Modulación de banda lateral única

En radiocomunicaciones , la modulación de banda lateral única ( SSB ) o modulación de banda lateral única con portadora suprimida ( SSB-SC ) es un tipo de modulación de señal que se utiliza para transmitir información, como una señal de audio , mediante ondas de radio . Como mejora de la modulación de amplitud , utiliza la potencia del transmisor y el ancho de banda de forma 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 la potencia desperdiciada en la portadora, a costa de una mayor complejidad del dispositivo y una sintonización más difícil en el receptor.

En la modulación de amplitud (AM) convencional, una señal de audio controla la amplitud de una portadora de radiofrecuencia, produciendo una portadora más dos bandas laterales simétricas. Cada banda lateral contiene una copia completa de la información original, mientras que la portadora en sí no transmite ninguna. En consecuencia, una señal AM ocupa un ancho de banda equivalente al doble de la frecuencia de audio más alta y consume una gran fracción de la potencia transmitida en la portadora y la banda lateral redundante. Esta estructura espectral de la AM se describe en textos clásicos de radio, incluyendo los análisis de Everitt sobre la teoría de la modulación. ^{[ 1 ]}

La modulación de banda lateral única (SSB) se deriva directamente de la modulación de amplitud (AM) eliminando esta redundancia. Dado que cada banda lateral contiene por sí sola la señal moduladora completa, la SSB transmite solo una banda lateral y generalmente suprime la portadora. En comparación con la AM, la SSB requiere aproximadamente la mitad del ancho de banda y utiliza la potencia del transmisor de forma más eficiente. Las señales SSB se generan típicamente a baja potencia mediante técnicas de filtrado o cancelación de fase y luego se amplifican linealmente.

Debido a que la portadora se suprime, la recepción SSB requiere la reinserción de una portadora generada localmente y una mayor estabilidad de frecuencia que la AM. La AM se puede generar y recibir con equipos relativamente sencillos, mientras que la SSB se utiliza principalmente donde la eficiencia y el alcance son importantes. En la radioafición, antes de la generalización de la voz digital, la mayoría de las operaciones de voz en HF pasaron de AM a SSB. ^{[ 2 ]}

La primera solicitud de patente estadounidense para la modulación SSB fue presentada el 1 de diciembre de 1915 por John Renshaw Carson . ^{[ 3 ]} La Armada de los Estados Unidos 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 estaban en lugares muy silenciosos en Houlton, Maine , y Cupar , Escocia. ^{[ 6 ]}

La modulación de banda lateral única ( SSB) también se utilizó en telefonía de portadora en líneas telefónicas de larga distancia , mediante una técnica conocida como multiplexación por división de frecuencia (FDM). Las compañías telefónicas fueron pioneras en la FDM en la década de 1930. Con esta tecnología, se podían transmitir muchos canales de voz simultáneos en un solo circuito físico, por ejemplo, en portadora L. Con SSB, los canales podían espaciarse (generalmente) solo 4000 Hz , ofreciendo un ancho de banda de voz nominal de 300 Hz a 3400 Hz. ^{[ 7 ]}   

Los radioaficionados comenzaron a experimentar seriamente con SSB después de la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 8 ]} El Comando Aéreo Estratégico estableció SSB como el estándar de radio para sus aeronaves en 1957. ^{[ 9 ]} Desde entonces, se ha convertido en un estándar de facto para las transmisiones de radio de voz de larga distancia.

En diciembre de 1956, las Actas del IRE dedicaron un número completo a la transmisión de banda lateral única, cubriendo su historia, teoría e implementación práctica en la gestión del espectro, transmisores, receptores, filtrado, amplificadores de potencia y aplicaciones militares, comerciales y de radioaficionados, incluyendo la revisión histórica de Oswald y el tercer método de Weaver para la generación y detección de SSB. ^{[ 10 ]}

La modulación de banda lateral única tiene la forma matemática de la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) en el caso especial en que una de las formas de onda de banda base se deriva de la otra, en lugar de ser mensajes independientes :

dónde${\displaystyle s(t)\,}$es el mensaje (de valor real),${\displaystyle {\widehat {s}}(t)\,}$es su transformada de Hilbert y${\displaystyle f_{0}\,}$es la frecuencia portadora de radio . ^{[ 11 ] [ 7 ]}

Para entender esta fórmula, podemos expresar${\displaystyle s(t)}$como la parte real de una función de valor complejo, sin pérdida de información:

${\displaystyle s(t)=\operatorname {Re} \left\{s_{\mathrm {a} }(t)\right\}=\operatorname {Re} \left\{s(t)+j\cdot {\widehat {s}}(t)\right\},}$

dónde${\displaystyle j}$representa la unidad imaginaria .${\displaystyle s_{\mathrm {a} }(t)}$es la representación analítica de${\displaystyle s(t),}$ lo que significa que comprende únicamente los componentes de frecuencia positiva de${\displaystyle s(t)}$:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}S_{\mathrm {a} }(f)={\begin{cases}S(f),&{\text{para}}\ f>0,\\0,&{\text{para}}\ f<0,\end{cases}}}$

dónde${\displaystyle S_{\mathrm {a} }(f)}$y${\displaystyle S(f)}$son las transformadas de Fourier respectivas de${\displaystyle s_{\mathrm {a} }(t)}$y${\displaystyle s(t).}$ Por lo tanto, la función trasladada de frecuencia${\displaystyle S_{\mathrm {a} }\left(f-f_{0}\right)}$contiene solo un lado de${\displaystyle S(f).}$  Dado que también tiene solo componentes de frecuencia positiva, su transformada inversa de Fourier es la representación analítica de${\displaystyle s_{\text{usb}}(t):}$

${\displaystyle s_{\text{usb}}(t)+j\cdot {\widehat {s}}_{\text{ssb}}(t)={\mathcal {F}}^{-1}\{S_{\mathrm {a} }\left(f-f_{0}\right)\}=s_{\mathrm {a} }(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t},\,}$

y de nuevo la parte real de esta expresión no causa pérdida de información. Con la fórmula de Euler para expandir ${\displaystyle e^{j2\pi f_{0}t},\,}$ obtenemos la ecuación 1 :

${\displaystyle {\begin{aligned}s_{\text{usb}}(t)&=\operatorname {Re} \left\{s_{\mathrm {a} }(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}\right\}\\&=\operatorname {Re} \left\{\,\left[s(t)+j\cdot {\widehat {s}}(t)\right]\cdot \left[\cos \left(2\pi f_{0}t\right)+j\cdot \sin \left(2\pi f_{0}t\right)\right]\,\right\}\\&=s(t)\cdot \cos \left(2\pi f_{0}t\right)-{\widehat {s}}(t)\cdot \sin \left(2\pi f_{0}t\right).\end{aligned}}}$

Demodulación coherente de${\displaystyle s_{\text{ssb}}(t)}$recuperarse${\displaystyle s(t)}$es lo mismo que AM: multiplicar por${\displaystyle \cos \left(2\pi f_{0}t\right),}$ y paso bajo para eliminar los componentes de "doble frecuencia" alrededor de la frecuencia${\displaystyle 2f_{0}}$. Si la portadora demoduladora no está en la fase correcta (fase coseno aquí), entonces la señal demodulada será una combinación lineal de${\displaystyle s(t)}$y${\displaystyle {\widehat {s}}(t)}$, lo cual suele ser aceptable en las comunicaciones de voz (si la frecuencia portadora de demodulación no es del todo correcta, la fase variará cíclicamente, lo cual, de nuevo, suele ser aceptable en las comunicaciones de voz si el error de frecuencia es lo suficientemente pequeño, y los radioaficionados a veces toleran errores de frecuencia aún mayores que provocan efectos de cambio de tono poco naturales). ^{[ 7 ]}

La etapa de entrada de un receptor SSB es similar a la de un receptor AM o FM , y consiste en una etapa de entrada de RF superheterodina que produce una versión con desplazamiento de frecuencia de la señal de radiofrecuencia (RF) dentro de una banda de frecuencia intermedia (FI) estándar .

Para recuperar la señal original de la señal SSB de FI, la banda lateral única debe desplazarse en frecuencia hasta su rango original de frecuencias de banda base , utilizando un detector de producto que la mezcla con la salida de un oscilador de frecuencia de batido (BFO). En otras palabras, es simplemente otra etapa de heterodino. Para que esto funcione, la frecuencia del BFO ​​debe ajustarse con precisión. Si la frecuencia del BFO ​​se desvía más de 30  Hz, la señal de salida se desplazará en frecuencia (hacia arriba o hacia abajo), lo que hará que el habla suene extraña y parecida a la del Pato Donald . ^{[ 7 ]}

Como ejemplo, consideremos una señal SSB de FI centrada en la frecuencia${\displaystyle F_{\text{if}}\,}$= 45000  Hz. La frecuencia de banda base a la que debe desplazarse es${\displaystyle F_{b}\,}$= 2000  Hz. La forma de onda de salida del BFO ​​es${\displaystyle \cos \left(2\pi \cdot F_{\text{bfo}}\cdot t\right)}$Cuando la señal se multiplica por (también conocida como heterodina con ) la forma de onda BFO, desplaza la señal a ${\displaystyle \left(F_{\text{if}}+F_{\text{bfo}}\right)}$y a​  ${\displaystyle \left|F_{\text{if}}-F_{\text{bfo}}\right|}$, que se conoce como frecuencia de batido o frecuencia de imagen . El objetivo es elegir una${\displaystyle F_{\text{bfo}}}$que resulta en ${\displaystyle \left|F_{\text{if}}-F_{\text{bfo}}\right|=F_{b}\,}$= 2000  Hz. (Los componentes no deseados en${\displaystyle \left(F_{\text{if}}+F_{\text{bfo}}\right)\,}$puede eliminarse mediante un filtro de paso bajo ; para lo cual puede servir un transductor de salida o el oído humano ).

Hay dos opciones para${\displaystyle F_{\text{bfo}}}$: 43000  Hz y 47000  Hz, denominadas inyección de lado bajo y lado alto . Con la inyección de lado alto, los componentes espectrales que se distribuían alrededor de 45000  Hz se distribuirán alrededor de 2000  Hz en orden inverso, también conocido como espectro invertido. Esto es deseable cuando el espectro de FI también está invertido, ya que la inversión del BFO ​​restablece las relaciones adecuadas. Una razón para ello es cuando el espectro de FI 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 de FI no está invertido y  se debe usar el BFO ​​no inversor (43000 Hz).

Durante la Segunda Guerra Mundial , la SSB fue la técnica que permitió el enlace radiofónico/telefónico entre Franklin D. Roosevelt , posteriormente Harry Truman , y Winston Churchill . Con el nombre en clave SIGSALY , fue desarrollada por Bell Telephone Laboratories . ^{[ 7 ]}

La modulación de banda lateral única también se denomina portadora suprimida de banda lateral única , en la que la portadora y una banda lateral se suprimen mediante discriminación de frecuencia o fase (transformada de Hilbert). Aunque más compleja y costosa, se utiliza para comunicaciones dedicadas de dos puntos que requieren menos ancho de banda y potencia. En la modulación de doble banda lateral con portadora suprimida, solo se suprime la portadora, lo que genera una eficiencia de modulación del cien por cien, pero con un coste y una complejidad adicionales. Se utiliza para la televisión y las emisiones estéreo de FM. Una banda lateral vestigial se ha suprimido solo parcialmente, utilizándose solo entre el 25 y el 30 por ciento de un ancho de banda. Se utiliza para la televisión. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Una transmisión compatible se refiere a aquella en la que el receptor es capaz de realizar una demodulación de amplitud instantánea. Esto podría ser una transmisión de doble banda lateral o de banda lateral simple. ^{[ 21 ]} Como ejemplo, Leonard R. Kahn introdujo un esquema estéreo de banda lateral independiente (ISB), en el que la banda lateral inferior transmitía el canal izquierdo y la banda lateral superior el derecho. Kahn comercializó este estéreo AM como los modelos STR-77 y STR-84. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Cuando se utiliza banda lateral única en comunicaciones de voz de radioaficionados, es práctica común que para frecuencias inferiores a 10  MHz se utilice la banda lateral inferior (LSB) y para frecuencias de 10  MHz o superiores se utilice la banda lateral superior (USB). ^{[ 24 ]} 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 radioaficionados independientes en la banda de 60 metros (cerca de 5,3  MHz) donde las normas de la FCC requieren específicamente USB. ^{[ 25 ]}

La banda lateral única extendida es cualquier modo J3E  (SSB-SC) que excede el ancho de banda de audio de los modos J3E SSB estándar o tradicionales de 2,9 kHz (ITU 2K90J3E) para admitir un sonido de mayor calidad.

La modulación de banda lateral única con compresión de amplitud ( ACSSB ) es un método de modulación de banda estrecha que utiliza una sola banda lateral 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 con respecto a la modulación SSB estándar, manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con radios SSB estándar. ACSSB también ofrece un ancho de banda reducido y un mayor alcance para un nivel de potencia dado en comparación con la modulación FM de banda estrecha.

La generación de modulación SSB estándar produce grandes sobreimpulsos de envolvente muy por encima del nivel promedio de envolvente para un tono sinusoidal (incluso cuando la señal de audio está limitada en pico). Los picos de la envolvente SSB estándar se deben al truncamiento del espectro y a la distorsión de fase no lineal derivada de 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  una reducción de pico de aproximadamente 3,8 dB para la transmisión de voz. Esto resulta en un aumento efectivo de la potencia promedio de aproximadamente el 140 %. ^{[ 26 ]} Si bien 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 transmitir la señal CESSB. Si un modulador SSB estándar cumple con estos requisitos, entonces se conserva el control de la envolvente mediante el proceso CESSB. ^{[ 27 ]}

En 1982, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) designó los tipos de modulación de amplitud:

El ancho de banda ocupado por la modulación de banda lateral única (SSB) y otras técnicas de modulación derivadas de AM puede reducirse comprimiendo el espectro de audio transmitido antes de la modulación. Un enfoque investigado en la década de 1970 fue la modulación de voz de banda estrecha (NBVM). En la NBVM, la energía consonántica de las frecuencias de audio más altas se desplaza hacia abajo y se pliega electrónicamente en regiones espectrales menos ocupadas por vocales durante el habla, lo que permite reducir el ancho de banda de audio transmitido manteniendo la inteligibilidad.

NBVM se mencionó en la literatura de radioaficionados a finales de la década de 1970 y se evaluó experimentalmente en enlaces HF SSB, con habla inteligible reportada en anchos de banda de audio del orden de 1 a 1,5 kHz en condiciones favorables. ^{[ 28 ]} Técnicas relacionadas también se describieron en la literatura profesional, incluyendo resultados presentados en ICASSP en 1977. ^{[ 29 ]} A diferencia de los códecs de voz digital de baja tasa de bits posteriores, NBVM operaba completamente dentro de un marco SSB analógico.

• ACSSB , banda lateral única con compresión de amplitud
• Banda paralela independiente
• Modulación para otros ejemplos de técnicas de modulación
• Banda lateral para obtener información más general sobre una banda lateral.

• En parte basado en la norma federal 1037C en apoyo de la norma MIL-STD-188.

• "Transmisión de banda lateral única (número especial)" (PDF) . Actas del IRE . 44 (12). Diciembre de 1956.
• Sgrignoli, G., W. Bretl, R. y Citta. (1995). "Modulación VSB utilizada para transmisiones terrestres y por cable". IEEE Transactions on Consumer Electronics. vol. 41, número 3, págs.  367-382.
• J. Brittain, (1992). "Escaneando el pasado: Ralph VL Hartley", Proc. IEEE , vol. 80, pág.  463.
• eSSB - Banda lateral única extendida