Banda Lateral Unica

Leido en el programa Colombiano para Radioaficionados el dia domingo 16 de Agosto 2015

Banda lateral única es una forma de modulación que es casi la única forma de modulación usada por los radioaficionados en las bandas de HF: 3 a 30 MHz. Banda lateral única puede ser referida por su acróstico en español BLU pero es más conocido por su acróstico en ingles SSB o Single Side Band.
La banda lateral única es una derivación de la modulación de amplitud, quizás la primera forma de modular una señal de radio para transmitir la voz y el sonido atreves de ondas de radio. La primera forma de transmitir información usando ondas de radio fue la telegrafía usando código Morse. En telegrafía la emisión de radio es controlada por el manipulador, cuando se oprime el manipulador se emite señal de radio, en los intervalos no hay emisión de radio. Es decir que en telegrafía la señal de radio, que ahora llamaremos portadora (en inglés carrier) varía de cero a un máximo de amplitud con el manipulador cerrado.
La idea intuitiva fue pensar en variar la amplitud de la señal de radio dependiendo de la intensidad de la voz. Como la voz modifica la amplitud de la señal de radio el método es conocido como Modulación de Amplitud abreviada como AM. No hay claridad sobre quien invento la AM pero su utilización permitió que desde 1920 se establecieran las estaciones radiodifusoras que han permitido transmitir al público música, entretenimiento y noticias.
El proceso de la modulación de amplitud motivó el estudio del fenómeno desde un punto de vista matemático. La onda de radio o señal portadora puede representarse como una onda sinusoidal de la frecuencia a que está trabajando. De la misma manera la información de audio puede ser representado como otra onda sinusoidal de frecuencia más baja. La modulación de AM se logra multiplicando la onda portadora por la onda de audio que son de diferentes frecuencias.
Según la trigonometría, que trata de funciones seno, coseno tangentes, hay algunas identidades trigonométricas que demuestran que la multiplicación de dos senos son equivalente a senos de la suma y diferencia de los ángulos. Estos estudios pronostican que una señal sinusoidal modulada en amplitud debe presentar señales de frecuencias suma y diferencias de la frecuencia portadora y de audio. Por ejemplo si tenemos una señal portadora de 7.000 kilohercios y la modulamos con una señal de audio de 1 kilohercio entonces la resultante es un señal de amplitud constante en la frecuencia portadora y dos señales una en la diferencia 7000 – 1 = 6999 kilohercio y el otro en la suma 7000 + 1 = 7001 kilohercios.
Las dos frecuencias que aparecen al lado de la señal portadora se le llaman bandas laterales. La resultante de la resta (en nuestro ejemplo 6999) se denomina banda lateral inferior y el resultado de la suma (7001) es la banda lateral superior.
Si la modulación se hace con una señal de voz que contiene frecuencias entre 30 y 3000 hertzios entonces aparecen bandas laterales que van entre 7000 menos (30 a 3000) hertzios para la banda inferior y 7000 más 30 a 3000 hertzios la banda superior. En general, si modulamos una frecuencia portadora de 7000 kilohertzios encontraremos frecuencia entre 6997 a 7003 kilohertzios, es decir 6 kilohertzios. Esta parte del espectro ocupado por las bandas laterales se conoce como ancho de banda.
El efecto de ancho de banda no es exclusivo de la modulación de amplitud, todas las formas de modulación de una señal de radio necesitan de un ancho de banda para incluir la información. Lo que podemos decir es que en modulación de amplitud utilizaremos un ancho de banda del doble de la máxima señal de audio a transmitir. Si transmitimos señales de audio de hasta 3000 hertzios entonces el ancho de banda será de 3 x 2 = 6000 hertzios.
El análisis teórico y práctico demuestra que en AM las dos bandas laterales son idénticas y contienen la misma información, en cambio la portadora es de amplitud constante y no contiene ninguna información. Entonces surgió la idea que si pudiéramos transmitir una sola de las bandas laterales, toda la información puede ser transferida y nos ahorraríamos la energía que consumimos mandando la otra banda lateral y la portadora. También tenemos una ganancia en el espectro porque una sola banda lateral ocupa la mitad del ancho de banda de la señal de AM completa.
En 1915 el ingeniero americano John R Carson, quien posteriormente trabajo en la ATT y Bell Laboratory, presentó una solicitud de patente para un método para suprimir la portadora y una banda lateral. Después de muchas discusiones legales la patente fue concedida en 1923. En ese mismo año se logró la primera comunicación radiotelefónica trasatlántica en banda lateral única con portadora suprimida en la frecuencia de 52 Kilohertzios. La supresión de la banda lateral no deseada se lograba por el poco ancho de banda que presentan las antenas en estas frecuencias tan bajas.
Aunque la banda lateral única presenta indudables ventajas teóricas y prácticas su implementación en los primeros años del siglo 20 se vio limitada por la dificultad de tener circuitos que la generaran. En el proceso tenemos dos etapas:
La primera es la eliminación de la portadora conservando las dos bandas laterales esto se concoce como doble banda lateral con portadora suprimida o DBL. Esto es relativamente fácil de lograr construyendo dos moduladores de AM usando la misma frecuencia de portadora pero la fase entre los dos moduladores separada 180º. Luego las frecuencias resultantes se suman. La portadora que están separadas 180º pero con signo contrario y al sumarse se cancelan entre sí en cambio las bandas laterales que están en otras frecuencias y fase no son afectadas.
El segundo paso es pasar la señal de doble banda lateral por un filtro pasa-banda ajustada para que solo deje pasar las frecuencias propias de la banda lateral esperada. El problema que enfrento la banda lateral única para su implementación fue la dificultad de tener filtros adecuados para filtrar solamente los 3 kilohertzios de la banda lateral deseada.
Si bien los filtros pueden ser realizados relativamente fácil para bajas frecuencias (de algunos kilohertzios) su complejidad y costo se eleva a medida que aumenta la frecuencia. La disponibilidad de filtros adecuados postergo la implementación de la banda lateral única hasta finales de los años 50 cuando aparecieron en el mercado filtros mecánicos de excelente rendimiento y coste reducido.
Entre los años 20 al 50 y aun después la técnica de banda lateral fue extensamente usada en la telefonía por cables.
En principio un par de hilos de cobre solo transmite un solo circuito de voz, pero se vio la necesidad de pasar más de una llamada telefónica por un par de alambre. Esto significa un proceso de “multiplexacion” que significa pasar varios circuitos de voz por un mismo medio de transmisión. La idea es asociar a cada llamada una frecuencia portadora que se modula en AM. Las diferentes portadoras difieren en frecuencia pero se transmiten por los hilos de cobre en vez de usar el aire (o espacio). Las portadoras pueden ser de muy baja frecuencia y no están afectada por problemas de propagación.
El caso era que se querían pasar el mayor número de llamadas utilizando el mismo par físico de alambre de cobre, pero la AM ocupa 6 kilohertzios y gastando energía en transmitir portadoras que no llevan ninguna información. En este ambiente la solución paso a ser la banda lateral única.
El sistema inicia con 12 llamadas telefónicas que son moduladas con portadoras separadas 4 kilohertzios en la banda de 60 a 108 kilohertzios. Los moduladores son moduladores balanceados que producen DBL sin portadora y la banda lateral inferior USB es obtenida usando filtros de cristal muy agudo. Las doce sub-portadoras son combinadas en un mezclador lineal e lo que se llama grupo básico.
Hasta cinco grupos básicos pueden ser además multiplexados sobre otras frecuencias entre 312 a 552 kilohertzios espaciados 48 kilohertzios (12 canales de 4 kilohertzios) creando lo que se llama un súper-grupo que se transmitía por banda lateral superior o USB. Hasta 10 súper-grupos podían ser combinados con sub-portadoras de 600 a 2540 kilohertzios formando un grupo maestro de 600 llamadas telefónicas.
Seis grupos-maestros podían ser combinados para formar 3600 canales o un jumbo-grupo. Combinando tres jumbos se podría llegar a transferir 10.600 llamadas telefónicas por un simple par de alambre de cobre.

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