BANDA LATERAL UNICA

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Como contribución al programa para Radio aficionados HK de los domingos me permito hacer algunos comentarios sobre lo que es la Banda Lateral Unica, el modo de modulación más usado en las bandas de HF.
La Banda Lateral Única, más conocida por sus siglas en ingles SSB (Single Side Band) es un modo de modulación derivado del AM o Amplitud Modulada que es quizás la forma intuitiva y primaria de transmitir voz (fonia) atreves de ondas de radio.
En amplitud modulada, la amplitud (o potencia) de la onda de radio cambia de acuerdo a la amplitud de la señal de audio que la modula. La onda de radio con una frecuencia de varios MHz (3 a 30 MHz en HF) se le conoce la onda portadora se modula con señales de voz, música o sonido que tiene componentes de frecuencia que pueden ir desde algunos Hz hasta unos 20 KHz, pero en las transmisiones de radio se limita a frecuencias entre 0 y 3 KHz.
La modulación se aplica a un transmisor que emite una portadora con una potencia determinada. Por algún método podemos llegar que la potencia aumente al doble cuando la señal de audio este en un pico de modulación y que reduzca a cero la potencia de salida cuando estemos en un mínimo de audio. Cuando no hay señal de audio el transmisor emite la portadora de amplitud constante.
Si nuestro transmisor logra que el audio aumente 2 veces la potencia media y cero para los extremos de modulación entonces decimos que el equipo esta modulado al 100% y es lo ideal. Si la señal modulante no alcanza a llevar la salida a estos extremos de 2veces y cero, el equipo esta sub-modulado y quien reciba nuestra señal, a pesar de recibir una portadora fuerte el audio será muy débil. En cambio si la modulación excede estos límites (2 veces y cero) decimos que el trasmisor esta sobre-modulado y el resultado será una distorsión del audio y secundariamente la emisión de frecuencias espurias que causan interferencia a otros medios.
La voz humana es la sumatoria de muchas frecuencias entre 30 y 3000 Hz cada frecuencia individual tiene su propia amplitud. Los sonidos vocales son muy rico en componentes de frecuencia mientras que las consonantes tienen menos. Cuando nosotros silbamos intentamos emitir una sola frecuencia. Bajas frecuencia son sonidos graves y alta frecuencia son agudos.
La voz resulta compleja pero para estudiar el comportamiento del modulador se hace una abstracción y se considera que la modulación se hace con una sola frecuencia de audio. Luego los resultados se extienden a todos los componentes de frecuencia que compone la voz.
Como ejemplo, supongamos que tenemos un transmisor de 100 watios en la frecuencia de 7.135, 000 KHz y la modulamos con una señal de audio de 1000 Hz al 100%. Si nosotros observáramos lo que pasa en cada instante veríamos que la potencia del transmisor empezaría a variar entre 200 watios (el doble) y 0 watios a un ritmo de 1000 veces por segundo. Lo que vemos es una oscilación de 7.135 kHz “envuelta” en otra oscilación de 1000 Hz. Podemos decir que el “pico de la envolvente” es el doble de potencia de la portadora en nuestro caso 200 watios pero la potencia media es la potencia de la portadora. La potencia instantánea fluctúa pero el valor medio se conserva igual a la portadora que en nuestro caso en 100 watios.
Nosotros lo que hemos observado es como varia la amplitud de la portadora en el tiempo, pero hay otra forma de ver la modulación y es observando su comportamiento en frecuencia, lo que se conoce como espectro.
Volvamos a nuestro ejemplo de un transmisor de 100 watios en 7.135 KHz. Si no aplicamos modulación y observamos el espectro, aparecerá una frecuencia pura de 7.135 KHz con una potencia de 100 watios. Ahora, si aplicamos una modulación de 1000 Hz, en frecuencia observaremos una señal en 7.135 de 100 watios pero dos señales aparecerán en 7.134 y 7.136 KHz correspondiente a la suma y la diferencia de la portadora (7.135) y 1 KHz de la señal modulante. La frecuencia suma se llama banda lateral superior y la resta será la banda lateral inferior. Es decir que en el espectro aparece la portadora inalterada pero dos bandas laterales separadas 1 kHz de la portadora. También podemos decir que la señal modulada ocupa el espectro entre 7.134 a 7.136 lo que significa 2 kHz de ancho de banda.
En resumen, una señal modulada en amplitud presenta el espectro la portadora y dos bandas laterales separadas por el valor de la frecuencia modulante y el ancho de banda el doble de la frecuencia modulante.
Como habíamos dicho antes, la voz humana es una mezcla de muchas frecuencias con variadas intensidades de cada una de esas componentes. En la práctica se limita la voz al espectro de 30 a 3.000 Hz y si usamos la señal de voz para modular la portadora, en el espectro aparecerá la portadora y muchos componentes de frecuencia separados de la portadora más o menos la señal de audio. Según nuestro ejemplo de una portadora en 7.135 KHz el espectro de la señal modulada seria desde 7.132 a 7.138 con un ancho de banda de 6 KHz.
Si una portadora de 100 watios es modulada en amplitud (AM) al 100% La portadora continuara con los 100 watios y cada una de las bandas laterales serán de 50 watios. Entre la portadora y las bandas laterales hay diferencias en fases, cuando los picos de amplitudes se suman tendremos 100 + 50 + 50 = 200 watios de energía de pico (de envolvente) pero cuando las amplitudes de las bandas laterales se oponen a la portadora, la suma de las dos bandas laterales (50 + 50) cancelaran los 100 watios de la portadora y el valor instantáneo será 0 watios.
Si la portadora de 100 watios es modulada a menos del 100% la portadora continuara con 100 watios pero las bandas laterales serán de menos de 50 watios. Si la modulación es más del 100% la portadora será imperturbable con su 100 watios pero cada una de las bandas laterales tendrán mas de 50 watios representado en más frecuencias indeseadas.
Hagamos la siguiente aclaración: Nosotros usamos las ondas de radio para enviar información. La onda de radio nos sirve de “portadora” de la información y en el caso de AM la información son las ondas de audio que forma la voz. En AM la onda de audio es la envolvente de la portadora o visto desde el punto de vista de frecuencias esta las bandas laterales, es mas ambas bandas laterales tienen la misma información y la portadora no contiene información, tiene amplitud constante.
El análisis matemático de una señal modulada en amplitud respaldado por los circuitos reales muestran que una sola de las bandas laterales es suficiente para enviar una información al aire. Si tenemos un trasmisor que nos puede emitir 100 watios en los picos y lo usamos en AM entonces emitiríamos 50 watios de portadora y 25 en cada una de las bandas laterales. Pero si usamos todos los 100 watios para emitir una sola banda lateral entonces estamos transmitiendo 100 watios en una onda lateral y una portadora virtual de 200 watiso (doble de la banda lateral) y otra banda lateral virtual de 100 watios, es decir que nosotros estamos emitiendo la misma información equivalente a un transmisor virtual de AM de 400 watios. La transmisión de una sola banda lateral es cuatro veces mas eficiente que una transmisión de AM.
La modulación de AM generalmente se logra cambiando el voltaje de alimentación del amplificador de potencia de radio, de esta forma se controla la potencia de salida. Esto se conoce como modulación AM de alto nivel. Producir una sola banda lateral es un poco mas complicado.
Generalmente se parte de dos moduladores de AM de muy poca potencia los cuales se conectan en contra fase logrando que la portadora se anule pero se conserven las dos bandas laterales. El resultado es una señal de doble banda lateral con portadora suprimida (por lo menos muy atenuada). Los circuitos se llaman “modulador balanceado”. La señal de doble banda lateral se pasa luego por un “filtro” muy selectivos que permiten el paso solo 3 KHz alrededor de la frecuencia de diseño del filtro. Los filtros mas común mente usados se llaman filtros mecánicos y e hacen con cristales de cuarzo y últimamente con materiales cerámicos.
Un ejemplo un equipo como el FT- 101 utiliza un filtro centrado en la frecuencia de 3.180 KHz con un ancho de banda de 3 KHz, el filtro deja pasar sin atenuación las frecuencias comprendidas entre 3.178,5 y 3.181.5 (1,5 KHz alrededor de 3.180). Frecuencias por debajo de 3178,5 o mayores de 3.181,5 son fuertemente atenuadas (más de 60 dB). Entonces, cuando el radio quiere transmitir en banda lateral inferior (LSB) se usa un modulador balanceado a la frecuencia de 3.181.5 KHz, entonces la señal de doble banda lateral se pasa por el filtro. La banda inferior que está por debajo de 3.181,5 pasa por el filtro pero la banda lateral superior que tiene frecuencias superiores a 3.18,5 sera atenuada. Si se desea banda lateral superior entonces el modulador balanceado se trabaja a 3.178,5 y entonces el filtro atenuara la banda lateral inferior.
Después la señal en 3.181,5 KHz (LSB) o 3.178,5 (USB) por procesos heterodinos se lleva a la frecuencia de trabajo donde es amplificada en potencia y entregada a la antena.
Hay otro proceso de generar banda lateral única usando la señal de audio que se separa en cuatro fases, pero el método es más complicado que casi no se usa actualmente, pero en los radios de última generación la banda lateral única es generada por un DSP usando algoritmos de programación.
La banda lateral única es mucho más eficiente que el AM pero tiene un inconveniente en el momento de la recepción. La información contenida en la señal de banda lateral está en la diferencia de frecuencia de la banda lateral con respecto a la portadora. Como en el receptor no se tiene la portadora entonces no podemos conocer cual es la información contenida. Para solucionar este problema, los receptores de banda lateral única inyectan una frecuencia portadora generada localmente pero para conocer cuál es exactamente la posición de la portadora se recurre al oído del operador. El operador mueve ligeramente la sintonía de la señal a un punto en que la portadora artificial introducida por el radio hace que la banda lateral tenga sentido, es decir que para el operador resulta entendible. La voz recibida es casi idéntica a la transmitida pero el resultado es es un poco sujetivo y sin fidelidad. Esto hace que la SSB no se utilice en transmisiones para el gran publico pero ampliamente entre operadores debido a su alta eficiencia.
Las transmisiones de televisión comercial emiten en banda lateral superior pero emite un poquitico de portadora (portadora reducida) que le sirve al receptor para calcular la correcta posición de la portadora local.
No hay que confundir la modulación de frecuencia (FM) con la banda lateral única aunque ambas ocupan un ancho de banda , en el caso de FM la desviación instantánea de la frecuencia depende de la amplitud de la señal de audio que está modulando, en cambio en SSB la desviación de frecuencia depende del valor de la frecuencia o frecuencias que componen el audio.
Otra ventaja o desventaja del SSB tiene que ver con la potencia emitida. En AM la potencia emitida es la potencia media que es igual a la potencia de la portadora. En SSB cuando no hay modulación la potencia de salida es cero. Cuando modulamos la potencia está distribuida en una cantidad de componentes de diferentes frecuencias con diferentes amplitudes. Cuando pronunciamos una vocal hay muchos componentes de frecuencia y la potencia es la suma de todos los componentes. Las consonantes son menos ricas en frecuencias y cuando silbamos tratamos de emitir una sola frecuencia. Para el amplificador de potencia de radio es muy difícil mantener la ganancia del amplificador entre tantas variables de frecuencia y amplitud. Para optimizar el amplificador de potencia en un transmisor de SSB se recurre a un truco llamado ALC, automatic level control o control automático de ganancia en español. Este consiste en que el amplificador mide cuanta potencia promedio está sacando, si la potencia es menor que la máxima envía un voltaje hacia atrás para aumentar la ganancia o nivel de excitación, en cambio cuando la potencia esta excediendo los máximos disminuye la ganancia para que se reduzca la potencia excesiva que se esta emitiendo. Es recomendable que el operador observe la indicación del ALC. Si el nivel de ALC esta en el medio, el ALC tiene mucho rango para controlar la ganancia aumentándola o disminuyendo. Una indicación baja de ALC el control automático tiene poco rango de aumentar la ganancia y por lo contrario una alta indicación de ALC impide controlar automáticamente las ganancias minimas.

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