja para la vuelta de un radial en un arco es el uso de 0,5% respecto al suelo
de viraje a velocidad estándar y el 1% de la velocidad respecto al suelo de un 2.1
estándar. En este ejemplo, se utilizó una velocidad baja de 200 nudos y un 1 / 2
vuelta (200 nudos x 1,0% = 2 millas náuticas (mn)).
53
B. Volar el arco no por debajo de la MEA publicada (en este caso 3.000 pies).
C. Al llegar a la dirección radial (LR 010), el avión esta a 2 millas náuticas de la
aproximación final radial (000 grado I). Iniciar un giro a la izquierda de
aproximadamente 90 ° para interceptar el radial deseado.
D. El piloto puede descender a la altitud de la próxima visualización de la tabla de
procedimientos por instrumentos.
Figura 33 Arco de aproximación por DME
2.6 PRINCIPIO DE OPERACIÓN
El DME medirá la distancia en una línea recta a la baliza de tierra (distancia oblicua), no la
distancia desde un punto en el suelo verticalmente por debajo de la aeronave (gama
baja). La diferencia es generalmente insignificante, excepto cuando se muestra
directamente sobre una baliza la distancia a una altura por encima del faro de medición,
tal y como se muestra en la Figura 33.
El DME opera en la Frecuencia Ultra Alta (UHF) y de los 252 canales disponibles se
encuentra entre los 960 y 1215 MHz. Utiliza un pulso doble tanto para el interrogador
como para el transpondedor. Todos los pulsos son de la misma duración, es decir, 3,5
micro-segundos. La discriminación entre los canales se logra por la separación de
frecuencia y el espaciamiento de pulso.
Los canales están numerados del 1 al 126 y cada número de canal se divide en dos
canales designados 'X' e 'Y'.
54
Figura 34 Principio de Operación del DME
Cada par numerado de canales está separado del par contiguo por 1 MHz. Ls canales 'X'
están separados de los canales 'Y' variando el tiempo de separación de pulso. El
espaciado de separación de pulso es el mismo para todos los canales 'X', siendo 12
micro-segundos, tanto para el interrogador como para el transpondedor. En el caso de los
canales 'Y' el espaciamiento de pulso es de 36 micro-segundos para el interrogador y de
30 micro-segundos para el transpondedor.
También se prevén en el Convenio de la OACI, para la sincronización de los canales de
DME con la frecuencia asociada VOR.
La tasa de interrogatorio (referido como frecuencia de repetición de pulso, o prf) es
nominalmente de 30 pares de impulsos por segundo. Sin embargo, durante el período de
búsqueda de esta tasa aumenta aproximadamente a 150 pares de impulsos por segundo.
Este diseño permite a 100 aeronaves interrogar a una baliza de tierra al mismo tiempo.
La Identificación de la baliza de tierra es en forma de caracteres de código Morse.
55
Figura 35 Código MORSE
Los Receptores DME, o interrogadores, son producidos por un gran número de
fabricantes. Algunos interrogadores DME proporcionan un rango de 300 millas náuticas y
también puede dar razón de la información de aproximación. Muchos interrogadores
tienen un sistema automático incorporado de auto-test, el cual ayuda a la detección de
fallas en el equipo.
Normalmente, los interrogadores DME no tiene una unidad de control independiente, el
equipo se controla a partir de una unidad común de control de ondas métricas
56
El canal de DME apropiada se selecciona automáticamente cuando se selecciona una
frecuencia VOR. Hay también un número limitado de instalaciones ILS DME las cuales
están co-ubicados para proporcionar la información de la distancia al umbral de
aproximación y este se encuentra disponible por apareamiento de frecuencia con el ILS
seleccionado. Cuando sólo una baliza TACAN es la selección apropiada disponible es
hecha refiriéndose al número de canal TACAN.
El equipo DME debe ser operado de acuerdo con las instrucciones del fabricante para el
equipo en particular.
La secuencia de operación es, sin embargo, generalmente como a continuación se
muestra:
1. Encienda el equipo
2. Cuando el equipo indica que está buscando, seleccione la frecuencia de la
comparación del "VHF valor liquidativo ' se requiere según lo especificado en la AIP
(ERSA o DAP)
3. Cuando el interrogador se cierra, verifique la identificación de código Morse de la
baliza para asegurar que la frecuencia correcta ha sido seleccionada.
2.7 DESCRIPCION DEL DME Y ANALISIS DEL DIAGRAMA A BLOQUES
El equipo medidor de distancias, DME, se integra con el ILS para proporcionar a las
aeronaves información de distancia al umbral de pista durante las maniobras de
aproximación de precisión.
El DME no es un subsistema del ILS, ya que el elemento del ILS encargado de
proporcionar indicación de distancia son las radiobalizas. No obstante, estas han sido
prácticamente sustituidas por el DME.
Desde el punto de vista de funcionamiento, el DME presenta una diferencia importante.
Así como en el Localizador y en la Senda de Planeo el instrumento de a bordo era un
simple elemento pasivo que recibía y decodificaba la señal generada por la instalación de
tierra sin intervenir para nada más, en el caso del DME el instrumento de a bordo,
denominado interrogador, transmite señales de interrogación que tras ser recibidas y
retransmitidas por el equipo de tierra, denominado transpondedor, proporcionarán al
interrogador la información de distancia.
57
El principio teórico de medida de distancia del DME se basa en medir el tiempo
transcurrido entre que se transmite una interrogación y se recibe la respuesta generada
en tierra. Multiplicando la mitad de este tiempo por la velocidad de propagación de las
señales radioeléctricas, aproximadamente la velocidad de la luz (300.000 Km/s),
obtenemos la distancia en línea recta entre la aeronave y la estación DME de tierra.
Figura 36 Cálculo de Distancia
Esta distancia, denominada distancia oblicua, no corresponde a la distancia que separa a
la aeronave de la estación en el plano horizontal, pero a distancias grandes es muy
aproximada. No obstante al acercarse a la vertical de la estación, el error va aumentando
y sobre la vertical, en el caso de que existiese cobertura, la distancia indicada sería igual
a la altura.
En la figura 36 podemos ver un diagrama de bloques del interrogador y el transpondedor
junto con el esquema del principio de medida de distancia. Como puede verse, las
señales de interrogación y respuesta están formadas por pares de pulsos gausianos de
radiofrecuencia en la banda de 962 a 1214 Mhz.
Para diferenciar los pulsos de interrogación de los de respuesta, existe una diferencia de
63 Mhz entre la frecuencia del interrogador y la del transpondedor. Con todo esto la banda
de trabajo del DME está dividida en 126 canales de interrogación y 126 de respuesta
apareados, es decir que de forma automática al seleccionar el canal de la estación de
tierra, se selecciona la frecuencia en que hay que interrogarle y en la que se le va a
58
recibir. Volviendo al ejemplo de la carta de aproximación del aeropuerto de Vitoria y con
las tablas del Anexo 10 de OACI podemos ver que a la frecuencia del Localizador (108.9
Mhz) le corresponde el canal 26X del DME que tiene asignada como frecuencia para las
interrogaciones 1.050 Mhz y para las respuestas 987 Mhz. Como se puede comprobar la
diferencia es de 63 Mhz como hemos dicho antes.
Figura 37 Distancia Oblicua
Dado que son las aeronaves las que transmiten los pulsos de interrogación, puede darse
el caso, y de hecho se da, que lo hagan varias a la vez. Estas interrogaciones llegarán al
transpondedor que generará y emitirá los pulsos de respuesta todos en la misma
frecuencia. Entonces tenemos un montón de pulsos en el espacio y cada aeronave tiene
que encontrar la forma de distinguir los que son respuestas a sus interrogaciones y le
servirán para calcular su distancia.
La forma de distinguirlos consiste en generar los pulsos de interrogación con una
frecuencia de repetición de pulsos cambiante, es decir, separando los pares de pulsos por
un tiempo aleatorio pero que queda memorizado en el interrogador. Al recibir los pulsos
de respuesta, se van comparando con la secuencia memorizada y cuando coinciden se
sabe que son los correspondientes a las interrogaciones propias. Entonces solo queda
calcular la distancia por el método descrito.
59
Lo que hemos dicho en el párrafo anterior resuelve el problema para el interrogador, pero
no para el transpondedor de tierra cuya capacidad de respuestas no es ilimitada. Con el
fin de aumentar el número de aeronaves que pueden obtener información de distancia a
la vez sin saturar la capacidad del transpondedor, se programa a los interrogadores para
que hagan su trabajo en dos fases distintas:
Función “Búsqueda”: es la fase inicial cuando se sintoniza una estación de tierra.
En ella el número de interrogaciones es muy elevado, unas 150 por segundo, para
intentar establecer un valor inicial de la distancia con un error menor de 20 NM.
Esta fase no durará más de 20 segundos.
Función “Seguimiento”: una vez que el interrogador a determinado la distancia
aproximada a la que se encuentra de la estación, se entra en esta fase en la que el
ritmo de interrogaciones desciende hasta unas 25 por segundo. Ahora el objetivo
es aumentar la precisión con que se conoce la distancia medida y realizar un
seguimiento de la aeronave en su desplazamiento.
Teniendo en cuenta el número máximo de interrogaciones en cada una de las dos fases,
se establece un número máximo total de 100 aeronaves que pueden utilizar una estación
DME de forma simultánea. Con estas 100 aeronaves, el transpondedor estaría
transmitiendo 2700 pares de pulsos por segundo.
Figura 38 Diagrama a Bloques del equipo de A Bordo
60
Además de las respuestas a las interrogaciones recibidas, el transpondedor transmite una
identificación formada por tres letras en código Morse e idéntica a la transmitida por la
estación de información acimutal (Localizador o VOR) a la que esté asociado. Esta
identificación consiste en la transmisión de pares de pulsos a razón de 1350 pares por
segundo. Los pares de pulsos se transmiten cada aproximadamente 40 segundos.
Con el fin de optimizar el funcionamiento del transmisor del transpondedor, sobre todo de
los antiguos que funcionaban a válvulas, este se diseña para una transmisión continua
mínima de 700 pares por segundo, excepto durante la transmisión de los pares de pulsos
de interrogación. Cuando el número de aeronaves está por debajo de este valor mínimo,
el transpondedor genera unos pulsos de relleno llamados “squitter” que sirven para
mantener constante el ciclo de trabajo del transmisor. Es decir, aunque no haya ninguna
aeronave interrogándolo, el transpondedor siempre está transmitiendo pulsos, bien de
identificación o squitter.
Resumiendo todo lo anterior, podemos decir que en el tren continuo de pulsos
transmitidos por el transpondedor encontraremos de forma aleatoria: respuestas a
interrogaciones, pares de pulsos de identificación y pulsos de squitter.
En caso de que el número de aeronaves que están interrogando a la vez llegase al 90%
del valor máximo de 2700 pares por segundo, el sistema de supervisión del
transpondedor disminuye la sensibilidad del receptor para eliminar las interrogaciones de
aeronaves muy distantes que al llegar más débiles se rechazarán en el receptor.
Llevamos mucho rato hablando de los pares de pulsos sin todavía haber aclarado un poco
sus características, así que vamos a hacerlo ahora. Como podemos ver en la figura, cada
interrogación y su correspondiente respuesta está formada por una serie de pares de
pulsos de radiofrecuencia. La duración de estos pulsos en los puntos de amplitud media
es de 3.5 ms ( 1 microsegundo = 0.000001 s) y la separación entre los dos pulsos del par
es de 12 ms tanto en la interrogación como en la respuesta en el caso de canales X. Con
el fin de aumentar el número de canales dentro de la misma banda de frecuencias, OACI
establece otros canales denominados canales Y en los cuales la separación entre pulsos
es de 36 ms en la interrogación y 30 ms en la respuesta. La forma del pulso es la de una
campana de Gauss.
Como hemos dicho la separación entre pares de pulsos se genera de forma aleatoria en
el interrogador.
61
En la siguiente figura podemos ver un diagrama de bloques de la estación de tierra del
DME y estos son sus principales elementos:
Fuente de alimentación: se encarga de generar las tensiones necesarias en cada
bloque o tarjeta de circuito impreso a partir de la alimentación en corriente alterna.
Antena: normalmente está formada por un apilamiento de dipolos verticales y se
encarga de recibir las interrogaciones de los aviones y transmitir las respuestas.
Tiene polarización vertical. Cuando el DME está asociado con el ILS, la antena
normalmente suele ser directiva para que solo se tenga cobertura en la zona de
aproximación.
Acoplador o circulador: se encarga de separar las señales recibidas de las
transmitidas ya que como hemos dicho antes, la antena es común.
Receptor: a partir de la señal de radiofrecuencia, obtiene los pulsos de
interrogación como señal detectada.
Decodificador: comprueba el espaciado de los pulsos para detectar interrogaciones
válidas, es decir, aquellas en las que dicho espaciado es de 12 ms o 36 ms
dependiendo del canal de que se trate. Produce un pulso de control que sirve para
generar las respuestas. Con el fin de evitar responder a pares de pulsos
procedentes de interrogaciones reflejadas en objetos u obstáculos naturales y que
darían lugar a errores en el interrogador, el decodificador produce un bloqueo del
receptor durante unos 60 ms una vez que ha detectado una interrogación válida.
Retardo principal: con el fin de homogeneizar el retardo que se produce en los
distintos tipos de transpondedores durante la detección y generación de
respuestas, se introduce un retardo para conseguir que en todos sea igual a 50 ms.
Este retardo se restará después en el interrogador a la hora de calcular la
distancia. En el caso de un DME asociado a un ILS, este retardo principal se
modifica para que la referencia de distancia cero corresponda con el umbral. Si la
distancia de la antena del DME al umbral es de 300 m, teniendo en cuenta que la
velocidad de propagación de la radiofrecuencia en el aire es de aproximadamente
300.000 Km/s = 300 m/ms, tendremos que el retardo tendrá que ser de 48 ms para
que el interrogador indique cero en el umbral.
Codificador: con cada pulso de control genera un par de pulsos con las
características y espaciado requerido. También genera los pulsos correspondientes
a la identificación. - Transmisor: se encarga de modular la señal portadora con los
pulsos proporcionados por el codificador.
62
Sistema de supervisión: es el encargado de controlar que la señal radiada y los
parámetros del equipo de tierra se encuentran dentro de las tolerancias
establecidas. Dado que en el DME es necesario comprobar el buen funcionamiento
tanto del transmisor como del receptor, dentro del sistema de supervisión se
generan unas señales de interrogación de prueba que se inyectan en el camino de
recepción antes del receptor. El sistema de supervisión comprueba el correcto
tratamiento (recepción y detección) de estas interrogaciones de prueba y determina
el estado del canal de recepción.
Unidad de control local: con la información proporcionada por el sistema de
supervisión sobre el estado de las parámetros de la estación, esta unidad
establece el funcionamiento del sistema realizando una transferencia de equipo o
cesando la radiación.
Unidad de control remoto: permite supervisar y controlar la instalación desde un
emplazamiento remoto.
Al igual que en la senda de Planeo y en el Localizador, todos los elementos descritos, a
excepción de la antena y las unidades de control, se encuentran duplicados.
Cuando el DME se utiliza para proporcionar la función de distancia del ILS, se instala en
el mismo emplazamiento que la Senda de Planeo de forma que la antena del DME se
encuentre próxima al umbral que, como hemos dicho, será la referencia de distancia cero
durante la aproximación. En este caso el indicativo del DME es igual al transmitido por el
Localizador y se asocia con este de forma que de cada cuatro señales de indicativo, tres
sean transmitidas por el Localizador y una por el DME.
Figura 39 Computador Convencional de DME
63
Con el fin de aumentar la precisión para ser utilizado con el Sistema de Aterrizaje por
Microondas (MLS: Microwave Landing System), OACI ha definido el denominado DME de
precisión (DME/P) en el cual se modifica la forma de los pulsos para aumentar la precisión
al medir los tiempos entre interrogaciones y respuestas.
Cuando el DME está instalado junto con un ILS, debe proporcionar cobertura desde por lo
menos la cobertura del Localizador hasta el umbral en el sector de cobertura acimutal del
Localizador. En este volumen de cobertura la precisión de la medida de distancia
proporcionada por el DME estará comprendida entre 370 m y el 0.25% de la distancia.
La información de distancia obtenida por el DME se le presenta al piloto en millas náuticas
(1 NM = 1852 m) en el propio instrumento DME de a bordo así como en otros
instrumentos que combinan varias informaciones y facilitan su lectura al piloto.
A continuación se presenta un diagrama de bloques simplificado del transpondedor DME.
Figura 40 Diagrama a Bloques del receptor DME
64
Capitulo 3 PROPUESTA TECNOLOGICA
3.1 SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACION POR SATELITE
Un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS, por sus siglas en inglés) es una
constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el
posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar
o aire. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto
dado como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de
satélites artificiales de la Tierra para fines de navegación, transporte, geodésicos,
hidrográficos, agrícolas, y otras actividades afines incluidas las aeronáuticas.
Un sistema de navegación basado en satélites artificiales puede proporcionar a los
usuarios información sobre la posición y la hora (cuatro dimensiones) con una gran
exactitud, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y en todas las condiciones
climatológicas.
Figura 41 Sistema de Navegación por satélite
65
3.2 LOS GNSS Y SU USO EN LA AVIACION COMO SISTEMA DE NAVEGACION
Actualmente muchos pilotos de la aviación general, emplean equipos GNSS como ayuda
para su navegación cuya finalidad es proporcionar información básica, que permita una
mejor función de los servicios prestados.
El uso de estos aparatos sigue siendo solo como ayuda para la navegación ya que no
cumple los requisitos de navegación exigidos por OACI en relación a la persistencia
operacional, por lo que no puede ser certificado como medio único de navegación aérea y
no es usado con propósitos que requieran mediciones de dirección, distancia ubicación o
topografía.
Proponiendo la utilización de satélites como soporte a la navegación, ofreciendo
localización precisa de las aeronaves y cobertura en todo el globo terrestre. Se está
implantando el GNSS de una manera evolutiva a medida que esté preparado para acoger
el gran volumen del tráfico aéreo civil existente en la actualidad, y pueda responder a las
necesidades de seguridad que requiere el sector, uno de los más exigentes del mundo.
Cuando el sistema GNSS esté completamente desarrollado, se prevé que pueda ser
utilizado como un sistema de navegación completo y sin requerir ayuda de cualquier otro
sistema de navegación convencional, desde el despegue hasta completar un aterrizaje de
precisión Categoría I, II ó III; es decir, en todas las fases de vuelo.
66
3.3 SISTEMA GALILEO
En la actualidad, el sistema global de navegación por satélite más conocido y más
empleado es el GPS.
Siendo este sistema desarrollado por autoridades militares a mediados de los años
ochenta, logró alcanzar gran popularidad y es el sistema que actualmente mas uso tiene,
a la par Rusia trabajo en el GLONASS (Global Navigation Satellite System) y siendo
también de origen militar, busco hacerle competencia al sistema estadounidense.
Siendo estos dos los únicos sistemas de uso común, la Comisión Europea y la Agencia
Espacial Europea (ESA) han puesto en marcha un programa llamado Galileo, el cual es
un sistema global de navegación por satélite que se plantea no solo como un modelo
independiente del norteamericano y del Ruso, sino también , de titularidad civil y como un
nuevo aporte de recursos que satisfagan el considerable aumento de la demanda de
servicios que se dará a escala mundial en los próximos años por parte de aplicaciones y
múltiples usos basadas en estos sistemas, siendo su uso en la aviación no muy distante
de la actualidad.
67
3.3.1 PROPUESTA COMO SISTEMA DE NAVEGACION AEREA
El uso de un Sistema Global de Navegación por Satélite como sistema de navegación
aérea vendría a sustituir aparatos como el DME del cual se expone su funcionamiento en
este ejemplar, ya que vendría a realizar las funciones de este ultimo de sobre manera,
permitiendo una mejor aeronavegabilidad en muchos aspectos, tales como se marcan
más adelante.
Específicamente hablando se propone el uso del sistema Galileo como Sistema Global de
Navegación por Satélite porque aunque GPS está disponible y es gratuito, su
funcionamiento, disponibilidad y precisión para uso civil no tiene ningún tipo de garantías,
y su utilización se limita a la recepción de las señales de posición y hora. Esto limita sus
posibilidades, su explotación comercial y gubernamental, civil y su uso en entornos
críticos como el transporte aéreo.
Actualmente se lleva a cabo el proyecto europeo GIANT (GNSS Introduction In the
AviatioN secTor) el cual comprende pruebas y ensayos para poder utilizar en su día los
servicios de la que será la constelación de satélites europea GALILEO – EGNOS para uso
aeronáutico.
GIANT es un proyecto liderado por la INECO, con la intención de realizar una fusión entre
el sistema EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), siendo este
un Sistema de Aumentación Basado en Satélites desarrollado por la Agencia Espacial
Europea (ESA), la Comisión Europea (institución de la Unión Europea) y Eurocontrol. Está
ideado como un complemento para las redes GPS y GLONASS para proporcionar una
mayor precisión y seguridad en las señales, permitiendo una precisión inferior a dos
metros y el sistema Galileo antes mencionado en el ámbito de la aviación, con el
propósito de demostrar a las autoridades correspondientes que con el uso de estos
sistemas se puede alcanzar los estándares de seguridad requeridos.
68
3.3.2 BENEFICIOS DEL USO DEL SISTEMA GALILEO EN LA AVIACION
SEGURIDAD
Navegación vertical APV (Approach Procedure with Vertical Guidance, por sus
siglas en ingles) disponible en todas las pistas
Reducción del CFIT (Controlled Flight Into Terrain por sus siglas en ingles)
ECONOMICOS
Avionica con alto rendimiento a bajo costo para aviación civil y privada.
OPERACIONALES
Respaldo para aproximaciones ILS.
Mejores procedimientos avanzados.
Mejores operaciones de aproximación.
Rutas más eficientes con más ahorro de combustible.
Mejor navegación en áreas con poca infraestructura de navegación.
69
CAPITULO 4 CONCLUSIONES
El Distance Measuring Equipment es un sistema de navegación que a estado vigente por
muchos años en la aviación, lo que lo convierte en un sistema muy importante para la
obtención de datos de navegación y es por lo que en esta tesina se explica este sistema
que seguirá vigente por muchos años más.
En esta tesina se trata de exponer su funcionamiento empírico y matemático y a su vez se
expone el futuro de la navegación aeronáutica.
Dicho lo anterior se expone en esta tesina como propuesta de mejora tecnológica la
navegación por satélites que es un sistema que actualmente no se toma en cuenta como
sistema de navegación para aeronaves y solo se ocupa como ayuda en vuelo, ya sea por
cuestiones de seguridad o porque es un sistema que aun se encuentra en etapa de
desarrollo como para implementarlo. Sin embargo en esta tesina se propone el uso de
este sistema y en específico el uso del Galileo, ya que si bien es un sistema de intelecto
civil, que con lo cual se evitaría cualquier problema no anticipado, será en un futuro un
sistema confiable para realizar operaciones criticas en las aeronaves.
Con el objetivo de difundir en la ESIME Ticoman y en México este tipo de sistemas y este
tipo de proyectos como lo es el GIANT que representan el futuro de la navegación para
aeronaves y de los cuales no existe casi referencia alguna en estos dos lugares
mencionados y siendo que sustituirá las funciones que realiza un DME se expone en esta
tesina dicho tema.
70
GLOSARIO
ESIME (Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica)
GIANT (GNSS Introduction In the AviatioN sector)
ILS (Instrument landing system)
CFIT (Controlled Flight Into Terrain por sus síglas en ingles)
APV (Approach Procedure with Vertical Guidance, por sus síglas en ingles)
GPS (Global Positioning system)
GLONASS (Global Navigation Satellite System)
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)
VHF (Very High Frecuency)
VOR (Very High Frecuency Omni range)
OACI (Organización de Aviación Civil Internacional)
AESA (Active Electronically Scanned Array)
FAA (Federal Aviation Administration)
SWR (standing wave ratio)
UHF (Ultra High Frecuency)
DME (Distance Measuring Equipment)
FM Frecuencia Modulada
PM (Phase Modulation)
AM (Amplitud Modulada)
RF (Radio Frecuency)
PWM (Pulse-width modulation)
CW (Continouos wave)
SSB (Single Side Band)
BJT (bipolar junction transistor)
FET (field-effect transistor)
ADF (Automatic Direction Finder)
71
BIBLIOGRAFIA
- Digital synthesizers and Transmitters for software radio, Electronics and computer
Engineering. Jouko Vankka.
- Fundamentals of solid State Engineering, Electronics and Microelectronics,
Instrumentation. Manijeh Razeghi.
- Sistemas de Aeronaves. Felipe Gato Gutiérrez.
- Sistemas eléctricos y electrónicos de las aeronaves. Jesús Martínez Rueda.