En las comunicaciones por radio , la modulación de banda lateral única ( SSB ) o modulación de portadora suprimida de banda lateral única ( SSB-SC ) es un tipo de modulación utilizada para transmitir información, como una señal de audio , mediante ondas de radio . Un refinamiento de la modulación de amplitud , utiliza la potencia del transmisor y el ancho de banda de manera más eficiente. La modulación de amplitud produce una señal de salida cuyo ancho de banda es el doble de la frecuencia máxima de la señal de banda base original . La modulación de banda lateral única evita este aumento del ancho de banda y el desperdicio de energía en una portadora, a costa de una mayor complejidad del dispositivo y una sintonización más difícil en el receptor.
Los transmisores de radio funcionan mezclando una señal de radiofrecuencia (RF) de una frecuencia específica, la onda portadora , con la señal de audio que se va a transmitir. En los transmisores de AM esta mezcla suele tener lugar en el amplificador de RF final (modulación de alto nivel). Es menos común y mucho menos eficiente realizar la mezcla a baja potencia y luego amplificarla en un amplificador lineal. Cualquiera de los métodos produce un conjunto de frecuencias con una señal fuerte en la frecuencia portadora y con señales más débiles en frecuencias que se extienden por encima y por debajo de la frecuencia portadora en la frecuencia máxima de la señal de entrada. Por tanto, la señal resultante tiene un espectro cuyo ancho de banda es el doble de la frecuencia máxima de la señal de audio de entrada original.
SSB aprovecha el hecho de que toda la señal original está codificada en cada una de estas "bandas laterales". No es necesario transmitir ambas bandas laterales más la portadora, ya que un receptor adecuado puede extraer toda la señal original ya sea de la banda lateral superior o inferior. Existen varios métodos para eliminar la portadora y una banda lateral de la señal transmitida. La producción de esta señal de banda lateral única se puede realizar a un nivel alto en la etapa final del amplificador como con AM [1] [2] , pero generalmente se produce a un nivel de potencia bajo y se amplifica linealmente. La menor eficiencia de la amplificación lineal compensa parcialmente la ventaja de potencia obtenida al eliminar la portadora y una banda lateral. Sin embargo, las transmisiones SSB utilizan la energía del amplificador disponible considerablemente más eficientemente, proporcionando una transmisión de mayor alcance para la misma potencia de salida. Además, el espectro ocupado es menos de la mitad que el de una señal AM de portadora completa.
La recepción en BLU requiere una estabilidad de frecuencia y una selectividad muy superiores a las de los receptores AM económicos, motivo por el cual los organismos de radiodifusión rara vez la utilizan. En las comunicaciones punto a punto, donde ya se utilizan comúnmente receptores costosos, se pueden ajustar con éxito para recibir cualquier banda lateral que se esté transmitiendo.
La primera solicitud de patente estadounidense para la modulación SSB fue presentada el 1 de diciembre de 1915 por John Renshaw Carson . [3] La Marina de los EE. UU. experimentó con SSB en sus circuitos de radio antes de la Primera Guerra Mundial . [4] [5] SSB entró en servicio comercial por primera vez el 7 de enero de 1927, en el circuito radiotelefónico público transatlántico de onda larga entre Nueva York y Londres. Los transmisores SSB de alta potencia estaban ubicados en Rocky Point, Nueva York , y Rugby, Inglaterra . Los receptores se encontraban en lugares muy tranquilos en Houlton, Maine , y Cupar , Escocia. [6]
SSB también se utilizó en líneas telefónicas de larga distancia , como parte de una técnica conocida como multiplexación por división de frecuencia (FDM). FDM fue iniciado por las compañías telefónicas en la década de 1930. Con esta tecnología se podrían transmitir muchos canales de voz simultáneos en un único circuito físico, por ejemplo en L-carrier . Con SSB, los canales podían estar separados (normalmente) sólo a 4.000 Hz , al tiempo que ofrecían un ancho de banda de voz de nominalmente 300 Hz a 3.400 Hz.
Los radioaficionados comenzaron a experimentar seriamente con SSB después de la Segunda Guerra Mundial . El Comando Aéreo Estratégico estableció SSB como el estándar de radio para sus aviones en 1957. [7] Desde entonces se ha convertido en un estándar de facto para transmisiones de radio de voz de larga distancia.
La banda lateral única tiene la forma matemática de modulación de amplitud en cuadratura (QAM) en el caso especial en el que una de las formas de onda de la banda base se deriva de la otra, en lugar de ser mensajes independientes :
donde está el mensaje (de valor real), es su transformada de Hilbert y es la frecuencia portadora de radio . [8]
Para entender esta fórmula, podemos expresar como la parte real de una función de valores complejos, sin pérdida de información:
donde representa la unidad imaginaria . es cuya representación analítica significa que comprende solo los componentes de frecuencia positiva de :
donde y son las respectivas transformadas de Fourier de y Por lo tanto, la función trasladada en frecuencia contiene solo un lado de Dado que también tiene solo componentes de frecuencia positiva, su transformada de Fourier inversa es la representación analítica de
y nuevamente la parte real de esta expresión no causa pérdida de información. Con la fórmula de Euler para expandir obtenemos la Ec.1 :
La demodulación coherente de recuperación es la misma que la de AM: multiplica por y paso bajo para eliminar los componentes de "doble frecuencia" alrededor de la frecuencia . Si la portadora demoduladora no está en la fase correcta (aquí fase coseno), entonces la señal demodulada será una combinación lineal de y , lo cual generalmente es aceptable en las comunicaciones de voz (si la frecuencia de la portadora demoduladora no es del todo correcta, la fase será deriva cíclica, lo que también suele ser aceptable en las comunicaciones de voz si el error de frecuencia es lo suficientemente pequeño, y los radioaficionados a veces son tolerantes a errores de frecuencia aún mayores que causan efectos de cambio de tono que suenan poco naturales).
También se puede recuperar como la parte real del conjugado complejo, que representa la porción de frecuencia negativa de Cuando es lo suficientemente grande como para no tener frecuencias negativas, el producto es otra señal analítica, cuya parte real es la transmisión de banda lateral inferior real :
La suma de las dos señales de banda lateral es:
que es el modelo clásico de AM de doble banda lateral con portadora suprimida .
Un método para producir una señal SSB es eliminar una de las bandas laterales mediante filtrado , dejando solo la banda lateral superior ( USB ), la banda lateral con la frecuencia más alta, o menos comúnmente la banda lateral inferior ( LSB ), la banda lateral con la frecuencia más baja. . En la mayoría de los casos, la portadora se reduce o elimina por completo (suprimida), por lo que se la denomina en su totalidad portadora suprimida de banda lateral única ( SSBSC ). Suponiendo que ambas bandas laterales sean simétricas, como es el caso de una señal AM normal , no se pierde información en el proceso. Dado que la amplificación de RF final ahora se concentra en una sola banda lateral, la potencia de salida efectiva es mayor que en AM normal (la portadora y la banda lateral redundante representan más de la mitad de la potencia de salida de un transmisor AM). Aunque SSB utiliza sustancialmente menos ancho de banda y potencia, no puede ser demodulado por un detector de envolvente simple como el AM estándar.
Un método alternativo de generación conocido como modulador Hartley , que lleva el nombre de RVL Hartley , utiliza fases para suprimir la banda lateral no deseada. Para generar una señal SSB con este método, se generan dos versiones de la señal original, mutuamente desfasadas 90° para cualquier frecuencia única dentro del ancho de banda operativo. Luego, cada una de estas señales modula ondas portadoras (de una frecuencia) que también están desfasadas 90° entre sí. Al sumar o restar las señales resultantes, se obtiene una señal de banda lateral superior o inferior. Un beneficio de este enfoque es permitir una expresión analítica para señales SSB, que puede usarse para comprender efectos como la detección sincrónica de SSB.
Desfasar la señal de banda base 90° no se puede lograr simplemente retrasándola, ya que contiene una amplia gama de frecuencias. En circuitos analógicos, se utiliza una red de diferencia de fase de 90 grados de banda ancha [9] . El método era popular en la época de las radios de válvulas de vacío , pero luego ganó mala reputación debido a implementaciones comerciales mal adaptadas. La modulación que utiliza este método está ganando popularidad nuevamente en los campos del homebrew y DSP . Este método, que utiliza la transformada de Hilbert para cambiar de fase el audio de banda base, se puede realizar a bajo costo con circuitos digitales.
Otra variación, el modulador Weaver , [10] utiliza sólo filtros de paso bajo y mezcladores de cuadratura, y es un método preferido en implementaciones digitales.
En el método de Weaver, la banda de interés se traduce primero para que esté centrada en cero, conceptualmente modulando una exponencial compleja con una frecuencia en el medio de la banda vocal, pero implementada mediante un par en cuadratura de moduladores seno y coseno en esa frecuencia (por ejemplo, 2 kHz). ). Esta señal compleja o par de señales reales luego se filtra por paso bajo para eliminar la banda lateral no deseada que no está centrada en cero. Luego, la señal compleja de banda lateral única centrada en cero se convierte en una señal real, mediante otro par de mezcladores en cuadratura, a la frecuencia central deseada.
Las señales convencionales moduladas en amplitud pueden considerarse un desperdicio de potencia y ancho de banda porque contienen una señal portadora y dos bandas laterales idénticas. Por lo tanto, los transmisores SSB generalmente están diseñados para minimizar la amplitud de la señal portadora. Cuando la portadora se elimina de la señal transmitida, se denomina SSB de portadora suprimida .
Sin embargo, para que un receptor reproduzca el audio transmitido sin distorsión, debe estar sintonizado exactamente en la misma frecuencia que el transmisor. Dado que esto es difícil de lograr en la práctica, las transmisiones SSB pueden sonar poco naturales y, si el error de frecuencia es lo suficientemente grande, puede provocar una mala inteligibilidad. Para corregir esto, se puede transmitir una pequeña cantidad de la señal portadora original para que los receptores con los circuitos necesarios para sincronizarse con la portadora transmitida puedan demodular correctamente el audio. Este modo de transmisión se denomina banda lateral única de portadora reducida .
En otros casos, puede ser deseable mantener cierto grado de compatibilidad con receptores AM simples y al mismo tiempo reducir el ancho de banda de la señal. Esto se puede lograr transmitiendo en banda lateral única con una portadora normal o ligeramente reducida. Este modo se llama SSB compatible (o de portadora completa) o equivalente de modulación de amplitud (AME) . En los sistemas AME típicos, la distorsión armónica puede alcanzar el 25% y la distorsión de intermodulación puede ser mucho mayor de lo normal, pero minimizar la distorsión en receptores con detectores de envolvente generalmente se considera menos importante que permitirles producir audio inteligible.
Una segunda definición, y quizás más correcta, de "banda lateral única compatible" (CSSB) se refiere a una forma de modulación de amplitud y fase en la que la portadora se transmite junto con una serie de bandas laterales que están predominantemente por encima o por debajo del término de la portadora. Dado que la modulación de fase está presente en la generación de la señal, la energía se elimina del término de la portadora y se redistribuye en la estructura de banda lateral similar a la que ocurre en la modulación de frecuencia analógica. Las señales que alimentan el modulador de fase y el modulador de envolvente están desfasadas además 90° entre sí. Esto coloca los términos de información en cuadratura entre sí; La transformada de Hilbert de la información a transmitir se utiliza para provocar la adición constructiva de una banda lateral y la cancelación de la banda lateral primaria opuesta. Dado que se emplea modulación de fase, también se generan términos de orden superior. Se han empleado varios métodos para reducir el impacto (amplitud) de la mayoría de estos términos de orden superior. En un sistema, el término modulado en fase es en realidad el registro del valor del nivel de la portadora más el término de audio/información desfasado. Esto produce una señal CSSB ideal, donde a niveles de modulación bajos solo predomina un término de primer orden en un lado de la portadora. A medida que aumenta el nivel de modulación, el nivel de la portadora se reduce mientras que un término de segundo orden aumenta sustancialmente en amplitud. En el punto de modulación de envolvente del 100%, se eliminan 6 dB de potencia del término de la portadora y el término de segundo orden es idéntico en amplitud al término de la portadora. La banda lateral de primer orden ha aumentado de nivel hasta que ahora está al mismo nivel que la portadora anteriormente no modulada. En el punto de modulación del 100%, el espectro parece idéntico a una transmisión AM normal de doble banda lateral, con el término central (ahora el término de audio primario) en un nivel de referencia de 0 dB, y ambos términos a cada lado de la banda lateral primaria en −6dB. La diferencia es que lo que parece ser la portadora se ha desplazado según el término de audiofrecuencia hacia la "banda lateral en uso". En niveles inferiores al 100% de modulación, la estructura de la banda lateral parece bastante asimétrica. Cuando la voz es transmitida por una fuente CSSB de este tipo, los componentes de baja frecuencia son dominantes, mientras que los términos de frecuencia más alta son más bajos hasta 20 dB a 3 kHz. El resultado es que la señal ocupa aproximadamente la mitad del ancho de banda normal de una señal DSB de portadora completa. Hay un problema: el término de audio utilizado para modular la fase de la portadora se genera en función de una función de registro que está sesgada por el nivel de la portadora. Con una modulación negativa del 100%, el término se lleva a cero (0) y el modulador queda indefinido. Se debe emplear un control estricto de la modulación para mantener la estabilidad del sistema y evitar salpicaduras. Este sistema es de origen ruso y fue descrito a finales de los años cincuenta. No se sabe si alguna vez se implementó.
Leonard R. Kahn diseñó y patentó una segunda serie de enfoques . Los distintos sistemas de Kahn eliminaron el límite estricto impuesto por el uso de la función de registro estricto en la generación de la señal. Los sistemas de Kahn anteriores utilizaban varios métodos para reducir el término de segundo orden mediante la inserción de un componente de predistorsión. También se utilizó un ejemplo de este método para generar una de las señales estéreo AM de banda lateral independiente (ISB) de Kahn. Se conocía como método del excitador STR-77 y se introdujo en 1977. Posteriormente, el sistema se mejoró aún más mediante el uso de un modulador basado en arcoseno que incluía un término 1-0,52E en el denominador de la ecuación del generador de arcoseno. E representa el término envolvente; aproximadamente la mitad del término de modulación aplicado al modulador de envolvente se utiliza para reducir el término de segundo orden de la trayectoria modulada en "fase" de arco; reduciendo así el término de segundo orden en la banda lateral no deseada. Se utilizó un enfoque de retroalimentación de modulador/demodulador de bucles múltiples para generar una señal de arcoseno precisa. Este enfoque se introdujo en 1984 y se conoció como método STR-84. Fue vendido por Kahn Research Laboratories; más tarde, Kahn Communications, Inc. de Nueva York. Un dispositivo de procesamiento de audio adicional mejoró aún más la estructura de banda lateral aplicando selectivamente preénfasis a las señales moduladoras. Dado que la envolvente de todas las señales descritas sigue siendo una copia exacta de la información aplicada al modulador, puede ser demodulada sin distorsión mediante un detector de envolvente como un simple diodo. En un receptor práctico, puede haber cierta distorsión, generalmente a un nivel bajo (en transmisión AM, siempre por debajo del 5%), debido al filtrado agudo y al retardo de grupo no lineal en los filtros IF del receptor, que actúan para truncar la banda lateral de compatibilidad. – aquellos términos que no son el resultado de un proceso lineal de simple modulación envolvente de la señal como sería el caso en DSB-AM con portadora completa – y rotación de fase de estos términos de compatibilidad de modo que ya no cancelen el término de distorsión en cuadratura causado por un término SSB de primer orden junto con el transportista. La pequeña cantidad de distorsión causada por este efecto es generalmente bastante baja y aceptable.
Airphone también utilizó brevemente el método Kahn CSSB como método de modulación empleado para las primeras llamadas telefónicas de consumidores que podían realizarse desde un avión a tierra. Esto fue rápidamente reemplazado por métodos de modulación digital para lograr una eficiencia espectral aún mayor.
Si bien CSSB rara vez se utiliza hoy en día en las bandas de transmisión AM/MW de todo el mundo, algunos radioaficionados todavía experimentan con él.
La parte frontal de un receptor SSB es similar a la de un receptor de AM o FM , y consiste en una parte frontal de RF superheterodina que produce una versión con desplazamiento de frecuencia de la señal de radiofrecuencia (RF) dentro de una banda de frecuencia intermedia (IF) estándar.
Para recuperar la señal original de la señal IF SSB, la banda lateral única debe desplazarse en frecuencia hasta su rango original de frecuencias de banda base , mediante el uso de un detector de producto que la mezcla con la salida de un oscilador de frecuencia de batido (BFO). En otras palabras, es sólo otra etapa de heterodinación. Para que esto funcione, la frecuencia BFO debe ajustarse exactamente. Si la frecuencia BFO está apagada, la señal de salida cambiará de frecuencia (hacia arriba o hacia abajo), haciendo que el habla suene extraña y parecida al " Pato Donald ", o ininteligible.
Para las comunicaciones de audio, existe un acuerdo común sobre el desplazamiento del oscilador BFO de 1,7 kHz. Una señal de voz es sensible a cambios de unos 50 Hz, aunque todavía son soportables hasta 100 Hz. Algunos receptores utilizan un sistema de recuperación de portadora , que intenta bloquear automáticamente la frecuencia IF exacta. La recuperación de la portadora no resuelve el cambio de frecuencia. Proporciona una mejor relación S/N en la salida del detector. [ cita necesaria ]
Como ejemplo, considere una señal IF SSB centrada en una frecuencia = 45000 Hz. La frecuencia de banda base a la que debe cambiarse es = 2000 Hz. La forma de onda de salida del BFO es . Cuando la señal se multiplica por (también conocida como heterodina con ) la forma de onda BFO, cambia la señal a y a , lo que se conoce como frecuencia de batido o frecuencia de imagen . El objetivo es elegir un que dé como resultado = 2000 Hz. (Los componentes no deseados se pueden eliminar mediante un filtro de paso bajo ; para lo cual puede servir un transductor de salida o el oído humano).
Hay dos opciones para : 43000 Hz y 47000 Hz, llamadas inyección de lado bajo y lado alto . Con la inyección del lado alto, los componentes espectrales que se distribuyeron alrededor de 45000 Hz se distribuirán alrededor de 2000 Hz en orden inverso, también conocido como espectro invertido. De hecho, esto es deseable cuando el espectro IF también está invertido, porque la inversión BFO restablece las relaciones adecuadas. Una razón para esto es cuando el espectro IF es la salida de una etapa inversora en el receptor. Otra razón es cuando la señal SSB es en realidad una banda lateral inferior, en lugar de una banda lateral superior. Pero si ambas razones son ciertas, entonces el espectro IF no está invertido y se debe utilizar el BFO no inversor (43000 Hz).
Si está ligeramente desviado, entonces la frecuencia del ritmo no es exactamente igual , lo que puede provocar la distorsión del habla mencionada anteriormente.
Las técnicas SSB también se pueden adaptar a formas de onda de banda base con cambio de frecuencia e inversión de frecuencia ( inversión de voz ). Este método de codificación de voz se realizó ejecutando el audio de una muestra de audio modulada en banda lateral a través de su opuesta (por ejemplo, ejecutando una muestra de audio modulada LSB a través de una radio con modulación USB). Estos efectos se utilizaron, junto con otras técnicas de filtrado, durante la Segunda Guerra Mundial como método sencillo para el cifrado de voz . Las conversaciones radiotelefónicas entre Estados Unidos y Gran Bretaña fueron interceptadas y "descifradas" por los alemanes; incluyeron algunas de las primeras conversaciones entre Franklin D. Roosevelt y Churchill . [ cita necesaria ] De hecho, operadores capacitados podrían entender las señales directamente. En gran medida para permitir comunicaciones seguras entre Roosevelt y Churchill, se ideó el sistema de cifrado digital SIGSALY .
Hoy en día, estas técnicas simples de cifrado de voz basadas en inversión se descifran fácilmente utilizando técnicas simples y ya no se consideran seguras.
La limitación de la modulación de banda lateral única que se utiliza para señales de voz y que no está disponible para señales de vídeo/TV conduce al uso de banda lateral residual . Una banda lateral vestigial (en comunicación por radio ) es una banda lateral que ha sido cortada o suprimida sólo parcialmente. Las transmisiones de televisión (en formatos de video analógico) utilizan este método si el video se transmite en AM , debido al gran ancho de banda utilizado. También se puede utilizar en transmisión digital, como el 8VSB estandarizado ATSC .
El canal de emisión o transporte para TV en países que utilizan NTSC o ATSC tiene un ancho de banda de 6 MHz. Para conservar el ancho de banda, sería deseable SSB, pero la señal de vídeo tiene un contenido significativo de baja frecuencia (brillo promedio) y tiene pulsos de sincronización rectangulares. El compromiso de ingeniería es la transmisión de banda lateral vestigial. En la banda lateral residual, se transmite toda la banda lateral superior del ancho de banda W2 = 4,0 MHz, pero sólo se transmite W1 = 0,75 MHz de la banda lateral inferior, junto con una portadora. La frecuencia portadora está 1,25 MHz por encima del borde inferior del canal de 6 MHz de ancho. Esto efectivamente hace que el sistema sea AM en frecuencias de modulación bajas y SSB en frecuencias de modulación altas. Se debe compensar la ausencia de los componentes de banda lateral inferior en altas frecuencias, y esto se hace en el amplificador de FI .
Cuando se utiliza banda lateral única en comunicaciones de voz de radioaficionados, es una práctica común que para frecuencias inferiores a 10 MHz se utilice la banda lateral inferior (LSB) y para frecuencias de 10 MHz y superiores, se utilice la banda lateral superior (USB). [11] Por ejemplo, en la banda de 40 m, las comunicaciones de voz suelen tener lugar alrededor de 7.100 MHz utilizando el modo LSB. En la banda de 20 m a 14.200 MHz se utilizaría el modo USB.
Una excepción a esta regla se aplica a los cinco canales de aficionados discretos en la banda de 60 metros (cerca de 5,3 MHz), donde las reglas de la FCC requieren específicamente USB. [12]
La banda lateral única extendida es cualquier modo J3E (SSB-SC) que excede el ancho de banda de audio de los modos SSB J3E estándar o tradicional de 2,9 kHz (ITU 2K90J3E) para admitir un sonido de mayor calidad.
La banda lateral única con amplitud comparada ( ACSSB ) es un método de modulación de banda estrecha que utiliza una banda lateral única con un tono piloto, lo que permite que un expansor en el receptor restaure la amplitud que fue severamente comprimida por el transmisor. Ofrece un alcance efectivo mejorado sobre la modulación SSB estándar y al mismo tiempo conserva la compatibilidad con radios SSB estándar. ACSSB también ofrece un ancho de banda reducido y un rango mejorado para un nivel de potencia determinado en comparación con la modulación FM de banda estrecha.
La generación de modulación SSB estándar da como resultado grandes sobrepasos de la envolvente muy por encima del nivel de envolvente promedio para un tono sinusoidal (incluso cuando la señal de audio tiene un pico limitado). Los picos de la envolvente SSB estándar se deben al truncamiento del espectro y a la distorsión de fase no lineal debido a los errores de aproximación de la implementación práctica de la transformada de Hilbert requerida. Recientemente se demostró que una compensación de sobreimpulso adecuada (la llamada modulación de banda lateral única de envolvente controlada o CESSB ) logra aproximadamente 3,8 dB de reducción de pico para la transmisión de voz. Esto da como resultado un aumento de potencia promedio efectivo de aproximadamente el 140%. [13] Aunque la generación de la señal CESSB puede integrarse en el modulador SSB, es factible separar la generación de la señal CESSB (por ejemplo, en forma de un preprocesador de voz externo) de una radio SSB estándar. Esto requiere que el modulador de la radio SSB estándar sea de fase lineal y tenga un ancho de banda suficiente para pasar la señal CESSB. Si un modulador SSB estándar cumple con estos requisitos, entonces se conserva el control de envolvente mediante el proceso CESSB. [14]
En 1982, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) designó los tipos de modulación de amplitud:
![{\displaystyle {\begin{aligned}s_{\text{ssb}}(t)&=\operatorname {Re} \left\{s_{\mathrm {a} }(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}\right\}\\&=\operatorname {Re} \left\{\,\left[s(t)+j\cdot {\widehat {s}}(t)\right]\ cdot \left[\cos \left(2\pi f_{0}t\right)+j\cdot \sin \left(2\pi f_{0}t\right)\right]\,\right\}\ \&=s(t)\cdot \cos \left(2\pi f_{0}t\right)-{\widehat {s}}(t)\cdot \sin \left(2\pi f_{0} t\right).\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/75792a0ac2bb0ee6213b5f329629648d7d68ee18)
