ES2290099T3 - Procedimiento y aparato para reducir problemas de retardo diferencial en sistemas de comunicaciones de audio con por lo menos dos transmisores. - Google Patents
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Abstract
Sistema de comunicaciones de audio que comprende una fuente de señales de audio, por lo menos dos transmisores para transmitir señales de audio idénticas generadas por la fuente de señales de audio a uno o más receptores, y unos medios de red para transmitir señales desde la fuente de señales de audio hasta los transmisores, en el que los transmisores transmiten al receptor o los receptores señales moduladas que son desmoduladas por el receptor o los receptores, caracterizado porque por lo menos uno de los transmisores está provisto de unos medios para modificar las señales recibidas desde los medios de red, antes de su transmisión, y cambiar de ese modo la fase de las señales recibidas en una cantidad que es una función del tiempo o de la frecuencia de la señal recibida, de tal forma que la señal de dicho por lo menos un transmisor sea diferente de la correspondiente señal del otro transmisor o transmisores.
Description
Procedimiento y aparato para reducir problemas
de retardo diferencial en sistemas de comunicaciones de audio con
por lo menos dos transmisores.
La presente invención se refiere a los sistemas
de comunicaciones de audio que disponen por lo menos de dos
transmisores capaces de transmitir señales de audio idénticas a un
receptor. Los sistemas de este tipo se utilizan a veces en la
industria de la aviación para la comunicación entre los centros de
control de tráfico aéreo y los aviones. La Figura 1 ilustra
esquemáticamente uno de dichos sistemas. Como se representa en la
Figura 1, las señales de audio (es decir, de voz) son transmitidas
desde un centro de control de tráfico aéreo 10 hasta dos
transmisores de radiofrecuencia 12 y 13, a través de una red 11 que
se describirá más adelante. Los transmisores se comunican con el
equipo de un avión 14, lugar donde se reproducen las señales de
audio. En la Figura 1, se representa un ejemplo particular de un
avión que se aproxima al sudeste de Inglaterra desde la ciudad de
Boulogne situada en la costa de Francia. Cuando el avión se halla
cerca de Inglaterra, recibe las señales de control de tráfico aéreo
desde los transmisores 12 y 13 situados en Winstone y Warlingham.
El tiempo que tardan las señales en alcanzar el avión por medio de
la red 11 y el transmisor 12 es diferente al tiempo que tardan las
señales en alcanzar el avión por medio de la red 11 y el transmisor
13. Esta diferencia constituye lo se denomina "retardo
diferencial".
Este retardo es motivado por dos factores. El
primer factor viene determinado por las distancias relativas entre
los respectivos transmisores y el avión y el segundo factor viene
determinado por los diferentes tiempos de propagación de las
señales hasta los respectivos transmisores por medio de la red 11.
El retardo diferencial provoca un desfase entre las respectivas
señales, hecho que genera una interferencia destructiva a ciertas
frecuencias (así como una interferencia constructiva a otras
frecuencias) y, por lo tanto, una atenuación (y amplificación)
significativa y la consiguiente distorsión de la señal recibida en
ciertas bandas de frecuencias. En la mayor parte de su recorrido,
la intensidad de la señal recibida por el avión es desigual, de tal
forma que la señal de un transmisor amortigua la otra y la
distorsión resulta insignificante. No obstante, el retardo
diferencial puede ocasionar problemas cuando el receptor recibe la
misma potencia audio desde ambos transmisores. A distancias iguales
desde cada transmisor o estación de radio, la intensidad de la señal
no es necesariamente igual. La intensidad de la señal de cada
estación puede depender de muchos factores, entre los cuales se
hallan los siguientes:
el diagrama polar de la antena del sitio del
transmisor,
la altura (la onda de superficie y la onda
directa interactúan para variar la intensidad de la señal),
la masa terrestre entre la estación y el avión
(especialmente en largas distancias),
el diagrama polar de la antena del avión y
el viraje del avión.
En el ejemplo de la Figura 1, los transmisores
12,13 se hallan a 225 km y 125 km del avión.
Esto provoca un retardo diferencial de:
\frac{100 .
000 \ m}{3 \ x \ 10^{8} \ m/s \ (la \ velocidad \ de \ la \
luz \ en \ el \ aire)} = 0,33
milisegundos
Se ha calculado que el retardo debido a los
diferentes tiempos de propagación a través de la red 11 es de 0,5
milisegundos, lo cual da como resultado un retardo diferencial total
de 0,83 milisegundos.
El valor subjetivo del nivel de degradación a
las frecuencias de audio depende de la duración del retardo
diferencial, puesto que los diferentes retardos provocan la
atenuación de frecuencias diferentes. Idealmente, el retardo
diferencial debe ser inferior a alrededor de 0,1 ms. No obstante,
esto no resulta viable, ya que la diferencia de los retardos de
propagación desde los transmisores hasta el avión puede superar este
valor, incluso en emplazamientos en los que las intensidades de las
señales de los transmisores son similares. Los retardos
diferenciales de hasta aproximadamente 2 ms tienden a generar un
sonido particularmente deficiente, ya que provocan nulos de gran
amplitud en el espectro de audio recibido. Se ha comprobado que los
retardos más altos dan mejores resultados a los operadores de
radiocomunicaciones, porque generan numerosos nulos y picos de
audio de poca anchura, conservan una gran proporción de la potencia
de audio original y proporcionan una voz fácilmente comprensible.
No obstante, el retardo no debe ser demasiado grande, ya que en tal
caso se produciría un retardo audible en el tono lateral recibido
por el operador desde el receptor de referencia, hecho que
provocaría mucha confusión en el operador.
Los gráficos de las Figuras 2 y 3 facilitarán la
comprensión del problema. Las Figuras 2(a) y 3(a)
representan las variaciones en el tiempo de una señal de voz
corriente recibida simultáneamente desde dos transmisores separados
por retardos diferenciales diferentes de 0,20 ms y 4 ms,
respectivamente, mientras que las Figuras 3(a) y 3(b)
representan los diagramas de densidad espectral de potencia de la
señal transmitida y la señal recibida. Estos gráficos se han
obtenido mediante simulación por ordenador utilizando datos de voz
reales.
Como se pone de manifiesto en le Figura
2(b), un retardo diferencial de 0,2 ms provoca una grave
distorsión de la señal de audio. Si se compara la señal
transmitida, representada en línea discontinua, con la señal
recibida, representada en línea continua, se observa que se produce
una atenuación importante de las señales por encima de 2.500 Hz,
aproximadamente. No obstante, en la Figura 3(b), se observan
numerosos nulos en el espectro. (El audio se filtra por encima de
los 3,4 kHz para limitar el ancho de banda.) Por lo tanto, la
cantidad de información audio original que se pierde es muy pequeña
y la señal de la Figura 3 es de una calidad aceptable.
El problema del retardo diferencial ha sido
abordado temporalmente añadiendo un retardo fijo en uno de los
enlaces con los transmisores para tratar de asegurar que el retardo
diferencial sea siempre igual a 4 ms (dicho sea de paso, los
valores de este orden no tienen ningún efecto apreciable sobre las
señales portadoras de RF). No obstante, esta solución requiere
llevar a cabo una medición manual del retardo diferencial y a veces
falla debido al reencaminamiento de la señal de audio a través de la
red 11. La red suele constar de enlaces de telecomunicaciones
digitales, el funcionamiento de los cuales puede ser supervisado por
una tercera parte y ser llevado a cabo fuera del control del
proveedor de control de tráfico aéreo. Por consiguiente, tal vez no
se informe siempre al proveedor de control de tráfico aéreo de todos
los reencaminamientos producidos en la red 11.
Por consiguiente, se plantea la necesidad de
disponer de un sistema de comunicaciones que evite los problemas
del retardo diferencial incluso cuando las señales que se desplazan
por la red se reencaminan.
Idealmente, es necesario que la solución a este
problema cumpla los requisitos siguientes:
la calidad de audio debe ser independiente del
retardo de la red digital que proporciona las señales a los
transmisores,
debe ser independiente del sistema de control y
supervisión RICE (radio telephony interface control equipment),
puesto que sería difícil y costoso realizar modificaciones,
debe ser compatible con el sistema de control y
supervisión analógico actual,
la calidad del audio debe ser aceptable para los
aviones que reciben desde un único transmisor dominante,
la calidad del audio debe ser aceptable para los
aviones que reciben dos señales de potencia similar desde
transmisores diferentes (para dos y tres transmisores),
la calidad del audio del tono lateral fuera del
canal de conversación desde la estación receptora hasta el
controlador del tráfico aéreo debe ser aceptable,
las modalidades de fallo son importantes y deben
tenerse en cuenta y
la infraestructura de comunicaciones existente
sólo debe precisar cambios de poca importancia.
La presente invención resuelve este problema
aplicando un procesamiento adicional a la señal de audio antes de
que ésta llegue a los transmisores.
Por lo tanto, la presente invención proporciona
un sistema de comunicaciones de audio que incluye una fuente de
señales de audio, por lo menos dos transmisores para transmitir
señales de audio idénticas generadas por la fuente de señales de
audio a uno o más receptores, y unos medios de red para transmitir
señales desde la fuente de señales de audio hasta los transmisores,
en el que los transmisores transmiten al receptor o los receptores
señales moduladas que son desmoduladas por el receptor o los
receptores, caracterizado porque por lo menos uno de los
transmisores está provisto de unos medios para modificar las señales
recibidas desde los medios de red, antes de su transmisión, y
cambiar de ese modo la fase de las señales recibidas en una cantidad
que es una función del tiempo o de la frecuencia de la señal
recibida, de tal forma que la señal de dicho por lo menos un
transmisor sea diferente de la correspondiente señal del otro
transmisor o transmisores.
La presente invención también proporciona un
procedimiento para utilizar un sistema de comunicaciones como el
descrito en la reivindicación 18.
En la forma de realización preferida, los medios
de procesamiento de señales comprenden simplemente un filtro. El
filtro actúa sobre la señal digital recibida a través de la red 11
antes de que sea transmitida desde el transmisor 12 ó 13. La
variación de parámetros puede ser aleatoria, pero el filtro
preferido es un filtro cuya respuesta varía de forma periódica; por
ejemplo, siguiendo una trayectoria sinusoidal, a lo largo del
tiempo o de la frecuencia de la señal recibida. Además, el filtro
puede variar la amplitud de las señales. En el caso de un sistema
del tipo ilustrado en la Figura 1, uno o ambos transmisores pueden
estar provistos de unos medios de procesamiento de señales. En caso
de que ambos transmisores estén provistos de unos medios de
procesamiento de señales que aplican una variación periódica a la
fase de la señal con respecto a la frecuencia, es preferible que
las características de cambio de fase/frecuencia de los dos medios
de procesamiento de señales presenten un desfase mutuo de 180º. No
obstante, debe tenerse en cuenta que el objetivo de la presente
invención es conseguir, en el receptor, que algunas de las
frecuencias de audio estén en fase unas con otras aunque todavía
queden algunas frecuencias que estén en desfase.
En la disposición preferida, los transmisores
transmiten señales moduladas en amplitud hasta el receptor o los
receptores, aunque el sistema puede funcionar igualmente bien con
otros tipos de modulación, tales como la modulación en frecuencia y
la modulación por anchura de impulso. La implementación de la
presente invención no requiere ningún tipo de hardware adicional en
las estaciones transmisoras. Muchos transmisores de señales
presentan procesadores de señales adecuados que simplemente
necesitan ser reprogramados para proporcionar el prefiltrado
necesario para llevar a la práctica la presente invención.
A continuación, se describirán formas de
realización de la presente invención únicamente a título de ejemplo,
consideradas conjuntamente con los dibujos adjuntos, en los
que:
la Figura 1 es un diagrama esquemático de un
sistema de comunicaciones de audio convencional, en el que un
centro de control de tráfico aéreo se comunica con un avión;
la Figura 2(a) representa la variación en
el tiempo de la amplitud de las señales de audio recibidas desde
dos transmisores, con la misma intensidad y un retardo mutuo de 0,2
ms;
la Figura 2(b) representa las densidades
espectrales de potencia de las señales transmitidas y recibidas
correspondientes a la Figura 2(a);
las Figuras 3(a) y 3(b) son
similares las Figuras 2(a) y 2(b) y representan las
señales con un retardo mutuo de 4 ms;
la Figura 4 es un diagrama esquemático de un
sistema de comunicaciones de audio según la presente invención, en
el que un centro de control de tráfico aéreo se comunica con un
avión;
la Figura 5 es un gráfico
retardo-tiempo para un filtro que aplica a las
señales un retardo aleatorio a lo largo del tiempo;
la Figura 6 es un gráfico que ilustra la
respuesta de un filtro que aplica una variación sinusoidal a la fase
con respecto a la frecuencia;
la Figura 7 representa la repuesta impulsiva, la
respuesta de magnitud y el retardo de grupo para un filtro que
impone una variación monotónica del retardo de grupo con respecto a
la frecuencia;
las Figuras 8(a) a (d) son gráficos
habituales de las respuestas de filtro para los filtros que aplican
variaciones sinusoidales de fase y amplitud con respecto a la
frecuencia;
las Figuras 9(a) y (b) son gráficos de
respuestas de filtro para los filtros que aplican una variación
sinusoidal de fase con respecto a la frecuencia, utilizados en un
sistema de dos transmisores;
las Figuras 10(a) a (c) son gráficos de
respuestas de filtro para tres filtros que aplican una variación
sólo sinusoidal de fase con respecto a la frecuencia, utilizados en
un sistema de tres transmisores;
la Figura 11(a) representa la variación
en amplitud con respecto al tiempo de las señales de audio recibidas
desde dos transmisores, con la misma intensidad y un retardo mutuo
de 0,25 ms;
la Figura 11(b) representa las densidades
espectrales de potencia de las señales transmitidas y recibidas
correspondientes a la Figura 11(a), después del prefiltrado
con el filtro preferido, para ser utilizadas en un sistema de dos
transmisores según la presente invención y
las Figuras 12(a) y (b) son similares a
las Figuras 11(a) y (b) y representan las señales con un
retardo de 5 ms.
Haciendo referencia a la Figura 4, los elementos
del dibujo que se corresponden con elementos similares de la Figura
1 se designan mediante los mismos números de referencia. El sistema
de la Figura 4 es similar al de la Figura 1, excepto porque, en
cada transmisor 12, 13, está presente un filtro de retardo de grupo
15 entre el equipo de control de estación de radio transmisora 16 y
los transmisores de salida 17.
Debe observarse que, aunque los dos transmisores
17 funcionan con la misma frecuencia de modulación en amplitud
teórica, en realidad las frecuencias están ligeramente desplazadas,
de tal forma que la estación de radio 12 funciona a
125,005 MHz y la estación 13 funciona a 124,995 MHz. La
imprecisión del sintonizador del avión permite que ambas señales
sean recibidas y desmoduladas simultáneamente.
Como se ha indicado anteriormente, la
degradación de las señales recibidas cuando existe un retardo
diferencial entre los dos transmisores se produce debido a que las
dos señales de audio idénticas interfieren entre sí. Cuando el
retardo es igual a un número impar de medias longitudes de onda, las
frecuencias experimentan una interferencia destructiva, en cambio,
cuando el retardo es igual a un número par de medias longitudes de
onda, las frecuencias experimentan una interferencia constructiva,
de tal forma que esas frecuencias son potenciadas, generándose unas
señales recibidas que pueden percibirse de forma muy amortiguada o
distorsionada.
Las señales de audio se someten a un prefiltrado
que modifica las dos señales de maneras diferentes, con la
finalidad de que éstas lleguen a ser suficientemente distintas entre
sí como para que la cantidad de interferencia mutua se reduzca
considerablemente. Al mismo tiempo, como es evidente, es importante
no modificar demasiado las señales para no provocar una distorsión
audible de las mismas. Esto resultaría muy inadecuado, puesto que
la distorsión sería apreciable incluso en el caso de un único
transmisor dominante. Un resultado aceptable sería un resultado que
pudiera compararse con el representado en la Figura 3(b).
Se ha investigado una serie de tipos de filtros
diferentes y comprobado la idoneidad de éstos mediante simulación
por ordenador. Para cada tipo de filtro, se han probado voces de
hombre y de mujer y una diversidad de retardos diferenciales
comprendidos entre 0 y 30 ms. En algunos casos, se ha aplicado un
filtro a un transmisor sólo y en otros, se ha aplicado el
prefiltrado a ambos transmisores. Los filtros que han dado mejores
resultados son los que aplican una variación sinusoidal de un
parámetro de la señal (por ejemplo, la fase o la amplitud) con
respecto a la frecuencia, aunque también se obtienen resultados
útiles de otros filtros.
A continuación, se describen ejemplos de filtros
adecuados.
Algunos filtros se definen en términos de su
respuesta en frecuencia H(f). Esto establece una relación en
el dominio de la frecuencia entre las señales de entrada y las
señales de salida de los filtros de la forma siguiente:
Y(f) =
H(f) X
(f)
siendo Y(f) y X(f),
respectivamente, las transformadas de Fourier de la señal de salida
y la señal de entrada en el dominio del tiempo y(t) y
x(t). Para tomar en consideración la posibilidad de dos
filtros, se definen dos respuestas en frecuencia, en particular,
H_{1}(f) y
H_{2}(f).
Este filtro aplica a las señales de entrada
x(t) un retardo \delta que varía sinusoidalmente en
el tiempo. Por lo tanto, la salida del filtro y(t)
viene proporcionada por:
y(t) =
x(t-\delta)
siendo \delta = Acos
(2\pit/T).
Los parámetros utilizados para las pruebas son
A = 20 y T = 0,2 s. Las señales recibidas utilizando
esta disposición son claramente inteligibles aunque algo
distorsionadas.
Este filtro es similar al filtro anterior,
excepto en que el valor \delta se define escogiendo un grupo de
valores aleatorios, n, entre -0,5 y 0,5 y utilizando una
función spline para ajustar los puntos y generar una curva suave
pero aleatoria. La amplitud de la curva se escala después mediante
un factor A. Se realizan pruebas con diferentes valores de
n. En la Figura 5, se representa un ejemplo de la variación
del retardo a lo largo del tiempo, para A = 20.
El filtro aplica una modulación sinusoidal en
amplitud a la señal de entrada, de tal forma que las señales de
salida de los 2 transmisores vienen proporcionadas por:
y_{1}(t) = x(t)[(1
+
Asen(2\pit/T)]
y_{2}(t) = x(t)[(1
+
Asen(2\pit/T)]
También en este caso, se realizan pruebas con
valores diferentes de los parámetros A y T, tales
como, por ejemplo, A = 0,5 y T = 0,01, 0,1 ó 1s.
Aunque las señales son inteligibles, los cambios periódicos de la
magnitud de la señal son claramente audibles, particularmente en el
caso de un único transmisor, con lo cual se reduce la nitidez de la
señal.
Para este transmisor particular, la respuesta en
frecuencia viene proporcionada por:
\vskip1.000000\baselineskip
H_{1}(f) =
1
H_{2}(f) = 1 +
Asen(2\piN_{f}f')
\vskip1.000000\baselineskip
siendo A la magnitud de la
variación de la amplitud y N_{f} el número de ciclos por
unidad de frecuencia. En ésta y todas las ecuaciones subsiguientes,
f' es la frecuencia normalizada, definida como la frecuencia
f dividida por la mitad de la frecuencia de muestreo, es
decir:
f'
=\frac{f}{F_{s}/2},
siendo F_{s} = 8
KHz.
Resultan adecuados los parámetros A = 0,6
y N_{f} = 8. Debe observarse que las características
del filtro (y de todos los filtros subsiguientes) no varían en el
tiempo.
\vskip1.000000\baselineskip
En esta disposición propuesta, las dos
respuestas en frecuencia vienen proporcionadas por:
- 1^{er} Transmisor
- H_{1}(f) = 1 \hskip0,2cm (es decir, sin prefiltrado)
- 2º Transmisor
- H_{2}(f) = exp (-j\piP sen(2 \piN_{f}f'))
\vskip1.000000\baselineskip
En este ejemplo, N_{f} es el número de
ciclos por unidad de frecuencia y P es la amplitud de la variación
de fase sinusoidal. La Figura 6 es un gráfico que ilustra la
respuesta del filtro para un conjunto de parámetros comunes. Se
realiza una prueba del filtro con los valores P = 0,3 y
N_{f} = 8. El filtro proporciona una mejora evidente de la
calidad del sonido a través del rango de retardos diferenciales.
\vskip1.000000\baselineskip
Como en el caso anterior, este filtro modifica
la fase de la señal en el dominio de la frecuencia. No obstante, en
lugar de aplicar una variación periódica, genera una variación
monotónica de fase (y por lo tanto de retardo de grupo). La
respuesta en frecuencia es:
H_{1}(f) =
1
H_{2}(f) =
exp(-j\piPf'^{2}),
siendo también esta vez P
una constante que define la magnitud de la variación. La Figura 7
representa la variación del retardo de grupo con respecto a la
frecuencia y la correspondiente respuesta impulsiva del filtro, con
P = 128. Las señales recibidas son inteligibles, aunque éste
no es el mejor filtro ya que determina que las señales recibidas
tengan un sonido muy metálico. La salida del transmisor único tiene
un sonido especialmente singular. Además, este filtro impone un
retardo global grande sobre las señales a frecuencias más altas, lo
cual genera una cantidad desconcertante de eco en el tono lateral
escuchado por los controladores. A pesar de todo, este filtro puede
resultar útil en ciertas
aplicaciones.
Las respuestas en frecuencia de estos filtros se
especifican inicialmente mediante las ecuaciones siguientes:
\vskip1.000000\baselineskip
H_{1}(f) = (1 -
Asen(2\piN_{f}f' + \pi/2))
exp(-j\piPsen(2\piN_{f}f'))
H_{2}(f) = (1+
Asen(2\piN_{f}f' + \pi/2))
exp(+j\piPsen(2\piN_{f}f'))
\vskip1.000000\baselineskip
A partir de las respuestas en frecuencia, se
hallan las derivaciones de las respuestas impulsivas mediante las
transformadas inversas de Fourier. Una propiedad útil de los filtros
con respuestas en frecuencia periódicas es que la respuesta
impulsiva consta sólo de algunas derivaciones no cero situadas a la
misma distancia unas de otras (esto se deriva del hecho de que la
respuesta impulsiva y la respuesta en frecuencia son transformadas
de Fourier una respecto de la otra, y la FT de una forma de onda
periódica es una serie de valores discretos). Esto significa que
este tipo de filtro es muy fácil de implementar y sólo necesita una
pequeña cantidad de potencia de procesamiento. Para simplificar el
filtro, sólo se conservan las derivaciones más grandes (o se
utiliza un número menor de éstas, si menos de 6 son superiores a
0,002). Estas derivaciones se hallan a la misma distancia unas de
otras, correspondiendo dicha distancia a 2*N_{f} muestras a una
frecuencia de muestreo de audio de 8 kHz.
Como en el caso anterior, el parámetro A
determina la magnitud de la variación de la amplitud y P determina
la magnitud de la variación de la fase. N_{f} determina el período
de ambas variaciones y, en consecuencia, la separación de las
derivaciones de la respuesta impulsiva, que es el factor principal
determinante del retardo medio de las señales que pasan a través
del filtro. En realidad, el retardo medio es aproximadamente igual
al tiempo entre la primera derivación y la derivación más grande de
la respuesta impulsiva del filtro. En los filtros que se han
estudiado, la derivación más grande es la 2ª o la 3ª derivación no
cero. Esto determina un retardo medio de aproximadamente 2*N_{f}
muestras, que equivale a N_{f}/4 o N_{f}/2 ms, respectivamente.
Se han realizado pruebas con combinaciones de parámetros diferentes.
Las Figuras 8(a) a (d) representan gráficos habituales de las
respuestas del filtro.
Estos filtros resultan adecuados y, en general,
proporcionan resultados satisfactorios con un único transmisor, así
como mejores resultados con dos transmisores, con respecto al rango
completo de retardos diferenciales comprobados. Algunas
combinaciones de parámetros proporcionan mejores resultados que
otras, aunque en algunos casos es muy difícil elegir entre éstas.
Globalmente, el conjunto de parámetros más favorable es A = 0,3, P =
0,3 y N_{f} = 8.
En este ejemplo, se toman en consideración los
efectos de la variación de cualquiera de las amplitudes con
respecto a la frecuencia, estableciendo P = 0 en la fórmula
del ejemplo 7 para la respuesta en frecuencia. Esto proporciona
resultados aceptables, aunque no tan nítidos como en el ejemplo
7.
Dando a A el valor cero en la fórmula de la
respuesta en frecuencia proporcionada en el ejemplo 2, se puede
investigar también el efecto producido variando únicamente la fase.
Tanto para uno como para dos transmisores, las señales son casi
idénticas a los resultados para la versión preferida del transmisor
de variación de amplitud y fase descrito en el ejemplo 2. El mejor
conjunto de parámetros resulta ser el que comprende P = 0,3 y
N_{f} = 8. Los gráficos de la respuesta del filtro para este
conjunto de parámetros se proporcionan en las Figuras 9(a) y
(b).
Puesto que esta disposición no afecta de forma
significativa a la amplitud de las señales transmitidas, se
considera en cierto grado más preferible que la del ejemplo 7. Estos
filtros también son adecuados en la medida en que el retardo medio
que añaden a las señales es de 4 ms que es comparable con el retardo
fijo utilizado actualmente.
Como se ha indicado anteriormente, la
degradación de las señales recibidas cuando existe un retardo
diferencial se produce porque la interferencia genera nulos en
ciertas partes del espectro del audio. Además del filtrado descrito
anteriormente, es posible incrementar la potencia o acentuar
previamente las partes más importantes del espectro, para que de
ese modo el efecto de los nulos no sea tan grave.
Por ejemplo, es posible realizar un preénfasis
en conjunción con el filtro de fase sinusoidal sólo del ejemplo 9.
Antes de su paso por ese filtro, las señales transmitidas pueden ser
filtradas a través de un filtro pasabanda modificado, que puede ser
un filtro de Butterworth de 1^{er} orden con los coeficientes
ajustados para que la salida del filtro sea igual a la entrada más
una proporción variable del filtro pasabanda original. Por lo
tanto, si la respuesta en frecuencia del filtro de Butterworth de
1^{er} orden no modificado H(f) es proporcionada por:
H(f) =
B/A,
siendo B y A los coeficientes del
filtro, la respuesta en frecuencia H(f) del filtro modificado
viene proporcionada
por:
H'(f) = 1 +
K(B/A),
siendo K una constante que
determina la proporción del filtro original que se añade a la señal
original. Las frecuencias que pueden necesitar preénfasis se hallan
comprendidas entre 500 y 2.000
Hz.
Existe un pequeño grupo de sectores de control
de tráfico aéreo en los que se utilizan tres transmisores en lugar
de dos. En dichas situaciones, aunque el prefiltrado de dos de cada
tres señales transmitidas puede reducir la distorsión debida al
retardo diferencial, la solución preferida es prefiltrar las señales
de los tres transmisores.
El filtro de cada transmisor se basa en el
ejemplo 7, pero los tres transmisores presentan combinaciones
diferentes de A y P. Las respuestas en frecuencia vienen
proporcionadas por:
H_{1}(f) = (1 - A_{1}
sen(2\piN_{f}f' + \pi/2)) exp(-j\piP_{1}
sen(2\piN_{f}f'))
H_{2}(f) = (1 + A_{2}
sen(2\piN_{f}f' + \pi/2)) exp(+j\piP_{2}
sen(2\piN_{f}f'))
H_{3}(f) = (1 + A_{3}
sen(2\piN_{f}f' + \pi/2)) exp(-j\piP_{3}
sen(2\piN_{f}f'))
siendo los parámetros
elegidos:
Tx1: A_{1} = 0,3 y P_{1} = 0,3
Tx2: A_{2} = 0,0 y P_{2} = 0,3
Tx3: A_{3} = 0,3 y P_{3} = 0,0
Se realizan pruebas con las siguientes
combinaciones de amplitudes y retardos de señal:
NB: se elige 2 ms para el retardo
diferencial fijo de Tx2 en el caso 1, debido a que este retardo es
uno de los peores. Los resultados para otros valores de retardo
deberán ser mejores, puesto que la señal combinada de Tx1 y Tx2 se
degradará
menos.
El caso 1 simula situaciones en las que el avión
es aproximadamente equidistante de los 3 transmisores (esto sólo
puede cumplirse con respecto a una pequeña zona de espacio). Los
casos 2, 3 y 4 simulan situaciones en las que el avión es
equidistante de dos de los transmisores pero se halla bastante
alejado del tercero.
Los resultados de los casos 1 y 3 son buenos, y
las señales recibidas son bastante nítidas a través del rango de
retardos. Los resultados de los casos 2 y 4 son menos
satisfactorios, puesto que las señales recibidas presentan un
sonido bastante débil y una degradación todavía apreciable en los
retardos inferiores. Esto está en coherencia con el rendimiento
deficiente obtenido cuando uno de los transmisores dominantes es el
Tx3, puesto que dicho filtro no utiliza variación de fase.
Otra alternativa es utilizar la variación de
fase sólo (puesto que la variación de amplitud es menos deseable en
general), pero con un período diferente para uno de los
transmisores. En este caso, las respuestas en frecuencia vienen
proporcionadas por:
H_{1}(f) = exp(-j\piP
sen(2\piN_{f1}f'))
H_{2}(f) = exp(-j\piP
sen(2\piN_{f2}f'))
H_{3}(f) = exp(+j\piP
sen(2\piN_{f2}f'))
siendo P = 0,3, N_{f1} = 7 y
N_{f2} = 8. Las respuestas de filtro de los 3 filtros se
representan gráficamente en las Figuras 10(a) a
(c).
Se examinan las mismas combinaciones de
amplitudes y retardos de señal que en el ejemplo 10 de la sección.
(El caso 4 es igual al caso de los dos transmisores investigado en
el ejemplo 9; por consiguiente, las simulaciones no se
repiten.)
Los resultados de los casos 2 y 3 son buenos. El
sonido de las señales recibidas es aproximadamente similar en todo
un amplio rango de retardos y casi tan nítido como el de los mejores
resultados para dos transmisores. En el caso 1, el sonido de las
señales recibidas no es tan bueno (es más estridente y va acompañado
de un pitido de fondo ligeramente agudo). No obstante, estas
señales son mejores que las señales no procesadas. Por último,
puesto que no se realiza modulación en amplitud, los casos de un
solo transmisor también siguen siendo buenos.
La salida de un filtro viene definida por sus
coeficientes a y b, según la siguiente ecuación:
a_{0}y(n) =
b_{0}x(n) + b_{1}x(n-1) + ... +
b_{k}x(n-k) + ... -
a_{1}y(n-1) -
a_{2}y(n-2) - ... -
a_{k}y(n-k) -
...,
siendo y(n) la
enésima muestra de la salida y x(n) la enésima muestra
de la
entrada.
A continuación, se indican los coeficientes de
los dos filtros recomendados y el filtro de preénfasis. Cualquier
coeficiente que no esté contenido en la tabla es igual a cero.
Para los tipos de filtros de los ejemplos 7 y 9,
los coeficientes b no cero presentan la misma separación unos de
otros (la separación \Delta), que varía con el valor de
N_{f}. Para N_{f} = 6, 8 y 12, \Delta adopta
los valores 12, 16 y 24, respectivamente. La notación b_{\Delta}
indica el \Delta-ésimo coeficiente b, es decir, para \Delta =
16, b_{\Delta}, b_{0} y b_{2\\\\\\\\\\\\\\\Delta} representan
el 1^{er}, el 17º y el 33^{er} coeficientes.
En el caso de los tres transmisores, dos de los
transmisores deberán presentar los mismos coeficientes y
separaciones que los proporcionados en la tabla del ejemplo 9. El
tercer transmisor deberá presentar los mismos coeficientes que Tx1,
pero una separación de \Delta = 14 (equivalente a N_{f} =
7).
Como se ha indicado anteriormente, el filtro
preferido para un sistema de dos transmisores es el proporcionado
en el ejemplo 9. Las Figuras 11(a) y 12(a) representan
las variaciones a lo largo del tiempo de las señales de voz
habituales recibidas desde dos transmisores, separadas por retardos
diferenciales de 0,25 ms y 5,00 ms, respectivamente. Las Figuras
11(b) y 12(b) representan los gráficos de la densidad
espectral de potencia para las señales transmitidas y recibidas que
han sido prefiltradas según la presente invención con el filtro del
ejemplo 9. Los resultados obtenidos en ambos casos son comparables
con los de la señal recibida representada en la Figura 3(b).
Por lo tanto, el filtro del ejemplo 9 genera resultados aceptables
con respecto a un rango de retardos diferenciales. En consecuencia,
mediante la instalación de un filtro de este tipo, las diferencias
de retardo diferencial provocadas por la reorientación de la red 11
no degradarán gravemente la señal.
Claims (30)
1. Sistema de comunicaciones de audio que
comprende una fuente de señales de audio, por lo menos dos
transmisores para transmitir señales de audio idénticas generadas
por la fuente de señales de audio a uno o más receptores, y unos
medios de red para transmitir señales desde la fuente de señales de
audio hasta los transmisores, en el que los transmisores transmiten
al receptor o los receptores señales moduladas que son desmoduladas
por el receptor o los receptores, caracterizado porque por
lo menos uno de los transmisores está provisto de unos medios para
modificar las señales recibidas desde los medios de red, antes de su
transmisión, y cambiar de ese modo la fase de las señales recibidas
en una cantidad que es una función del tiempo o de la frecuencia de
la señal recibida, de tal forma que la señal de dicho por lo menos
un transmisor sea diferente de la correspondiente señal del otro
transmisor o transmisores.
2. Sistema según la reivindicación 1, en el que
la cantidad de cambio de fase de las señales varía periódicamente
con respecto a la frecuencia.
3. Sistema según la reivindicación 2, en el que
la cantidad de cambio de fase de las señales varía sinusoidalmente
con respecto a la frecuencia.
4. Sistema según la reivindicación 1, en el que
la cantidad de cambio de fase de las señales varía periódicamente
con respecto al tiempo.
5. Sistema según la reivindicación 4, en el que
la cantidad de cambio de fase de las señales varía sinusoidalmente
con respecto al tiempo.
6. Sistema según la reivindicación 1, en el que
la cantidad de cambio de fase cambia aleatoriamente con respecto a
la frecuencia o el tiempo.
7. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que asimismo se lleva a cabo una
variación de la amplitud de las señales que es una función del
tiempo y/o la frecuencia de la señal recibida.
8. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, que comprende dos transmisores de los cuales
sólo uno está provisto de dichos medios de procesamiento de
señales.
9. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, que comprende dos transmisores, estando
provisto cada uno de ellos de dichos medios de procesamiento de
señales.
10. Sistema según la reivindicación 9 cuándo
ésta está subordinada a la reivindicación 2 ó 3, en el que ambos
transmisores están provistos de unos medios de procesamiento de
señales para cambiar la fase de la señal periódicamente con
respecto a la frecuencia o el tiempo, y en el que las variaciones de
la fase con respecto a la frecuencia de los dos medios de
procesamiento de señales presentan un desfase mutuo de 180º.
11. Sistema según la reivindicación 10, en el
que la magnitud del cambio de la fase es igual para ambos medios de
procesamiento de señales.
12. Sistema según las reivindicaciones 9 a 11,
que comprende transmisores, estando provisto cada uno de ellos de
dichos medios de procesamiento de señales.
13. Sistema según la reivindicación 12, en el
que cada uno de los tres medios de procesamiento de señales
presenta diferentes respuestas en amplitud.
14. Sistema según la reivindicación 12 ó 13, en
el que los tres medios de procesamiento de señales cambian la fase
de las señales recibidas en una cantidad que varía de forma
periódica con respecto a la frecuencia, y en el que cada uno de los
tres medios de procesamiento de señales presenta períodos
diferentes.
15. Sistema según la reivindicación 12 ó 13, en
el que los tres medios de procesamiento de señales cambian la
amplitud y la fase de las señales de entrada y presentan diferentes
combinaciones de los parámetros de amplitud y fase cada uno.
16. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 15, en el que por lo menos un transmisor
comprende asimismo unos medios para llevar a cabo el preénfasis de
ciertas frecuencias antes del procesamiento.
17. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16, en el que los transmisores son
estacionarios.
18. Procedimiento para utilizar un sistema de
comunicaciones de audio que comprende una fuente de señales de
audio, por lo menos dos transmisores para transmitir señales de
audio idénticas generadas por la fuente de señales de audio a uno o
más receptores, y unos medios de red para transmitir señales desde
la fuente de señales de audio hasta los transmisores, en el que los
transmisores transmiten al receptor o los receptores señales
moduladas que son desmoduladas por el receptor o los receptores,
estando caracterizado el procedimiento por el procesamiento,
por lo menos en uno de los transmisores, de las señales recibidas
desde los medios de red antes de su transmisión, para cambiar de
ese modo la fase de las señales recibidas en una cantidad que es
una función del tiempo o la frecuencia de la señal recibida, de tal
forma que la señal de dicho por lo menos un transmisor sea
diferente de la correspondiente señal del otro transmisor o
transmisores.
19. Procedimiento según la reivindicación 18,
que comprende la variación periódica de la cantidad de cambio de
fase con respecto a la frecuencia.
20. Procedimiento según la reivindicación 19,
que comprende la variación sinusoidal de la cantidad de cambio de
la fase con respecto a la frecuencia.
21. Procedimiento según la reivindicación 18,
que comprende la variación periódica de la cantidad de cambio de la
fase con respecto al tiempo.
22. Procedimiento según la reivindicación 18,
que comprende la variación sinusoidal de la cantidad de cambio de
la fase con respecto al tiempo.
23. Procedimiento según la reivindicación 18, en
el que la cantidad de cambio de la fase varía aleatoriamente con
respecto a la frecuencia y/o el tiempo.
24. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 23, que comprende asimismo además la variación
de la amplitud en función del tiempo y/o la frecuencia de la señal
recibida.
25. Procedimiento según la reivindicación 19 ó
20, en el que se varía la fase de dos transmisores del sistema, de
tal forma que las variaciones de fase presentan un desfase de 180º
uno respecto a la otra.
26. Procedimiento según la reivindicación 25, en
el que la magnitud del cambio de fase es igual en las señales de
ambos transmisores.
27. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 26, en el que el sistema presenta tres
transmisores, comprendiendo el procedimiento el procesamiento de
las señales de los tres transmisores antes de la modulación para la
transmisión, de tal forma que las respuestas en amplitud de los
transmisores sean diferentes entre sí.
28. Procedimiento según la reivindicación 25, 26
ó 27, en el que la fase de las señales recibidas se cambia en una
cantidad que varía de forma periódica con respecto a la frecuencia,
utilizando diferentes períodos en cada uno de los tres
transmisores.
29. Procedimiento según la reivindicación 25,
26, 27 ó 28, en el que las señales se procesan en los tres
transmisores para cambiar su amplitud y fase utilizando
combinaciones de parámetros diferentes para los tres
transmisores.
30. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 19, que comprende el preénfasis de ciertas
frecuencias antes del procesamiento por lo menos en uno de los
transmisores.
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