telefonía de operador

En 1910, George Owen Squier demostró que se podía enviar más de una señal de voz a través de un único circuito de cable colocando una segunda señal en una portadora de alta frecuencia. Esto era similar a la forma en que se podía transmitir el habla mediante ondas de radio. Squier describió el método como "comunicación inalámbrica por cable". ^{[ 7 ]}

Bell introdujo sistemas de portadora comerciales en 1918, tras un mayor desarrollo del método para líneas telefónicas. ^{[ 8 ]} Los primeros sistemas utilizaban líneas de hilo abierto y añadían canales portadores por encima del circuito de frecuencia de voz habitual. En el extremo receptor, filtros y demoduladores separaban los canales y los convertían de nuevo a frecuencias de voz normales. ^{[ 9 ]}

En 1915, JR Carson demostró que una señal modulada podía separarse en dos bandas laterales y que solo se requería una banda lateral para recuperar la señal telefónica original en el extremo receptor. ^{[ 10 ]} Esto se conoció como modulación de banda lateral única . ^{[ 11 ]}

Ralph Hartley analizó posteriormente la relación entre la portadora y los componentes de banda lateral, demostrando que transmitir solo una banda lateral ahorraba potencia y ancho de banda, permitiendo que más señales compartieran la línea. También describió un circuito modulador balanceado para suprimir el componente portador. ^{[ 12 ]}

En 1921, EH Colpitts y OB Blackwell publicaron una descripción de varios sistemas multiplexados por división de frecuencia utilizados para la telefonía. ^{[ 9 ] : 205–300} Estos sistemas se utilizaban en circuitos de transmisión de cable abierto. Las etiquetas Tipo A y Tipo B se aplicaron en publicaciones posteriores. Se operaron sistemas de prueba entre South Bend, Indiana, y Toledo, Ohio, y entre Chicago y Toledo. La demanda de circuitos telefónicos durante la Primera Guerra Mundial llevó a la instalación de un sistema de prueba entre Pittsburgh y Baltimore. ^{[ 9 ]}

En una configuración de portadora, una señal telefónica ordinaria ocupaba la banda de voz de 300 Hz a 3000 Hz. Se asignaron tres circuitos bidireccionales adicionales a los canales portadores, ocupando una dirección la banda de 10 kHz a 20 kHz y la otra la banda de 20 kHz a 30 kHz. Ocho señales telegráficas bidireccionales también se multiplexaron en la banda de 3333 Hz a 10 kHz. ^{[ 9 ] : 254–255}

Un sistema comercial utilizado en el circuito Detroit-Harrisburg transmitía la portadora junto con cada señal de voz modulada. Transportaba tres señales portadoras además de un circuito telefónico ordinario a lo largo de 596 millas, cuadruplicando la capacidad anterior. ^{[ 9 ] : 280} Arthur A. Oswald describió posteriormente la telefonía portadora como el primer uso comercial de la modulación de banda lateral única. ^{[ 13 ]}

La transmisión de banda lateral única se utilizó en el sistema de portadora Harrisburg-Chicago, que suprimía la portadora y transmitía una sola banda lateral para mejorar la eficiencia espectral y de potencia. Dicho sistema transportaba un circuito telefónico ordinario y cuatro circuitos portadores en una sola línea. ^{[ 9 ] : 287} En 1936, se puso en servicio un sistema de radiotelefonía de dos canales que utilizaba las dos bandas laterales de forma independiente. Los sistemas posteriores transmitían hasta cuatro canales de voz en una sola portadora de radio. ^{[ 2 ] : 35–36}

Los primeros sistemas también añadieron múltiples señales telegráficas a las líneas utilizadas para la telefonía. ^{[ 14 ]}

En un artículo de 1928, el sistema de cuatro canales portadores descrito en 1921 se identificó como Tipo A , y el sistema de tres canales portadores sin supresión de portadora como Tipo B. El mismo artículo describió un sistema de cable abierto posterior, Tipo C , que añadía tres circuitos portadores bidireccionales a un circuito bidireccional de banda de voz en el mismo par de cables abiertos. ^{[ 15 ]}

El sistema Tipo C estaba diseñado para rutas de cable abierto largas, de aproximadamente 150 millas a más de 1000 millas. Utilizaba transmisión de banda lateral única con portadora suprimida, como en el Tipo A, y empleaba planes de frecuencia alternativos para reducir la diafonía indeseada (acoplamiento no deseado de señales entre pares de cables cercanos) en la misma ruta de poste. De 1926 a 1928, el uso de sistemas de portadora por parte del Sistema Bell aumentó de aproximadamente 130 000 millas de canal a 230 000 millas de canal, una medida equivalente a un canal telefónico transmitido por una milla. ^{[ 15 ]}

El sistema Tipo D se desarrolló para circuitos de peaje más cortos, de aproximadamente 50 a 200 millas. ^{[ 16 ] : 135–136} Añadía un circuito portador a un circuito de frecuencia de voz simple, duplicando la capacidad de un par a un costo menor que el equipo Tipo C de larga distancia. ^{[ 16 ] : 117} Para circuitos de más de 125 millas, un amplificador adicional producía la versión DA. ^{[ 16 ] : 120}

Los sistemas de tipo C y tipo D podían utilizarse conjuntamente en las mismas rutas de postes. Un ejemplo de Bell System mostraba una línea de postes con cuatro brazos transversales que transportaba seis circuitos de tipo C de larga distancia, catorce circuitos de tipo D más cortos, treinta circuitos de banda de voz y ochenta circuitos telegráficos. ^{[ 16 ]}

Las mejoras de ingeniería y la reducción de costos ampliaron el uso económico de la telefonía de operador. En 1930, Bell describió los sistemas de tres canales como adecuados para rutas de larga distancia de aproximadamente 125 millas o más, mientras que los sistemas más simples de un canal hicieron que la telefonía de operador fuera rentable en rutas de entre 75 y 125 millas. El equipo para distancias más cortas a veces podía extenderse hasta aproximadamente 200 millas mediante la adición de amplificación en el terminal. ^{[ 4 ]}

El último circuito tipo C en los Estados Unidos fue retirado del servicio alrededor de 1980. ^{[ 2 ] : 6}

Fuera del sistema Bell, surgieron diferentes tecnologías de telefonía por cable abierto. En 1929, H. Sterky describió un sistema sueco de corriente portadora construido por Svenska Radioaktiebolaget, filial de Ericsson, para la red telefónica de México. Describió la telefonía por portadora como adecuada, por razones técnicas, para líneas aéreas. Las líneas utilizaban conductores de cobre o aluminio; se prefería el aluminio porque el cobre era objeto de robo. El sistema carecía de repetidores; el número de canales estaba limitado por las distancias entre ciudades. La primera etapa mexicana se instaló en las rutas que conectaban Ciudad de México, Veracruz, Celaya, Guadalajara y San Luis Potosí. Cada tramo transportaba hasta tres canales portadores; la ruta Ciudad de México-Celaya, por ejemplo, utilizaba tres pares de frecuencias portadoras a lo largo de 359 km. Cada canal utilizaba una frecuencia portadora en cada dirección, separadas por 5 kHz, con frecuencias derivadas de una frecuencia maestra de 5 kHz generada en Ciudad de México. A diferencia de los sistemas de banda lateral única con portadora suprimida, el sistema Ericsson eliminó la banda lateral inferior pero transmitió la portadora junto con la banda lateral superior, eliminando la necesidad de una portadora regenerada localmente en el receptor. ^{[ 17 ]}

En 1933, los Laboratorios Bell Telephone llevaron a cabo una instalación experimental de cable portador en Morristown, Nueva Jersey . La prueba utilizó un cable subterráneo de 40 kilómetros (25 millas) con repetidores espaciados a intervalos de 40 kilómetros (25 millas), dispuestos para simular un circuito de 1370 kilómetros (850 millas) con 33 repetidores intermedios. Se transmitieron nueve canales telefónicos portadores utilizando frecuencias de 4 kHz a 40 kHz. La prueba demostró una calidad de transmisión "muy excelente" y una diafonía manejable. ^{[ 18 ]}

Para fines de prueba, los nueve enlaces portadores se conectaron en tándem para representar circuitos de hasta 7650 millas de longitud. El circuito simulado tenía una atenuación total aproximada de 1300 dB , que fue compensada por los repetidores. El funcionamiento estable dependía de amplificadores de retroalimentación negativa , desarrollados a partir del trabajo de HS Black . ^{[ 18 ] [ 19 ]} Posteriormente, Bell Labs describió la retroalimentación negativa como un requisito previo clave para el desarrollo de sistemas portadores de cable de larga distancia. ^{[ 2 ] : 73}

Aunque no se adoptó de inmediato para el servicio comercial debido a las condiciones económicas durante la Gran Depresión, el ensayo de Morristown estableció la viabilidad de los sistemas de cable portador. Sirvió de puente entre los sistemas portadores de cable abierto anteriores y los sistemas de cable multicanal estandarizados introducidos posteriormente en la década de 1930. ^{[ 2 ] : 80}

A finales de la década de 1930, la telefonía portadora del sistema Bell había estandarizado el grupo de 12 canales como unidad básica de multiplexación . Este grupo combinaba doce canales de voz en una banda de 48 kHz de ancho, utilizando un espaciado entre canales de 4 kHz y transmisión de banda lateral única. Se desarrolló como una primera etapa común de modulación para los sistemas de cable abierto tipo J y tipo K, así como para los sistemas coaxiales de mayor capacidad que se estaban planificando en ese momento. Los equipos de multiplexación de orden superior combinaban estos grupos en los cientos de canales que se transmitían mediante cable coaxial y, posteriormente, mediante sistemas de radioretransmisión por microondas . ^{[ 2 ] : 81, 88 [ 20 ]}

El tipo K, introducido en 1938, se utilizaba en cables subterráneos y aéreos. Empleaba pares de cables separados para las dos direcciones de transmisión y fue diseñado para rutas de larga distancia, con repetidores espaciados aproximadamente a 17 millas de distancia. ^{[ 21 ]}

El tipo J, introducido en 1939, adaptó el grupo de 12 canales a líneas de cable abierto. Dado que ambas direcciones compartían los mismos cables, se separaron por frecuencia. Las instalaciones iniciales incluyeron varias rutas de larga distancia que sumaban aproximadamente 55 000 millas de canal, y los sistemas tipo J a menudo se interconectaban con sistemas de cable tipo K. ^{[ 22 ]}

El sistema de telefonía de portadora tipo L extendió la telefonía al cable coaxial . El desarrollo de los sistemas de portadora coaxial comenzó a mediados de la década de 1930, y el sistema L1 entró en servicio en 1941 para rutas troncales de muy larga distancia . Los sistemas coaxiales transportaban muchos grupos de 12 canales combinándolos en estructuras de multiplexación más grandes, lo que permitía capacidades mucho mayores que los sistemas de cable abierto o de cable apareado. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

Durante la década de 1940, el sistema Bell amplió su red coaxial L1 para satisfacer la creciente demanda de circuitos telefónicos de larga distancia y proporcionar rutas de transmisión interurbanas para la televisión. A finales de la década, miles de millas de cable coaxial L1 estaban en servicio en Estados Unidos. Estas mismas instalaciones coaxiales también podían transportar señales de televisión para la transmisión en red . ^{[ 26 ]} El grupo de 12 canales pasó a formar parte de la jerarquía internacional de multiplexación estandarizada por el Comité Consultivo Internacional de Telegrafía y Telefonía (CCITT). ^{[ 27 ]}

El uso del teléfono aumentó rápidamente después de la Segunda Guerra Mundial . El número de abonados creció, la marcación directa a larga distancia requirió más circuitos entre centrales y la televisión en red generó una mayor demanda de ancho de banda entre ciudades. De 1945 a 1975, la demanda de circuitos de transmisión del sistema Bell creció entre un 14 y un 15 por ciento anual. Gran parte de este crecimiento en las llamadas de larga distancia se debió a los nuevos sistemas de cable coaxial y microondas , que podían transmitir televisión, además de un gran número de llamadas telefónicas. ^{[ 2 ] : 247–249, 778, 783–785}

La rentabilidad de los equipos de transmisión dependía de la longitud de la ruta y del tráfico. Los sistemas de transmisión reducían los costos de línea al permitir que los cables, postes, derechos de paso y sitios de repetidores fueran compartidos por muchos circuitos. Los equipos terminales, encargados de la conversión hacia y desde los canales de voz normales, añadían un costo fijo en cada extremo. Por lo tanto, los sistemas de transmisión resultaban más económicos en rutas largas y de mucho tráfico. A medida que disminuían los costos de los equipos terminales, la distancia de equilibrio se acortaba y el uso de los sistemas de transmisión aumentaba. Para la década de 1960, las rutas más cortas se habían convertido en un mercado importante para los equipos de transmisión. ^{[ 2 ] : 775–781}

Los sistemas desarrollados durante este período no fueron simplemente reemplazos sucesivos unos de otros. Algunos utilizaron transmisión de doble banda lateral relativamente económica y filtros más simples donde el ancho de banda estaba disponible y el bajo costo de los terminales era lo más importante, al igual que los sistemas portadores modulados en amplitud más simples del período inicial. ^{[ 32 ]} Otros utilizaron transmisión de banda lateral única para obtener más circuitos donde la capacidad de línea era costosa. ^{[ 33 ]} La compatibilidad también importaba: el nuevo equipo a menudo se diseñaba para utilizar planes de frecuencia, cables, repetidores e instalaciones de terminales existentes. ^{[ 34 ]} Mientras tanto, el equipo portador progresó desde tubos de vacío a través de diseños mixtos de tubos y transistores hasta terminales totalmente transistorizados, reduciendo el tamaño, el consumo de energía y el mantenimiento. ^{[ 32 ] [ 35 ] [ 36 ]} El mercado también incluía varios fabricantes competidores, incluidos Lenkurt , ITT Kellogg y General Dynamics , cuyos sistemas a menudo se diseñaban para operar junto con el equipo de Bell System. ^{[ 37 ] [ 33 ] [ 32 ] [ 34 ] [ 38 ]}

En 1929, los ingenieros de AT&T, Lloyd Espenschied y Herman A. Affel, solicitaron una patente que describía la transmisión de cientos de canales telefónicos, o una señal de televisión, a través de cable coaxial . ^{[ 49 ]} El mayor ancho de banda del cable coaxial posibilitó sistemas de transmisión con mayor capacidad que las rutas de cable abierto o de cable apareado. A principios de 1944, AT&T anunció un importante programa de construcción de cable coaxial para la posguerra. Más tarde ese mismo año, anunció planes tanto para una extensa red de microondas como para un nuevo sistema coaxial con un ancho de banda de aproximadamente 7 MHz. El desarrollo del nuevo sistema, denominado L3, comenzó a finales de 1945. Su propósito era obtener una capacidad sustancialmente mayor de los cables coaxiales ya instalados, reutilizando al mismo tiempo la mayor cantidad posible de equipos terminales L1, equipos de suministro de señal y la infraestructura de repetidores. ^{[ 2 ] : 247–248}

En el sistema Bell, "CXR" era una abreviatura de portadora; por lo tanto, los planos de campo utilizaban formas como "L CXR" para las instalaciones de portadora L. Un plano de interconexión de ruta de Long Lines de 1958, por ejemplo, etiqueta un "conmutador L CXR" y un "equipo terminal Lenkurt 45BX CXR" en una ruta que utiliza portadora tipo L1 y equipo portador Lenkurt 45BX. ^{[ 57 ]}

En los Países Bajos, la PTT holandesa y Philips desarrollaron un sistema portador de 48 canales para los cables portadores instalados desde 1935. Los cables eran adecuados, en cuanto a atenuación y diafonía, para la transmisión de hasta aproximadamente 200 kHz con una separación entre repetidores de unos 25 km. El sistema utilizaba cuatro grupos de doce canales, lo que proporcionaba 48 circuitos de voz por par. ^{[ 58 ]}

El sistema Philips se diferenciaba de la disposición de bancos de canales de Bell. En lugar de utilizar doce filtros de canal separados directamente en la banda de grupo final, cada canal de voz se modulaba primero con la misma portadora de 60 kHz y se pasaba a través de un filtro de banda de canal de 60-64 kHz. Doce de estos canales básicos se traducían para formar un grupo básico de 252-300 kHz, y cuatro grupos se traducían finalmente al supergrupo de 12-204 kHz. El filtro de 60 kHz utilizaba núcleos de ferrita Ferroxcube , no resonadores de cristal. Philips reportó valores Q de bobina de aproximadamente 500-600 y una reducción de cinco veces en el volumen de la bobina, lograda mediante el uso de ferritas, en comparación con los sistemas magnéticos anteriores. ^{[ 58 ]}

Un informe de Philips de 1952 describió el desarrollo europeo como una competencia entre el cable portador cuádruple y el cable coaxial, sin que ninguno reemplazara por completo al otro. Para 1930, se utilizaban sistemas de 12 canales en cables pareados y cuádruples, mientras que los sistemas coaxiales debutaron en Gran Bretaña, Alemania y Francia entre 1930 y 1940. Los cables cuádruples fabricados en los Países Bajos durante y después de la Segunda Guerra Mundial demostraron que los cables cuádruples bien fabricados podían transportar 48 canales por par, pero los sistemas coaxiales ofrecían una capacidad mucho mayor en rutas densas. ^{[ 59 ]}

La compensación iba más allá del ancho de banda. El cable coaxial reducía la diafonía a altas frecuencias porque su conductor exterior blindaba cada tubo, lo que permitía cientos de canales por par. Los sistemas coaxiales integraban muchos más circuitos en cada repetidor. El artículo de Philips comparaba los 960 canales gestionados por un repetidor coaxial con los 60 canales del caso de cable cuádruple. Por lo tanto, los sistemas coaxiales exigían una mayor fiabilidad, estabilidad de ganancia y linealidad del repetidor, e hacían que el diseño de la intermodulación y la retroalimentación fueran más críticos. ^{[ 59 ]}

La demanda de más circuitos telefónicos convirtió a la telefonía portadora en un importante impulsor del diseño de circuitos y la teoría de las comunicaciones. ^{[ 2 ]} EH Colpitts y OB Blackwell aplicaron la multiplexación por división de frecuencia a la transmisión telefónica. ^{[ 9 ]} Los canales telefónicos muy próximos requerían filtros precisos , como los desarrollados por George Ashley Campbell , Otto Julius Zobel y otros. ^{[ 60 ]} Las rutas portadoras largas requerían muchos repetidores en tándem, lo que exigía baja distorsión y ruido. Esto motivó el amplificador de retroalimentación negativa de Harold Black , ^{[ 61 ]} el criterio de estabilidad de Harry Nyquist y, posteriormente, los métodos de ecualización y diseño de redes de Hendrik Wade Bode y Sidney Darlington . ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 2 ] : 62–71, 204–211 [ 64 ]} Las mediciones de ruido y la teoría de John B. Johnson y Nyquist ayudaron a definir los límites de ruido térmico de los repetidores y los sistemas de transmisión. ^{[ 65 ] [ 2 ] : 61–101}

Los mismos problemas de transmisión telefónica y radiofónica también influyeron en los inicios de la teoría de la información . El trabajo de Ralph Hartley sobre la transmisión de información y la teoría matemática de la comunicación de Claude Shannon surgieron de cuestiones relacionadas con la transmisión de señales, el ancho de banda, el ruido y la capacidad del canal. ^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]}

Los sistemas de telefonía de operador utilizaban asignaciones de frecuencia cuidadosamente planificadas para que muchos canales telefónicos pudieran compartir los mismos cables sin interferencias molestas . La interferencia se produce cuando las señales de un circuito se acoplan a otro a través de la inductancia y capacitancia mutuas entre cables cercanos. ^{[ 70 ]} Dependiendo de su gravedad, la interferencia podía manifestarse como conversaciones débiles, habla distorsionada o ininteligible, silbidos, tonos o ruido de fondo. Esto era especialmente importante en las rutas de postes de cable abierto, donde muchos circuitos discurrían muy cerca unos de otros a lo largo de cientos de kilómetros. ^{[ 71 ]}

En el sistema de tipo A, tres canales portadores en una dirección ocupaban la banda de 10 a 20 kHz, mientras que los canales en la dirección opuesta ocupaban la banda de 20 a 30 kHz. ^{[ 9 ] : 205–300}

El sistema Tipo C añadió tres canales portadores en cada dirección, además del circuito de voz de banda base, aumentando la capacidad de una línea a cuatro conversaciones telefónicas bidireccionales simultáneas. El sistema fue diseñado para líneas de cable abierto, donde la diafonía entre pares adyacentes era significativa. Debido a que los filtros LC proporcionaban una selectividad menor a frecuencias más altas, se utilizó un espaciado mayor para los canales superiores. ^{[ 15 ]}

Se desarrollaron dos planes de frecuencia relacionados, conocidos como CS y CN, para que la diafonía entre sistemas portadores vecinos resultara menos molesta. Los equipos telefónicos y el oído humano son más sensibles a la interferencia cerca de 1 kHz. Las asignaciones de CS y CN se escalonaron para que los componentes de 1 kHz de los sistemas vecinos no se superpusieran directamente. En las porciones superpuestas del espectro, se utilizaron bandas laterales opuestas para que la diafonía apareciera espectralmente invertida y fuera menos inteligible como habla. En la tabla, LSB y USB indican cuál de las bandas laterales inferior y superior se utiliza. La "imagen de 1 kHz" es la frecuencia a la que apareció un tono de frecuencia de voz de 1 kHz después de la modulación. ^{[ 15 ]}

El sistema Tipo D fue diseñado como un sistema de menor costo compatible con el plan de frecuencias CS, pero no con la asignación CN alternativa. ^{[ 16 ]}

El sistema de cable abierto de Ericsson utilizaba un plan de frecuencias alternas pares e impares. Todas las frecuencias portadoras eran múltiplos enteros de una frecuencia maestra de 5 kHz. En un circuito dado, una dirección utilizaba un múltiplo par y la dirección opuesta el múltiplo impar adyacente, por lo que un tramo de tres canales podía utilizar pares de frecuencias como 10/15, 20/25 y 30/35 kHz. En la instalación mexicana, Ciudad de México, Guadalajara y San Luis Potosí utilizaban múltiplos impares como portadoras de transmisión, mientras que Celaya y Veracruz utilizaban múltiplos pares. Esta disposición mantenía las dos direcciones de cada canal separadas por 5 kHz y permitía que la misma referencia de 5 kHz estableciera todas las frecuencias portadoras de la red. ^{[ 17 ]}

A finales de la década de 1930, los Laboratorios Bell estandarizaron las frecuencias portadoras y el grupo de 12 canales para que los sistemas de cable abierto, cable coaxial y cable coaxial pudieran usar equipos de canal comunes y conectarse más fácilmente. Por lo tanto, los sistemas J, K y L compartían la misma disposición inicial de grupos de 60 a 108 kHz, aunque cada uno traducía el grupo a diferentes frecuencias para la transmisión. Los canales estaban espaciados a 4 kHz, con frecuencias portadoras en múltiplos de 4 kHz. Este espaciado más estrecho requería filtros más precisos que los sistemas A, B, C y D anteriores. Las etapas iniciales de modulación de canal utilizaban moduladores doblemente balanceados y filtros de cristal. ^{[ 72 ] [ 73 ] [ 21 ] [ 22 ]}

El sistema Tipo J, introducido en 1939, adaptó el grupo de 12 canales para líneas de hilo abierto. ^{[ 22 ]} Para reducir la diafonía entre direcciones en la misma línea, la transmisión de oeste a este utilizaba frecuencias de 36 a 84 kHz, mientras que la transmisión de este a oeste utilizaba de 92 a 140 kHz. La gran separación entre las dos bandas minimizaba el acoplamiento entre direcciones de transmisión en rutas largas de hilo abierto y la compatibilidad con el sistema C. ^{[ 22 ]}

El sistema Tipo K fue diseñado para sistemas de transmisión por cable, donde la diafonía era menor que en las líneas de cable abierto, pero la atenuación era sustancialmente mayor debido a la capacitancia del cable. Normalmente se utilizaban pares de cables separados para cada dirección de transmisión. Las asignaciones de portadoras ocupaban el rango de 12 a 60 kHz y se derivaban de los grupos estándar de 60 a 108 kHz mediante traslación de frecuencia . ^{[ 21 ]}

Los sistemas de tipo L se desarrollaron para la transmisión por cable coaxial. A diferencia de los sistemas de cable abierto y portadores de cable, los sistemas coaxiales normalmente operaban en una sola dirección por cable. Cinco grupos de 12 canales se combinaban en un supergrupo de 60 canales que ocupaba aproximadamente 240 kHz. Los sistemas de mayor capacidad se formaban mediante etapas adicionales de traducción y agrupación de frecuencias. ^{[ 25 ]}

El sistema L5 utilizaba un oscilador de precisión controlado digitalmente con una precisión declarada de 50 × 10⁻¹² ^. [ ^{74 ] Formaba} parte del suministro de frecuencia del grupo L5, que utilizaba un bucle de bloqueo de frecuencia controlado digitalmente para mantener el sistema sincronizado con la referencia de frecuencia nacional . ^{[ 75 ]} Cuando se detectaba una diferencia de frecuencia confirmada, la lógica de control digital ajustaba la configuración del oscilador. El suministro de frecuencia era totalmente redundante. ^{[ 75 ]}

Los primeros sistemas de portadora dependían de la precisión de sus osciladores de portadora locales. En un sistema de banda lateral única , una diferencia entre las frecuencias de portadora de transmisión y recepción desplaza las frecuencias de voz recuperadas. Los sistemas de tipo A y tipo B utilizaban osciladores LC. ^{[ 9 ]} En el sistema de tipo A, que utilizaba transmisión de banda lateral única, la coincidencia de frecuencia entre los osciladores de transmisión y recepción era importante porque cualquier error desplazaba las frecuencias de voz recuperadas. ^{[ 12 ]} El sistema de tipo B transmitía la portadora con las bandas laterales, donde no se requería una portadora coincidente para la recuperación. ^{[ 9 ]}

El sistema Tipo C también utilizaba osciladores LC. Dado que la frecuencia portadora más alta era de aproximadamente 30 kHz, mantener las frecuencias de transmisión y recepción dentro de 20 Hz requería lo que los ingenieros de AT&T describieron como un oscilador "de excepcional estabilidad". ^{[ 15 ]} El sistema Tipo D utilizaba un oscilador LC, pero reducía el número de tubos al combinar las funciones de oscilador y modulador. Sus dos tubos mezcladores funcionaban en paralelo como oscilador y diferencialmente como modulador balanceado. ^{[ 16 ]}

Bell denominó a la generación de las portadoras "suministro de portadora". Los sistemas J, K y L posteriores emplearon un enfoque más sistemático para generar el suministro de portadora. Las frecuencias portadoras de canal se derivaban de una fuente común de 4 kHz y cadenas multiplicadoras, de modo que todas las traslaciones de canal estaban vinculadas a una referencia. La señal de 4 kHz se procesaba mediante un generador de pulsos simétrico para crear armónicos impares y un rectificador de puente para producir armónicos pares. Los armónicos necesarios se separaban con filtros de banda estrecha. En los sistemas de cable abierto tipo J y tipo K, el oscilador de referencia utilizaba un diapasón . Esto era suficientemente preciso para las frecuencias portadoras más bajas utilizadas en dichos sistemas. ^{[ 21 ]}

El sistema coaxial tipo L utilizaba una configuración diferente debido a que sus frecuencias portadoras más altas requerían una mayor concordancia de frecuencia entre los terminales. Su suministro de frecuencia se basaba en osciladores controlados por cristal y un bucle de control de frecuencia. El oscilador ajustable no era un oscilador controlado por voltaje en el sentido electrónico posterior, sino un oscilador controlado por motor en el que un motor accionaba un condensador variable para mantener la frecuencia fija a la de referencia. ^{[ 24 ]}

En el sistema tipo D, dos triodos construían tanto el oscilador local como el mezclador. Los dos tubos operaban en paralelo para el oscilador y diferencialmente para el mezclador balanceado simple. Esto redujo el costo y la disipación de potencia. Una unidad terminal utilizaba 5 triodos, 2 para cada convertidor de frecuencia y uno para el circuito de timbre. ^{[ 16 ]}

El sistema Ericsson utilizaba una configuración de modulador diferente a la del modulador balanceado con supresión de portadora. Sterky describió un "modulador compuesto" de dos válvulas en el que los ánodos de las válvulas estaban conectados en paralelo y las rejillas se accionaban en configuración push-pull. Una tensión de compensación del circuito de ánodo común se realimentaba a las rejillas para reducir el efecto de la carga del ánodo sobre el circuito de rejilla, lo que hacía que la característica de corriente del ánodo resultante fuera aproximadamente cuadrática. ^{[ 76 ]} Con las tensiones de portadora y de voz aplicadas simultáneamente, el circuito del ánodo producía frecuencias de suma y diferencia; el filtro de banda subsiguiente seleccionaba la banda lateral superior. Aunque el circuito podía ajustarse para suprimir la portadora, el sistema mexicano transmitía deliberadamente la portadora junto con la banda lateral superior, simplificando así el terminal receptor. ^{[ 17 ]}

La modulación de señal inicial para formar los grupos fue idéntica en los sistemas J, K y L, y se basó en mezcladores doblemente balanceados hechos con rectificadores de óxido de cobre ^{[ 77 ]} y filtros de cristal . ^{[ 40 ] : 552–553} Las 12 señales se traducen primero a una banda de 60 a 108 kHz, donde como grupo, luego se tradujeron a la frecuencia final según fuera necesario. ^{[ 24 ]} Todos los sistemas operaban desde una referencia de frecuencia maestra de 4 kHz y un sistema multiplicador de frecuencia para sintetizar todas las portadoras necesarias. En los sistemas J y K, los osciladores eran de lazo abierto, utilizando diapasones como referencias de frecuencia. En el sistema L, dados los altos requisitos de precisión para las frecuencias más altas involucradas (precisión relativa de 0,25 ppm entre los dos terminales), se utilizaron osciladores de cristal con un lazo de bloqueo de frecuencia. El oscilador de frecuencia variable se implementó con un motor que accionaba un condensador variable. ^{[ 24 ]}

El sistema Tipo-42 primero traducía las 48 señales de entrada, cada una con un rango de frecuencia de 200–3600 Hz, a un rango de 7800–4400 Hz mediante la mezcla con un oscilador de 8 kHz y la selección de la banda lateral inferior. Posteriormente, cada señal se traducía a su frecuencia final y se combinaba con las demás. Este método de dos pasos simplificaba el filtrado, requiriendo únicamente filtros LC. El hardware para cada grupo de 12 canales es independiente, lo que proporciona redundancia para mayor fiabilidad. ^{[ 33 ]}

El sistema Tipo C utilizaba el mismo diseño de amplificador tanto en los equipos terminales como en los repetidores de línea. La baja distorsión armónica de segundo orden era importante porque los armónicos generados en las bandas de baja frecuencia podían caer dentro de los canales portadores de alta frecuencia. Un circuito push-pull balanceado reducía la distorsión armónica de segundo orden en aproximadamente 15 a 20 dB. ^{[ 15 ]} Aunque teóricamente los amplificadores balanceados cancelaban por completo los armónicos de orden par, los tubos de vacío prácticos rara vez se ajustaban lo suficientemente bien para una cancelación perfecta. Harold Black describió posteriormente estas limitaciones como uno de los factores que motivaron su trabajo en amplificadores de realimentación negativa . ^{[ 61 ]}

El sistema de tipo D generalmente funcionaba sin repetidores dedicados, ya que los propios moduladores proporcionaban suficiente ganancia para rutas más cortas. Para líneas de más de aproximadamente 125 millas, se utilizaba un amplificador repetidor push-pull de dos triodos. ^{[ 16 ]}

En 1929, Harold Black solicitó una patente para el amplificador de retroalimentación negativa. ^{[ 78 ]} El circuito fue diseñado para permitir que los sistemas portadores tuvieran un alcance de hasta 4000 millas. ^{[ 61 ] [ 50 ]}

Black demostró que un amplificador que utiliza una red de retroalimentación adaptada a las características de pérdida de un cable puede compensar la pérdida de transmisión manteniendo una ganancia estable. En las pruebas de telefonía de Morristown, se operaron 29 de estos amplificadores en tándem en circuitos de prueba de larga distancia. La teoría matemática de la estabilidad de la retroalimentación fue desarrollada posteriormente por Hendrik Bode ^{[ 79 ] [ 62 ]} y Harry Nyquist ^{[ 80 ]} .

El amplificador de retroalimentación negativa de Black fue reconocido posteriormente como una tecnología clave para los sistemas de portadoras de banda ancha. En declaraciones citadas cuando Black recibió la Medalla Lamme en 1957 , Mervin Kelly, de los Laboratorios Bell, describió la invención como "una de las dos invenciones" de mayor importancia en electrónica y comunicaciones durante el medio siglo anterior. Kelly la vinculó directamente con la viabilidad de las redes telefónicas, televisivas y de cable transoceánico de larga distancia . ^{[ 61 ]}

La retroalimentación negativa cobró importancia en los repetidores de portadora debido a que muchos canales de voz se amplificaban simultáneamente. Terman describió su uso en repetidores telefónicos como una forma de estabilizar la ganancia y reducir la distorsión y la modulación cruzada . Una ganancia estable era especialmente importante en circuitos de larga distancia con muchos repetidores, mientras que la reducción de la modulación cruzada ayudaba a evitar que un canal portador interfiriera con otro en el mismo amplificador. ^{[ 40 ] : 405}

En los sistemas de cable tipo K de finales de la década de 1930, los amplificadores repetidores estaban espaciados a unos 27 kilómetros de distancia. Los repetidores utilizaban amplificadores pentodo en cascada con redes de retroalimentación negativa elegidas para coincidir con las características de los tipos y longitudes de cable. Al colocar una red de cable simulada en la ruta de retroalimentación, la respuesta combinada del amplificador y el cable podía hacerse casi uniforme en toda la banda de transmisión. Debido a que la pérdida del cable variaba con la temperatura, se proporcionaba una regulación automática de la ganancia mediante un tono piloto transmitido a través de otro par de cables dedicado en el cable, junto con un condensador variable accionado por motor en la red de retroalimentación. ^{[ 21 ]} El sistema de cable abierto tipo J utilizaba técnicas de regulación de tono piloto similares, aunque la frecuencia piloto se transmitía en el mismo par de cables que los canales portadores, ya que un par de cables abiertos adicional para el piloto era poco práctico. ^{[ 22 ]}

Un sistema K2 revisado entró en servicio durante la Segunda Guerra Mundial y se describió públicamente en 1947. Para entonces, aproximadamente 250 000 millas de circuitos K1 y K2 estaban en funcionamiento, utilizando unos 30 000 repetidores de retroalimentación negativa. El sistema K2 utilizaba tonos piloto integrados y amplificadores de ganancia variable que empleaban termistores y calentadores como elementos de control. Tanto la retroalimentación positiva como la negativa se utilizaban en los circuitos de regulación. ^{[ 81 ]}

A medida que evolucionaron los sistemas coaxiales de tipo L, los anchos de banda más amplios aumentaron la pérdida de línea y la hicieron más dependiente de la frecuencia. Por lo tanto, los repetidores tuvieron que espaciarse más cerca, mientras que sus amplificadores requirieron una conformación de ganancia más precisa y una regulación automática. ^{[ 56 ]}

El amplificador L3 se describió en 1953. Utilizaba dos etapas de amplificación con tubos diseñados para servicio de portadora coaxial. El repetidor operaba hasta aproximadamente 8 MHz y proporcionaba una ganancia ajustada para igualar la pérdida del cable coaxial, desde aproximadamente 10 dB en bajas frecuencias hasta aproximadamente 45 dB a 8 MHz. ^{[ 82 ]} Se utilizaron redes de realimentación negativa tanto para ajustar la ganancia como para igualar las impedancias de entrada y salida del cable. Una etapa de regulación entre las dos etapas de amplificación utilizaba una combinación de termistor/calentador para monitorizar los cambios en la pérdida del cable con la temperatura. El diseño de ecualización y realimentación se basó en la teoría de redes desarrollada por H. W. Bode ^{[ 83 ] [ 62 ] [ 84 ]} y Sidney Darlington . ^{[ 85 ] [ 86 ]}

El sistema coaxial L4 extendió el ancho de banda de la línea a 20 MHz. Sus repetidores utilizaban amplificadores de estado sólido espaciados a intervalos de 2 millas en rutas de hasta aproximadamente 4000 millas. El sistema de regulación seguía el mismo enfoque general que el sistema de tubos de vacío L3, utilizando termistores como elementos de control. ^{[ 87 ] [ 88 ]}

El sistema L5 aumentó el ancho de banda útil a más de 60 MHz y redujo la distancia entre repetidores a aproximadamente 1 milla. Sus repetidores de estado sólido utilizaban circuitos de transistores altamente lineales, con transistores emparejados en paralelo para reducir la distorsión. La regulación de ganancia también utilizaba elementos de control de termistores, mientras que la implementación empleaba una construcción híbrida de película delgada. ^{[ 89 ]} La línea de repetidores L5 utilizaba 28 bandas de ecualización de frecuencia, cada una ajustada por un ecualizador basado en el método de Bode. ^{[ 90 ]}

El desarrollo de los sistemas de telefonía portadora fue un factor clave en el avance de la teoría de filtros de ondas eléctricas y el diseño de filtros selectivos a principios del siglo XX. ^{[ 6 ]} George Campbell describió la teoría y la construcción práctica de filtros de ondas eléctricas en un artículo de 1922 en el Bell System Technical Journal . ^{[ 60 ]} Campbell describió estructuras de filtros de escalera y de celosía para separar señales por frecuencia, utilizando redes de inductores y condensadores (LC). Otto Zobel ^{[ 91 ]} y KS Johnson ^{[ 92 ]} ampliaron estos esfuerzos. Estos filtros se convirtieron en componentes estándar en los equipos de telefonía portadora del Bell System, incluidos los filtros de canal utilizados en los sistemas portadores de tipo A a D. ^{[ 93 ]}

En 1922, Walter Cady propuso el uso de resonadores de cuarzo como elementos de filtro. ^{[ 94 ]} Partiendo de este trabajo, WP Mason desarrolló redes de filtros de celosía cristalina para aplicaciones de telefonía portadora del sistema Bell. ^{[ 95 ]} Los filtros de celosía de banda ancha de Mason proporcionaron una selectividad mucho más nítida que los filtros LC anteriores. La configuración de celosía utilizaba brazos de red complementarios para producir cancelación fuera de la banda de paso , manteniendo la transmisión dentro del grupo de canales deseado, lo que permitía filtros de canal altamente selectivos adecuados para sistemas portadores de 12 canales que operaban de 60 a 108 kHz. ^{[ 96 ]}

Las características de corte abrupto de los filtros de red cristalina hicieron que el espaciado de canales de 4 kHz fuera práctico y económico en grandes sistemas portadores. ^{[ 97 ]} La banda de grupo estándar de 60 a 108 kHz estuvo influenciada por el rango de frecuencia práctico de los primeros filtros de cristal. En muchos sistemas portadores, los canales de voz se traducían primero a esta banda para filtrado y agrupación, y luego se desplazaban nuevamente a las frecuencias más altas utilizadas en sistemas de cable abierto, cable coaxial o coaxial. Los sistemas J, K y L diferían principalmente en estas últimas traducciones de frecuencia y en las disposiciones de agrupación de nivel superior. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 98 ]}

Se realizaron trabajos similares en el Reino Unido, donde ingenieros de la Oficina Postal desarrollaron filtros de canal de cristal para sistemas de telefonía portadora basados ​​en las mismas técnicas de retícula y resonador de cuarzo pioneras en los Laboratorios Bell. ^{[ 99 ]}

In 1946, Bell Laboratories introduced a redesigned crystal channel filter using eight crystal elements in a single lattice structure, reducing the size and weight of earlier filter assemblies.^[100]

Lower-cost short-haul carrier systems, such as the Bell System Type N carriers, returned to LC filters and double-sideband modulation. Eliminating single-sideband channel filters reduced equipment cost and complexity, while the wider 8 kHz channel spacing allowed the use of simpler filters in the receiving end. These compromises were practical for shorter-distance systems where spectrum efficiency was less important than equipment cost.^[32]

In the late 1960s and early 1970s, Bell Laboratories developed monolithic crystal filters for carrier telephony channel banks, including the A6 channel bank system.^[101][98] These designs replaced earlier discrete lattice crystal filter assemblies that had been used for more than 40 years. In these systems, voice channels were translated to frequencies above 8 MHz using 4 kHz spacing then combined and translated into the standard 60 to 108 kHz carrier group. The compact monolithic filters reduced the size and cost limitations that had previously restricted widespread use of crystal channel filters.^[101]

Other manufacturers developed related technologies. Lenkurt's 60-channel carrier systems used polylithic crystal filters for compact multiplex equipment.^[102]

In the N2 system, the input amplifiers were constructed with PNP germanium transistors, and silicon NPN transistors were used for the output stages (both transistors are types of bipolar junction transistors). The silicon transistor was developed specifically for this design to permit high-power operation at elevated temperatures. The compressor and expander, used to increase dynamic range and reduce noise, required the development of a special diode^[103] to be used as a variable resistance, termed a "variolosser".^[104] They were designed to CCITT recommendations.^[35]

The N2 double-sideband frequency conversion was accomplished with a square-wave crystal oscillator driving an NPN switch-type unbalanced mixer.^[104] In the N3 system, 24 channels were modulated at 4 kHz intervals into a 96 kHz band from either 36–132 kHz or 172–268 kHz. A phase-locked loop corrected for any frequency drift between the modulation and demodulation oscillators.^[105]:818

Los mezcladores eran moduladores de transistores balanceados simples, construidos con un transistor de germanio diseñado específicamente para este circuito, con alta ganancia inversa. Se utilizaron filtros de cristal, que proporcionaban un ancho de banda de audio de 200–3450 Hz. ^{[ 105 ]}

Dadas las extremas exigencias de linealidad de hasta 4000 amplificadores en cascada, se desarrollaron transistores ultralineales para el sistema L5. ^{[ 106 ]}

El sistema Bell y el CCITT estandarizaron el grupo básico de multiplexación por división de frecuencia analógica como doce canales de voz que ocupaban la banda de 60 a 108 kHz. Esta misma banda de grupo final podía generarse de varias maneras, dependiendo de la tecnología de filtrado utilizada en el banco de canales. Los filtros más selectivos eran los filtros de canal individuales, ya que debían separar canales de voz adyacentes con una separación de tan solo 4 kHz. ^{[ 72 ]}

La configuración de 12 canales se formalizó internacionalmente en la Recomendación G.232 de la CCITT, que especificaba equipos de traducción de 12 canales para sistemas portadores. ^{[ 107 ]}

Los distintos sistemas nacionales empleaban diferentes métodos de traducción. Algunos bancos de canales europeos y japoneses utilizaban filtros LC de banda lateral única, traduciendo primero tres canales al rango de 12 a 24 kHz y, a continuación, combinando cuatro de estos grupos en la banda estándar de 60 a 108 kHz. Otros sistemas en Europa, Estados Unidos y Japón traducían primero cada canal de voz al rango de 48 a 52 kHz antes de trasladar los canales a la banda de grupo. En Estados Unidos y Gran Bretaña, algunos bancos de canales utilizaban modulación directa en la banda de 60 a 108 kHz, con doce filtros de canal LC, de cristal o mecánicos operando en paralelo. Los sistemas europeos con filtros mecánicos podían, en cambio, utilizar un rango intermedio de alrededor de 200 a 204 kHz antes de la traducción final a 60 a 108 kHz. ^{[ 72 ]}

Los bancos de canales A1 a A5 del sistema Bell utilizaban modulación directa en la banda de grupo de 60 a 108 kHz. El banco de canales A6 posterior utilizaba una frecuencia intermedia superior a 8 MHz para que se pudieran usar filtros de cristal monolíticos antes de que el grupo completo se redujera a la banda estándar de 60 a 108 kHz. ^{[ 72 ]}

Los bancos de canales tipo A del sistema Bell traducían los circuitos de voz individuales desde y hacia el grupo estándar de 12 canales que ocupaba de 60 a 108 kHz. Estos bancos proporcionaban la modulación, demodulación, filtrado y control de nivel de canal utilizados con los sistemas portadores de banda ancha J, K, L y posteriores . Los primeros bancos de canales tipo A se desarrollaron para sistemas portadores de cable abierto, cable coaxial y coaxial; las versiones posteriores también se utilizaron con sistemas de transmisión de microondas como el TD-2 y equipos de retransmisión de radio relacionados del sistema Bell . ^{[ 98 ]}

El banco de canales A5, introducido a principios de la década de 1960, fue un reemplazo transistorizado para los bancos de canales de válvulas de vacío anteriores. Los autores de Bell System lo describieron como una "versión radicalmente nueva" del banco tipo A. ^{[ 108 ]} Su ruta de transmisión utilizaba puentes moduladores pasivos de óxido de cobre y filtros de cristal, con las doce unidades de canal operando en paralelo. La ruta de recepción utilizaba un filtro de cristal, un puente demodulador de óxido de cobre y un amplificador de voz de retroalimentación negativa de tres transistores con ecualización de baja frecuencia para compensar la atenuación del filtro de canal cerca del borde inferior de la banda de voz. En comparación con el banco A4, el banco A5 redujo el tamaño y los requisitos de potencia, al tiempo que mejoró las características operativas. ^{[ 108 ]}

El banco de canales A6, descrito en 1972, utilizaba un sistema de conversión de dos etapas con una frecuencia intermedia superior a 8 MHz, dado que los filtros de cristal monolíticos solo eran prácticos por encima de aproximadamente 5 MHz. Esto permitió sustituir los filtros de red multicristalina anteriores por filtros de cristal monolíticos, en los que varios resonadores acoplados mecánicamente se formaban en un único y pequeño elemento de cuarzo. Los filtros seguían siendo dispositivos electromecánicos, pero eran mucho más pequeños y fáciles de fabricar que los conjuntos construidos a partir de varias unidades de cristal separadas. El banco A6 también utilizaba circuitos híbridos de película delgada y circuitos integrados de silicio . ^{[ 98 ]}

Los sistemas portadores de alta capacidad combinaban grupos de 12 canales en estructuras de multiplexación más grandes. Esto se utilizaba en sistemas coaxiales de tipo L y en sistemas de radioretransmisión de microondas como TD-2 , TH , TJ y TL, donde una sola ruta de transmisión transportaba mucho más que un grupo de 12 canales. ^{[ 20 ]}

En el equipo multiplex L600 del sistema Bell, cinco grupos de 12 canales se combinaron primero en un supergrupo de 60 canales que abarcaba de 312 a 552 kHz, con un ancho de banda de 240 kHz. Posteriormente, se combinaron diez supergrupos para formar un grupo maestro de 600 canales. El grupo maestro ocupaba la banda de 60 a 2788 kHz; la diferencia entre los diez supergrupos de 240 kHz y la banda completa del grupo maestro proporcionaba espacios de guarda. La estructura resultante de 600 canales era compatible con la jerarquía multiplex CCITT. ^{[ 73 ]}

El terminal L1860 extendió la misma jerarquía al traducir 31 supergrupos a la banda de aproximadamente 312 kHz a 8284 kHz. ^{[ 73 ]}

Se transmitieron tonos piloto a 92 kHz con cada uno de los grupos y se utilizaron para regular los niveles de transmisión a través del sistema. ^{[ 73 ]}