El equipo inalámbrico número 10 del ejército británico fue el primer sistema telefónico de retransmisión por microondas multicanal del mundo . [1] Transmitía ocho canales telefónicos full-duplex (bidireccionales) entre dos estaciones limitadas solo por la línea de visión , a menudo del orden de 25 a 50 millas (40 a 80 km). Las estaciones estaban montadas en remolques altamente móviles y se instalaban simplemente apuntando las dos antenas parabólicas en el techo hacia la siguiente estación. El sistema podía extenderse a un relé conectando remolques entre sí o utilizando líneas terrestres existentes para conectar remolques separados.
El concepto básico se hizo posible con la introducción de dos tecnologías clave en 1940: el magnetrón de cavidad , que producía señales de microondas con una eficiencia razonable, y la modulación por código de pulsos (PCM), que ofrecía una forma sencilla de codificar las señales en un magnetrón. Como el ancho de banda disponible era alto, se combinaron ocho canales en un solo enlace mediante multiplexación por división de tiempo .
Los primeros experimentos con sistemas de dúplex simple (unidireccionales) se llevaron a cabo en 1941 y 1942, lo que demostró el concepto básico. En ese momento, las mejoras en la electrónica permitieron un sistema de dúplex completo. Las pruebas de un sistema de largo alcance comenzaron en 1942 y luego se realizaron pruebas sobre el agua. El sistema estuvo listo para el servicio en 1944 y se dispuso de equipos de calidad militar para las operaciones del Día D. El alcance fue suficiente para que se utilizara para proporcionar comunicaciones seguras desde las playas del Día D hasta Inglaterra a través del Canal de la Mancha , y la red finalmente se extendió a Alemania. El mariscal de campo Bernard Montgomery señalaría más tarde:
Al utilizar una cadena de estaciones de mando del número 10, pude mantener mi cuartel general táctico tan avanzado como lo hice y aún así mantener contacto con Londres. El valor de poder mantener contacto personal con mis ejércitos en estas circunstancias no se puede subestimar. [2]
Habían existido muchos sistemas para transmitir conversaciones telefónicas por radio antes de la Segunda Guerra Mundial , pero todos ellos adolecían de una serie de problemas similares. [3]
La primera era que para obtener una transmisión de largo alcance, estos sistemas tenían que funcionar a frecuencias relativamente bajas en el rango de los kilohercios o frecuencias de onda larga algo más altas que pudieran aprovechar la ionosfera para " saltar " sus señales. Una antena de radio tiene que estar dentro de un orden de magnitud de la longitud de onda para ser eficiente y, en la práctica, a menudo se dimensiona exactamente a la mitad de la longitud de onda para formar un dipolo de media onda . Por lo tanto, estos sistemas usaban antenas muy grandes. [4]
Otro efecto relacionado con la radiofísica es la directividad de la antena, su capacidad de formar un haz de señales. Esto está relacionado con la resolución óptica , que mejora con el aumento del tamaño de la antena y disminuye con el aumento de la longitud de onda. Las longitudes de onda relativamente largas de las señales dificultaban el enfoque sin recurrir a enormes conjuntos de antenas y, en muchos casos, dichas señales se transmitían de forma omnidireccional o semidireccional. Esto significaba que las señales podían ser recibidas por estaciones terrestres distintas de la prevista, a veces a miles de kilómetros de distancia, lo que provocaba interferencias. Para las comunicaciones militares seguras, un sistema de este tipo tenía desventajas obvias. [3]
Por último, la cantidad de información que puede transmitir una señal de radio es una función de su ancho de banda . Una conversación telefónica podría funcionar con un ancho de banda tan pequeño como 4 kHz, pero a 150 kHz esto representa un ancho de banda fraccionario bastante grande. Dependiendo del diseño de la antena y del receptor, la dispersión de frecuencias que se pueden recibir de manera eficiente puede limitar el enlace a una o dos conversaciones. [5]
Todos estos problemas se reducen al pasar a longitudes de onda más cortas. En la era inmediatamente anterior a la guerra se realizaron muchos experimentos con tubos de vacío más nuevos que podían funcionar en la banda de frecuencias muy altas (VHF). AT&T lideró varios de estos esfuerzos, incluido un sistema que funcionaba a 150 MHz. Esto permitió que la señal se enfocara más estrechamente y el mayor ancho de banda permitió que se transportaran una docena de líneas en la señal utilizando el mismo equipo que se usaba para multiplexar llamadas en la red de telefonía fija existente. Incluso en esta época temprana, Bell Labs notó que el sistema sería mucho más efectivo en longitudes de onda de centímetros y produjo una ilustración de un sistema que usaba antenas de bocina que podían transportar cientos de llamadas. Los experimentos posteriores se vieron interrumpidos al comienzo de la guerra. [3]
Se habían experimentado sistemas de frecuencias más altas, pero estaban significativamente limitados por la baja potencia de los tubos de microondas de la época. Un sistema experimental de 1931 a través del Canal de la Mancha produjo solo 0,5 W de salida y no se utilizó comercialmente. [6] Un sistema comercial le siguió en 1935, [7] pero mientras que la frecuencia de 300 MHz se consideraba microondas en ese momento, hoy se conocerían como UHF . También se llevaron a cabo varios experimentos similares en Alemania, principalmente por Telefunken , pero se vieron obstaculizados por los bajos niveles de potencia y su sistema multicanal nunca se desarrolló con éxito. Al final de la Segunda Guerra Mundial, habían construido una red, que finalmente alcanzó los 70.000 kilómetros (43.000 millas), utilizando enlaces de un solo canal y antenas muy altas. [8]
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Como parte del desarrollo del radar , los primeros años de la Segunda Guerra Mundial produjeron un rápido desarrollo de la electrónica y las técnicas de frecuencia de microondas . Uno de los avances clave fue la introducción del magnetrón de cavidad en 1940. [9]
Una de las razones del intenso interés en las microondas fue la cuestión del tamaño de la antena; en la región VHF, las antenas de radar tenían el orden de metros de longitud, lo que dificultaba su uso en cazas nocturnos . En contraste, el magnetrón producía longitudes de onda de 9 cm, con antenas de la mitad de esa longitud. Esto significaba que podían caber fácilmente dentro del área del morro de un caza nocturno . Un simple dipolo de media onda tiene poca directividad, pero una vez más las longitudes de onda cortas ayudaron ya que una disposición de enfoque adecuada utilizando un plato parabólico de aproximadamente un metro de ancho redujo el ancho del haz a unos 5 grados. Esto hizo que el sistema fuera dramáticamente más útil; no solo se enfocaba la energía de radio en un área pequeña y, por lo tanto, producía reflejos mucho más fuertes, sino que también esos reflejos podían ubicarse con precisión en el espacio moviendo el reflector para apuntar al objetivo. [10] [a]
El potencial del magnetrón en las comunicaciones se entendió desde el principio, pero en esta función tenía un problema importante. En la mayoría de los sistemas de radio de la época, la señal de audio y la señal portadora de radiofrecuencia se generaban por separado y luego se mezclaban para producir una señal modulada en amplitud que luego se amplificaba para su transmisión. Esto requiere un amplificador que pueda producir una gama de frecuencias de salida, al menos tan grande como el ancho de banda de la señal de audio. El magnetrón no permite esto; produce una única frecuencia que depende de su construcción física, definida por el número y el tamaño de los agujeros perforados en él. No hay forma de modular la salida utilizando una señal separada. [11]
En 1937, el ingeniero inglés Alec Reeves trabajaba en los laboratorios de IT&T en París cuando se le ocurrió la idea de la modulación por impulsos codificados (PCM). En este concepto, la forma de onda analógica se reconstruye a partir de una serie de impulsos cuyo ancho define la amplitud en ese instante. Una serie de dichos impulsos se envían a un filtro para recrear la señal analógica original. Cuando las fuerzas alemanas invadieron Francia en mayo de 1940, Reeves regresó a Inglaterra. [12]
Llegó justo cuando la General Electric Company (GEC) estaba entregando los primeros magnetrones de producción. El PCM era casi perfecto para la transmisión mediante un magnetrón. Si bien el magnetrón no podía modularse suavemente en amplitud o frecuencia, podía encenderse y apagarse muy rápidamente; es esta cualidad la que lo hace útil para el radar, donde los pulsos cortos son deseables. Para llevar a cabo las comunicaciones, la señal de audio original se enviaba a un codificador PCM cuya salida pulsada se amplificaba y se usaba como fuente de energía para el magnetrón. El resultado era una serie de pulsos de microondas que representaban la señal de audio. Al recibirla, la cadena de pulsos se envía a un circuito que promedia la energía total recibida, reproduciendo el audio para la salida. [1]
Como los pulsos eran bastante cortos en comparación con el tiempo de muestreo de 9 kHz, gran parte de la señal estaba vacía. Esto se podía aprovechar fácilmente utilizando otro codificador PCM y retrasando ligeramente sus pulsos para que sus señales se enviaran después del primero. Esto resolvió el problema de multiplexar múltiples señales en una sola conexión. Anteriormente, los sistemas telefónicos lograban esto con multiplexación por división de frecuencia , desplazando cada uno de los canales por una frecuencia portadora diferente para que todos pudieran transmitirse al mismo tiempo de la misma manera que muchas estaciones de radio pueden compartir las ondas de radio en diferentes "canales". Como el magnetrón no podía cambiar su frecuencia, que se basa en su construcción física, esta técnica no funcionaba. Con PCM, las señales se dispersaban en el tiempo en lugar de en la frecuencia. Esto convierte al Número 10 en el primer sistema de multiplexación por división de tiempo (TDM) del mundo. [2]
El primer diseño conceptual, presentado en 1941, fue para un sistema semidúplex de un solo canal . Este funcionaría como un aparato de radio convencional, donde los usuarios en cada extremo de una conexión tienen que turnarse para hablar mientras comparten un solo canal. A medida que continuó el desarrollo, se desarrollaron filtros precisos capaces de separar claramente dos frecuencias de microondas muy próximas entre sí. Esto condujo a una nueva versión que utilizaba frecuencias separadas para las direcciones de subida y bajada, lo que permitía el funcionamiento en dúplex completo, aunque con la pequeña desventaja de que se necesitaban dos magnetrones y antenas. Este no fue un cambio difícil; el radar GL Mk. III, presentado recientemente , también utilizaba antenas separadas para transmisión y recepción y se adaptó fácilmente a la nueva función. [2]
Los primeros equipos experimentales llegaron en julio de 1942 y se utilizaron en un enlace de dos etapas entre Horsham y el número 64 de Baker Street en Londres. A continuación se realizaron pruebas sobre el agua entre Ventnor, en la isla de Wight , y Beachy Head, en la costa sur. A principios de 1944 se envió una orden de producción. [13]
El primer uso operativo se produjo poco después del Día D, cuando el transceptor de Beachy Head se trasladó a Cherburgo . A medida que los aliados avanzaban hacia Europa, se crearon repetidores conectando dos remolques del número 10 uno tras otro con cableado telefónico convencional, lo que permitió retransmitir mensajes a distancias más largas. Cuando había líneas terrestres de larga distancia disponibles, se utilizaron para ampliar las conexiones entre estaciones. [13]
El resultado fue una red de líneas terrestres y repetidores del número 10 que finalmente se extendieron desde Alemania hasta Londres. [13] En abril y mayo de 1945, una red de siete repetidores unió al 21.º Grupo de Ejércitos con sus diversos cuarteles generales de campaña. [14] Los repetidores tuvieron un gran éxito. Durante toda la guerra, el cuartel general del mariscal de campo Bernard Montgomery perdió una línea directa con Londres durante un total de una hora. [13]
En los informes de posguerra, los ingenieros de radio alemanes se jactaron de que podían captar señales británicas con facilidad. Un examen minucioso de estas afirmaciones reveló que las comunicaciones del N° 10 no solo nunca habían sido interceptadas, sino que los alemanes desconocían por completo su existencia. [13]
Durante el período de finales de la guerra, el tubo klistrón también había mejorado hasta convertirse en un sistema útil. A diferencia del magnetrón, el klistrón es un verdadero amplificador, que acepta una señal de entrada de baja potencia en un rango de frecuencias y luego la emite a una potencia mucho mayor. Esto permitió que se construyeran sistemas de comunicaciones utilizando multiplexación por división de frecuencia. Como esto ya se usaba ampliamente en telefonía con conexiones de cable coaxial , Bell Labs eligió esta solución para su red TD-2 que se construyó en los Estados Unidos a principios de la década de 1950 y en muchos otros países durante la década de 1950. [3]
En cambio, el PCM se utilizó principalmente en funciones militares antes de ser adoptado para usos civiles. Entre sus usuarios más entusiastas se encontraba la Oficina General de Correos , que en ese momento gestionaba los servicios de llamadas de larga distancia en el Reino Unido. Introdujeron una serie de sistemas basados en PCM que permitían que los enlaces de larga distancia estuvieran mucho más separados, ya que podían reconstruir limpiamente la serie original de pulsos incluso con niveles de señal muy bajos. Esto permitió llamadas de larga distancia de mucha mayor calidad. En 1968, la empresa abrió la primera central digital totalmente PCM, sin señales analógicas hasta que llegaban a la central local del cliente . [15]
La complejidad del sistema estaba relacionada principalmente con la codificación PCM. El sistema se basaba en una señal de reloj maestro en forma de onda sinusoidal a 9 kHz. [16] La onda sinusoidal se procesaba en una serie de tubos para producir una onda de diente de sierra , que luego era controlada por la señal de audio. Cuando el voltaje de la onda de diente de sierra era superior al voltaje de la señal de audio, se producía un pulso de salida: cuanto mayor era el voltaje de la señal de audio, menor era el ancho de la onda de diente de sierra por encima de ese nivel y más corto el pulso. La salida final era un tren de pulsos a la frecuencia de referencia de 9 kHz, siendo el ancho de cada pulso inversamente proporcional al voltaje de la señal de audio. [17]
El sistema en su conjunto tenía ocho de estos muestreadores, denominados separadores . Cada uno de ellos emitía un pulso de hasta 3,5 μs. Se añadió un retardo fijo en cada muestreador, de modo que el pulso del canal 2 se emitiera unos 5 μs después del del canal 1. Esto dio como resultado una cadena de pulsos a lo largo de un ciclo completo del reloj maestro. Se añadió un pulso de sincronización independiente de 20 μs delante del canal 1 para permitir la recuperación del reloj . La cadena de pulsos de los separadores se amplifica y se envía al magnetrón de transmisión que produce pulsos de señal de microondas. [18]
La recepción es mucho más sencilla. La señal de microondas se recibe y se convierte de nuevo en la señal de baja frecuencia original mediante un sintonizador superheterodino . El reloj se extrae de la señal de sincronización y cada canal se separa mediante un muestreo en momentos fijos en relación con la sincronización. [19] Los pulsos separados se introducen en filtros de paso bajo que producen directamente la señal audible original. [20]
El resto del sistema es relativamente simple. La salida del magnetrón se envía a una antena dipolo situada delante de un reflector parabólico de 2 metros de diámetro. Se colocó una segunda antena reflectora junto a la primera para la recepción. Las unidades Mark I originales enviaban señales en sentido ascendente en 4550 o 4760 MHz, mientras que el receptor era sensible a todo el rango entre 4410 y 4888 MHz. Las unidades Mark II cambiaron esta frecuencia a 4480 y 4840 MHz. La salida de los transmisores se encontraba normalmente entre 100 y 400 mW. [13]
El alcance era normalmente del orden de 20 millas (32 km), pero a veces "muy por encima" de 50 millas (80 km). [21] Normalmente, sólo se utilizaban siete de los ocho canales telefónicos, dejando uno libre para que lo utilizaran los operadores de la estación, o como respaldo si uno de los otros fallaba. [14]
El sistema estaba montado en un remolque de cuatro ruedas relativamente pequeño con las antenas en una plataforma giratoria en la parte superior. [13] Podía ser alimentado por cualquier suministro de red de 100 a 250 voltios. Las unidades Mark I también podían autoalimentarse utilizando dos generadores Onan de 3 kVA montados en un extremo del remolque, mientras que el Mark II utilizaba un solo generador PE 95 de 10 kVA con otro generador Onan como respaldo.
Las frecuencias bajas implican longitudes de onda largas, por lo que las antenas de baja frecuencia son muy grandes.