George Ashley Campbell (27 de noviembre de 1870 – 10 de noviembre de 1954) fue un ingeniero estadounidense. Fue pionero en el desarrollo y aplicación de métodos matemáticos cuantitativos a los problemas de la telegrafía y la telefonía de larga distancia. Sus contribuciones más importantes fueron la teoría e implementación del uso de bobinas de carga y los primeros filtros de onda diseñados para lo que se conocería como el método de la imagen . Ambas áreas de trabajo resultaron en importantes ventajas económicas para la American Telephone and Telegraph Company (AT&T).
Campbell se formó en el Instituto McCollom de New Hampshire y luego en el MIT , donde se graduó en 1891. [2] Luego recibió una maestría de la Universidad de Harvard en 1893. Se le concedió una beca que le permitió pasar tres años en trabajos de posgrado; un año estudiando matemáticas avanzadas con Felix Klein en Göttingen , un año estudiando electricidad y mecánica con Ludwig Boltzmann en Viena, y un año estudiando con Henri Poincaré en París. Campbell recibió un doctorado de Harvard en 1901 con su disertación sobre el tema de su investigación de bobinas de carga en AT&T . [3]
En 1897, Campbell empezó a trabajar para AT&T en Boston. Desarrolló un método para transmitir telefonía analógica a distancias mucho mayores de las que habían sido posibles hasta entonces mediante la inserción de bobinas de carga en la línea a intervalos cuidadosamente calculados para aumentar la inductancia . El ingeniero Michael I. Pupin también patentó un sistema similar y AT&T le pagó a Pupin una suma muy grande por sus patentes, de modo que el desarrollo continuara sin una batalla legal. De hecho, ninguno de los dos fue el primero en sugerir la idea de las bobinas de carga; ese mérito se lo debemos a Oliver Heaviside en un artículo de 1887. [4] Sin embargo, Heaviside nunca patentó la idea; de hecho, no sacó provecho comercial de ninguno de sus brillantes trabajos. [5] A pesar de los argumentos legales bastante arcanos que rodean esto, es incuestionable que Campbell fue el primero en construir realmente un circuito telefónico utilizando bobinas de carga. [6]
Campbell conocía el trabajo de Heaviside en el descubrimiento de la condición de Heaviside , [7] en la que se formula la especificación para la transmisión sin distorsión de señales, pero aparentemente no conocía la sugerencia de Heaviside de usar bobinas de carga para obligar a una línea a cumplirla. Campbell inicialmente atacó el problema desde una base completamente diferente. AT&T le encargó a Campbell que investigara la posibilidad de mejorar la calidad de la línea con el uso de un cable bimetálico de hierro y cobre inventado por John S. Stone , [8] otro ingeniero de AT&T. Este cable de Stone aumentaría de manera similar la inductancia de la línea y tenía el potencial de cumplir con la condición de Heaviside. Sin embargo, Campbell estaba luchando por establecer una demostración práctica sobre una ruta telefónica real con el presupuesto que se le había asignado. Después de considerar que sus simuladores de línea artificial usaban componentes concentrados en lugar de las cantidades distribuidas que se encuentran en una línea real, se preguntó si no podría insertar la inductancia con componentes concentrados en lugar de usar la línea distribuida de Stone. Cuando sus cálculos demostraron que las bocas de acceso en las rutas telefónicas estaban lo suficientemente cerca unas de otras como para poder insertar las bobinas de carga sin el gasto de tener que excavar la ruta o tender nuevos cables, cambió a este nuevo plan. [9] La primera demostración de bobinas de carga en un cable telefónico fue en una longitud de 46 millas del llamado cable de Pittsburgh (la prueba fue en realidad en Boston, el cable había sido usado previamente para pruebas en Pittsburgh) el 6 de septiembre de 1899, llevada a cabo por el propio Campbell y su asistente. [10] El primer cable telefónico que utilizó líneas cargadas que se puso en servicio público fue entre Jamaica Plain y West Newton, en las afueras de Boston, el 18 de mayo de 1900. [11]
AT&T libró una batalla legal con Pupin por su reclamación. Pupin fue el primero en patentar, pero Campbell ya había llevado a cabo demostraciones prácticas antes de que Pupin hubiera presentado su patente (diciembre de 1899), [12] la demora de Campbell en presentar la solicitud se debió a las lentas maquinaciones internas de AT&T. [13] La afirmación que Pupin hace en su autobiografía [14] de que había pensado previamente en la idea mientras escalaba una montaña en 1894 [15] [16] es ampliamente puesta en duda [17] [18] [19] y no hay evidencia de esto ni documental ni en las actividades posteriores de Pupin y sus estudiantes. Sin embargo, AT&T tontamente eliminó de la solicitud de patente propuesta por Campbell todas las tablas y gráficos que detallaban el valor exacto de inductancia que se requeriría antes de presentar la patente. [20] Dado que la patente de Pupin contenía una fórmula (menos precisa), AT&T estaba expuesta a reclamos por divulgación incompleta. Temiendo que existiera el riesgo de que la batalla terminara con la invención declarada no patentable (debido al trabajo previo de Heaviside), decidieron comprar una opción sobre la patente de Pupin por una tarifa anual para que AT&T controlara ambas patentes. En enero de 1901, Pupin había recibido 200.000 dólares (equivalentes a 5.850.000 dólares en 2023) y en 1917, cuando terminó el monopolio de AT&T y cesaron los pagos, había recibido un total de 455.000 dólares (equivalentes a 11.040.000 dólares en 2023). [21]
La invención fue de enorme valor para AT&T. Ahora se podían utilizar cables telefónicos para cubrir el doble de distancias que antes, o bien se podía utilizar un cable de la mitad de calidad (y coste) que antes para cubrir la misma distancia. Al considerar si permitir que Campbell siguiera adelante con la demostración, sus ingenieros habían calculado que se ahorrarían 700.000 dólares (equivalentes a 21.700.000 dólares en 2023) en costes de nuevas instalaciones sólo en Nueva York y Nueva Jersey. [22] Se ha calculado que AT&T ahorró 100 millones de dólares (3.100 millones en 2023) en el primer cuarto del siglo XX. [23] [24] Heaviside, que lo inició todo, se quedó sin nada. Le ofrecieron un pago simbólico, pero no lo aceptó, pues quería el crédito por su trabajo en lugar de dinero. Señaló irónicamente que si se hubiera admitido su publicación anterior, "interferiría... con el flujo de dólares en la dirección adecuada...". [25]
Uno de los resultados importantes del trabajo sobre bobinas de carga fue que la carga provocó un corte en una frecuencia definida en la respuesta de la línea, cuyo valor se podía predecir conociendo la capacitancia de la línea y la inductancia de la bobina y el espaciamiento entre las bobinas. Una línea continua sin carga no tiene ese comportamiento, la atenuación simplemente aumenta de manera constante con la frecuencia. Este comportamiento, y las redes de elementos concentrados que se utilizan para crear líneas artificiales con fines de prueba, sugirieron a Campbell una posible topología para un filtro con características similares. [26]
Este trabajo sobre filtrado comenzó en 1910. Utilizando una red en escalera de inductores y condensadores en configuraciones apropiadas, produjo filtros de paso bajo , paso alto y paso de banda . Estos filtros podían diseñarse para dejar pasar frecuencias en cualquier rango especificado y rechazar aquellas en otros rangos. Esta clase de filtro sería posteriormente denominada filtro k constante por Otto Zobel, que trabajaba para AT&T en Nueva York. [27]
La nitidez de la transición de la banda de paso a la banda de rechazo y la profundidad del rechazo en la banda de rechazo se determinaban mediante el número de secciones de la escalera. Si se requería una especificación más estricta para el filtro, todo lo que era necesario era agregar más inductores y capacitores a la escalera en exactamente la misma configuración de circuito que aquellos para una especificación menos estricta. [28]
El propósito de filtrar un canal telefónico de manera tan precisa era que AT&T estaba intentando usar los mismos cables para muchas conversaciones telefónicas simultáneamente utilizando la técnica de multiplexación por división de frecuencia (FDM) y era importante por razones de privacidad, así como de inteligibilidad, que no hubiera diafonía entre los canales. También se requerían filtros para separar las diversas conversaciones en el extremo más alejado del cable. Inicialmente, se utilizó una banda de paso de 200 Hz a 2,5 kHz para la banda base de voz , pero pronto la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) estableció el estándar mundial de 300 Hz a 3,4 kHz con un espaciamiento de 4 kHz entre canales. [29]
Estos diseños de filtros, que Zobel mejoraría más tarde, resultaron de gran valor económico para AT&T. La capacidad de enviar múltiples conversaciones por los mismos cables se tradujo en ahorros muy sustanciales en los costes de instalación de los cables. El sistema de modulación utilizado ( transmisión de portadora suprimida de banda lateral única ) y el estándar de la UIT siguieron siendo el método principal de distribución del servicio telefónico hasta que comenzó a ser sustituido por técnicas digitales a partir de los años 1980. [30]